基于压电转换与电响应性的动态结构聚偏氟乙烯（PVDF）电纺膜-水凝胶自驱动药物释放双层敷料

《Polymers》：Self-Driven Drug Release Dual-Layer Dressing Composed of Electrospun Membrane and Hydrogel with Dynamic Structure Based on Piezoelectricity Transformation and Electrical Responsiveness

　　

本研究报道了一种为实现主动伤口修复而设计的智能双层伤口敷料。该自立式敷料通过界面融合将聚偏氟乙烯（PVDF）压电电纺膜与多功能水凝胶集成在一起。PVDF层将人体运动产生的机械能转化为电刺激，显著促进水凝胶中包载的双氯芬酸钠（DFs）的可控释放。较小直径的纤维与网络结构使水凝胶形成强连接并实现电能的平稳传递。当施加1.5 V正电位时，DFs累计释放量可达55 μg mL?1，约为仅依赖药物扩散释放量的5倍。这种增强的释放速率源于电驱动下药物迁移加速与水凝胶微观结构动态变化的协同作用，而后者由水凝胶内硼酸酯键的可逆行为引起。因此，该水凝胶表现出自愈合性能及高达600%的拉伸应变，远高于常规水凝胶。在机械激励下，该敷料表现出增强的DFs释放能力，证实了压电转换与可控药物释放能力。因此，本工作为慢性伤口的智能管理提供了一种创新方案。

研究背景方面，常规水凝胶虽具三维多孔网络与局部载药优势，但缺乏环境响应性，药物释放高度依赖浓度梯度被动扩散，易出现突释且治疗浓度窗口窄，难以满足慢性伤口长期稳态给药需求。光响应、磁响应、温响应系统分别受组织穿透深度、外部磁场设备、内源生物力学运动触发方式限制。电刺激虽可编程控制释放剂量与时长，但现有电响应系统多依赖笨重外部电源与复杂布线，限制患者活动与长期佩戴。压电纳米发电机（PENG）可将微弱肢体运动转为电能，实现自供电；PVDF及其共聚物因压电响应好、柔性高、可加工性强成为柔性PENG核心材料。因此，研究人员拟将PVDF电纺膜与含动态硼酸酯键的导电水凝胶通过界面融合构造成Janus双层自驱动敷料，用机体运动发电驱动抗炎药双氯芬酸钠（DFs）按需释放，并兼顾抗菌、自愈合与伤口贴合。

主要关键技术方法方面，研究人员采用电纺制备PVDF纳米纤维膜，以海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）、单宁酸（TA）、硼砂通过酯化交联构建含银纳米颗粒（AgNPs）与DFs的PBST-xAg-DFs导电水凝胶；将电纺膜置于模具底部浇注水凝胶前驱体并喷雾交联剂固化形成紧密双层敷料；以三电极体系与Franz扩散池分别评价外加电压与超声模拟压电机械驱动下的药物释放；用场发射扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、交流阻抗谱（EIS）与万能试验机表征形貌、化学态、晶相、导电性与力学性能；以改良Kirby-Bauer法测试对大肠杆菌（Escherichia coli）与金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑菌圈。

研究结果部分，3.1 水凝胶的制备与性能中，3.1.1 水凝胶结构与形貌：FT-IR与XPS证实PVA/SA羟基、TA酚羟基与硼砂形成硼酸酯键与氢键协同的三维网络；SEM与元素映射显示C、O、B、Ag均匀分散、大孔结构利于释药；拉伸实验显示PBST-0.01Ag-DFs水凝胶应变达600%、模量约30 kPa，切口接触约5 min自愈合且强度恢复95%，并可重塑为多种形状，说明动态硼酸酯键赋予高延展、自修复与皮肤贴合性。3.1.2 水凝胶的电驱动药物释放：EIS显示离子电导率0.45—1.25 S m^?1且随AgNPs增加；三电极体系下0 V被动扩散260 min仅约10 μg mL^?1，0.5 V为20.5 μg mL^?1，1.5 V达55 μg mL^?1（约5倍）；纤维素膜模拟皮肤后趋势一致但通量受屏障下降，说明导电网络与外加电场共同调控释放。3.1.3 电刺激下水凝胶释放机制：正电性DFs释放最高、负电性盐酸利多卡因最低、中性姜黄素居中，Box–Lucas 1一级动力学调整R²>0.95；正电场破坏负网与正药静电吸附并驱动离子迁移，高电压使孔壁融合、孔径增大，可逆硼酸酯键实现网络结构调节，电驱动迁移与结构动态变化耦合促释。

3.2 电纺PVDF的结构与压电性：FT-IR中837 cm^?1与XRD中2θ=20.3°（110）证实β相存在，β相分数47.9%；纤维直径160—400 nm；PENG在1—20 N下开路电压（V_oc）由2 V_oc升至9 V_oc，5 N下1—2 Hz由4 V_oc升至8 V_oc，表明低力低频下压电输出优，可采集体动电能。

3.3 自供电PVDF/PBST伤口敷料结构与表征：SEM截面见PVDF致密、水凝胶大孔且互相插入无分层；PVDF面接触角115.5°、凝胶面23.1°呈非对称润湿，外层挡污内层吸渗液；透气性测试中PBST-0.01Ag-DFs最高，PVDF复合后略降；超声模拟机械压力使累积释放约为自然扩散2倍，Box–Lucas 1可拟合；EIS显示释药后界面电荷转移电阻（R_ct）增大、低频Warburg阻抗示扩散控制；抑菌实验中TA本身抑金葡优于大肠，0.01 wt% AgNPs联合DFs后抑菌最强。

讨论部分总结，研究人员指出该双层敷料将PVDF自供电与含动态硼酸酯键导电水凝胶结合，解决了外部电源依赖与被动扩散不可控问题；小径纤维网络降低界面阻抗、平稳传电，超声/体动诱发的压电势与电场重构水凝胶微结构并驱动带电药物定向迁移，使抗炎与广谱抗菌在同一贴片内协同。其意义在于用内源机械能替代外源电路，提升慢性伤口管理的精准性、舒适性与长期可用性，为自驱动智能伤口系统提供可转化思路。

结论部分翻译：本研究开发了一种基于压电-导电协同机制的智能双层伤口敷料。导电层为含Ag颗粒增强离子电导的多功能PBST-xAg-DFs水凝胶；当银含量为0.01 wt%时，水凝胶的力学性能、自愈合性能与抗菌效能均达最优。施加1.5 V外电压时，动态硼酸酯键引发网络骨架结构调节，电驱动结构变化使药物释放加快至5倍，从而实现按需精确给药；均匀分散的银纳米颗粒（AgNPs）发挥广谱抗菌作用。另一方面，PVDF压电纳米纤维膜将身体运动机械能转为电刺激，较小直径纤维与网络促进与水凝胶的强连接及电能平稳传递，从而推动水凝胶释药。二者协同实现了自主电刺激、动态修复、实时抗菌防护与按需给药，为难愈伤口的主动修复提供了新方案。论文发表于《Polymers》。