《Materials Chemistry and Physics》：Biogenically Synthesized Copper Oxide Nanoparticles Immobilized in Optimized Polycaprolactone/Polyethylene Oxide Blended Biomimetic Nanofibrous Mats for Enhanced Wound Healing and Tissue Regeneration
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摘要：开发具有均衡机械性能、理化性能和生物特性的仿生创面敷料仍然是创面愈合领域的主要挑战。在本研究中，研究人员制备了优化的聚己内酯/聚环氧乙烷（PCL/PEO）共混纳米纤维膜（BNM），并用来源于胡椒（Piper betle L.）提取物的生物法合成的氧化铜纳米颗粒（B-Cu
摘要：
开发具有均衡机械性能、理化性能和生物特性的仿生创面敷料仍然是创面愈合领域的主要挑战。在本研究中，研究人员制备了优化的聚己内酯/聚环氧乙烷（PCL/PEO）共混纳米纤维膜（BNM），并用来源于胡椒（Piper betle L.）提取物的生物法合成的氧化铜纳米颗粒（B-CuO NPs；2.5、7.5 和 12.5 wt.%）对其进行功能化，以解决上述局限性问题。通过 SEM、TEM、FTIR、XRD 和 EDX 分析验证了 B-CuO NPs 的整合效果。BNM/2.5B-CuO 和 BNM/7.5B-CuO 纳米纤维膜分别表现出 5.3 和 7.5 MPa 的抗拉强度、197% 和 230% 的断裂伸长率以及 21.5 和 17.2 MPa 的杨氏模量，显示出与皮肤相容的力学性能。B-CuO 的封装使纳米纤维膜对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）表现出高抗菌活性，同时维持长达 48 小时的持续抗氧化活性。细胞毒性研究显示，较低 B-CuO 负载量下细胞存活率较高，而较高负载量则导致剂量依赖性的细胞毒性效应。ICP-OES 分析表明，13 天内无 Cu 离子释放，说明 Cu2+ 物种被固定化。使用 MEF 和 A549 细胞的体外划痕试验显示细胞迁移能力增强，其中 BNM/2.5B-CuO 将愈合速度提高了 43%（相当于 14 天缩短至 8 天），表明 48 小时内具有更快的创面闭合动力学。总体而言，BNM/B-CuO 纳米复合材料在增强力学和理化性能的同时，提供了抗菌、抗氧化和保湿功能，显示出作为创面愈合和组织工程多功能平台的潜力。
引言
纳米技术已成为生物医学研究中的一个关键领域，它使得在纳米尺度上精确设计材料成为可能，从而增强材料的理化和生物特性[1]。在各种纳米结构中，静电纺丝聚合物纳米纤维因其在形态上类似于细胞外基质（ECM）、具有高比表面积、可调控的孔隙率以及优异的气体渗透性，从而促进细胞黏附、迁移和增殖，因此在创面愈合、组织工程和控释药物递送领域受到了广泛关注[2]。有效的创面愈合仍然是现代医学中的一个重大挑战，尤其是在慢性伤口和感染伤口的管理中[3]。此外，传统的创面敷料，如纱布、棉垫和水胶体敷料，往往无法提供有效的愈合所需的保湿、气体交换或抗菌保护。因此，开发兼具结构支撑与治疗生物活性的仿生创面敷料已引起研究人员的极大兴趣[4]。
各种金属氧化物纳米颗粒因其独特的理化性能，已被广泛应用于多种技术和生物医学领域。例如，二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、氧化铜（CuO）和氧化镍（NiO）已被广泛应用于生物医学研究[5]，而三氧化钨（WO3）[6]和钴铁氧体（CoFe2O4）在储能器件方面展现了巨大的潜力[7]。CuO 也被用于高性能介电电容器[8]，TiO2/氧化石墨烯（GO）纳米复合材料被用于实时环境监测[9]，ZnO 和三氧化钼（MoO3）在光电器件中表现出有前景的应用[10]。在这些金属氧化物中，氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）因其广谱抗菌活性、在可控剂量下的低细胞毒性以及其他生物学优势而备受关注[11]。铜离子（Cu2+）是重要的微量元素，在血管新生、胶原交联和细胞外基质重塑中发挥关键作用。CuO NPs 通过产生活性氧（ROS）、破坏细胞膜和阻碍 DNA 复制来抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌[12]，同时作为一种必需的微量营养素，能够缩短自然愈合时间[13]。然而，CuO 纳米颗粒的传统化学和物理合成方法通常涉及有害试剂、高能耗和有毒副产物，限制了其生物医学应用。
使用植物提取物进行 CuO 纳米颗粒的生物法合成提供了一种可持续、环保且经济高效的途径，以解决上述缺点[14]。植物来源的生物活性化合物包括多酚、黄酮类和生物碱，它们有助于将铜离子还原为稳定的 CuO 纳米颗粒。此外，这些生物活性化合物还能控制纳米颗粒的成核和生长，从而获得尺寸分布均匀且稳定性更好的纳米颗粒。此外，吸附在纳米颗粒表面的残留生物活性化合物赋予其固有的抗氧化和抗菌活性，从而提高了其生物医学潜力[15]。在此背景下，胡椒（Piper betle L.，即蒌叶）提取物展现了卓越的应用潜力，因其富含活性化合物，包括丁香酚、异丁香酚和水合异丁香酚，这些成分具有高度的抗氧化、抗炎和抗菌活性[16]，可能协同增强所制生物法 CuO 纳米颗粒（B-CuO）的抗菌性能。此外，胡椒（Piper betle L.）的热水提取物除含有多酚外，还含有多糖[17]、[18]。与化学合成的 CuO 相比，生物法 CuO 表现出更好的生物相容性和更低的细胞毒性，使其适用于与活组织接触的 biomaterials[19]。
利用这一潜力，将胡椒（Piper betle L.）介导的 B-CuO NPs 嵌入可生物降解的静电纺丝聚合物纳米纤维中，为制造具有可调理化性能和生物特性的多功能生物材料提供了一种极具吸引力的策略[20]。在可生物降解聚合物中，聚己内酯（PCL）以其生物相容性、加工容易性和机械强度而广为人知，但其疏水性和缓慢降解限制了纳米纤维膜上的细胞黏附、液体吸收和亲水生物活性物质的释放。将 PCL 与聚环氧乙烷（PEO）共混可改善纤维形成、表面润湿性和吸水率，同时促进药物更快释放[21]、[22]。通过优化 PCL/PEO 比例，可获得具有理想机械耐久性、降解特性和生物响应性的混合纳米纤维膜[23]。当 CuO 纳米颗粒被纳入此类聚合物基质中时，它们可以在纳米纤维结构中均匀分散，实现 Cu2+ 离子在创面部位的受控且持续释放，从而防止感染并促进创面愈合[24]、[25]。此外，CuO 的引入通过界面结合增强了抗拉强度，同时提供了抗菌和抗氧化性能[26]、[27]。
尽管生物法合成的 CuO 纳米颗粒显示出治疗潜力[28]、[29]、[30]、[31]、[32]，但将其整合到静电纺丝纳米纤维系统中，尤其是从全面的理化、机械和生物学评估角度进行的研究仍鲜有报道[33]、[34]。这主要是因为铜基敷料仍面临一些持续存在的挑战，如剂量依赖性的细胞毒性、机械性能不足、抗氧化保护有限以及敷料中 Cu2+ 的不可控释放。此外，纳米颗粒团聚、聚合物相容性不足以及静电纺丝过程中的不稳定性等问题也进一步增加了其整合到纳米纤维中的难度。据我们所知，这是首次报道一种优化的 PCL/PEO 静电纺丝仿生纳米纤维敷料，其中掺入了胡椒（Piper betle L.）介导的生物法 CuO 纳米颗粒（B-CuO NPs）。与传统的纳米颗粒负载创面敷料不同，本方法将绿色纳米技术与合理的支架优化相结合，实现了一种多功能创面愈合平台。通过将纳米纤维结构、理化特性和生物反应相互关联，本工作为生物法 CuO 纳米颗粒与静电纺丝聚合物基质的协同效应提供了新的见解。所得的混合纳米纤维膜有望通过持续的抗菌和抗氧化活性、良好的生物相容性以及增强的组织再生能力来加速创面愈合。
章节摘要
材料
聚己内酯（PCL，MW 80,000 g/mol）和聚环氧乙烷（PEO，MW 6,00,000 g/mol）购自日本东京的 Sigma-Aldrich。硝酸铜三水合物（99.9%，Cu(NO3)2·3H2O）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度 99.8%）、氯仿（纯度 99.7%）和乙醇（纯度 99.5%）购自日本大阪的富士胶片 Wako 纯化学品公司。胡椒（Piper betle L.）购自孟加拉国。DPPH（1,1-二苯基-2-苦基肼）购自东京化学工业有限公司。
所制纳米纤维膜的形貌分析
BNM 及其所封装的 B-CuO 的形貌结构和纤维尺寸分布通过 SEM 显微图像进行了分析，如图 1 所示。所有制备的纤维膜均展现出光滑的形貌，无明显珠状结构，且表面粗糙度变化极小。
图 1（a–d）所示的纤维直径直方图*表明，BNM、BNM/2.5B-CuO、BNM/7.5B-CuO 和 BNM/12.5B-CuO 的平均直径分别为 803.81 ± 156.63 nm（500–1200 nm）、749.62 ± 197.39 nm（400–1400
结论
在本研究中，成功通过静电纺丝制备了掺入生物法合成 CuO 纳米颗粒的仿生共混纳米纤维膜，显示出其在增强创面愈合和组织再生方面的应用潜力。使用胡椒（Piper betle L.）水提物作为天然稳定和封端剂，从 0.5 M 硝酸铜三水合物溶液中合成了平均尺寸为 54.58 ± 16.03 nm 的 CuO 纳米颗粒。随后，将 B-CuO NPs 负载到
CRediT 作者贡献声明
梁芳华（Fanghua Liang）：形式分析。Sharif Ahmed：方法论、调查研究、形式分析、数据整理。Muhammad Numam Sarwar：数据整理。Faiza Anwar：形式分析。Md. Sumon Miah：初稿撰写、方法论、调查研究、数据整理、概念设计。Ick Soo Kim：验证、监督指导。Ji Ha Lee：资源提供。Kyu Oh Kim：形式分析。Azeem Ullah：审阅与编辑、验证、监督指导。Gopiraman Mayakrishnan：资源提供。
数据可用性
支持本研究发现的数据可向通讯作者合理索取。
资助
本研究未获得任何公共、商业或非营利组织的专项资助。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本论文所报告的工作。
Md. Sumon Miah|Sharif Ahmed|梁芳华（Fanghua Liang）|Faiza Anwar|Muhammad Nauman Sarwar|Kyu Oh Kim|Ji Ha Lee|Gopiraman Mayakrishnan|Azeem Ullah|Ick Soo Kim
纳米融合技术研究组，纤维工程与科学研究所（IFES），社会实施研究集群，信州大学，日本长野县上田市户田 3-15-1，邮编 386-8567
