一种多功能基于白及多糖的 Bsp/GA-rGO 电活性复合海绵通过调节微环境加速伤口愈合

《International Journal of Biological Macromolecules》：A multifunctional Bletilla Striata polysaccharide-based Bsp/GA-rGO electroactive composite sponge accelerates wound healing by modulating the microenvironment

　　

## 摘要

创伤愈合涉及四个相互重叠的阶段，然而传统的单一功能敷料往往无法同时应对修复过程中的多重挑战。虽然电活性敷料可以调节细胞行为，但仍需要合成导电聚合物的天然替代品。本研究旨在开发一种基于白及多糖(Bsp)和没食子酸还原氧化石墨烯(GA-rGO)的多功能复合海绵。该海绵通过混合冷冻干燥工艺制备而成，所得材料具有高孔隙结构和良好的力学性能。结合Bsp的自组装和抗炎特性以及GA-rGO的电导率和抗菌活性，该海绵在接触渗出液后可迅速形成水凝胶。体外研究表明，该海绵促进成纤维细胞增殖和迁移，对大肠杆菌和金黄色葡萄杆菌表现出强效抗菌活性，并具有优异的生物相容性。在大鼠全层创伤模型中，Bsp/GA-rGO-0.08海绵加速了创面闭合12%，增加了胶原蛋白沉积29%，降低了IL-6水平，并暂时上调了TGF-β、FGFR1和CD31介导的新生血管形成。Western blot分析证实了JAK2-STAT3通路的激活，而药理学抑制剂TG101209部分减弱了这些效应，表明JAK2-STAT3通路在观察到的愈合效应中发挥了部分作用。该天然多糖海绵集吸湿、抗菌、电导和促愈合功能于一体，为创伤管理提供了一种有前景的策略。

## 引言

皮肤是人体的天然保护屏障，在抵御有害物质和病原体、维持水和电解质平衡以及保持体内稳态方面发挥着至关重要的作用[1]。然而，皮肤是一种脆弱的器官。当其完整性受到破坏时，微环境的多样性和皮肤微生物群的失调可能导致皮肤感染的发生[2]，[3]，[4]。

过度炎症是创伤愈合失调的主要原因之一[5]。当有序且及时的愈合过程失败时，或当修复过程未能实现持久的创面闭合和功能组织恢复时，可能发展为慢性创伤[6]。未经治疗的慢性创伤可能导致严重的感染，如骨髓炎、截肢，甚至死亡[7]。因此，通过调节创伤微环境以促进快速愈合的有效创伤管理具有重要的意义。

创伤敷料作为覆盖在创面床上的临时屏障，在调节局部微环境方面发挥着至关重要的作用[8]。传统的敷料，如棉、羊毛、天然或合成绷带和纱布，对于渗液较少的轻微急性创伤，通过吸收液体和允许空气交换可能足够[9]，[10]。然而，在慢性、大量渗液或大面积创伤中，它们缺乏足够的抗菌和抗炎性能。此外，当应用于渗液创面时，这些敷料可能干燥并形成粘连性结痂，在移除时破坏创面床，从而可能延缓愈合[11]。为了应对感染控制和加速愈合的关键需求，各种新型生物材料已被开发出来，包括薄膜、电纺纳米纤维、水凝胶、泡沫和海绵[12]，[13]。其中，电纺纳米纤维膜具有高表面积/体积比和可调孔隙率，适用于创伤敷料和药物递送系统等非侵入性医疗应用[14]。与传统敷料相比，这些新型创伤敷料表现出优越的生物相容性、可降解性和保湿性[15]。由于慢性创伤中持续高发的感染率以及传统敷料在缓解炎症方面的有限疗效[16]，研究人员在开发具有主动水分调节、pH响应行为、抗菌活性和活性氧清除能力的敷料方面取得了进展[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。理想的皮肤创伤敷料需要具有优异的组织相容性、足够的透气性和保湿性、适当的机械强度，以及促进细胞粘附、增殖和分化的能力[23]。然而，大多数现有的复合海绵敷料缺乏电导性，无法主动调节创伤微环境。此外，它们往往表现出不足的抗菌活性，且吸收渗出液时无法在创面床形成稳定的、保持湿润的水凝胶界面，这可能会损害细胞粘附和增殖。因此，进一步开发具有集成电活性、抗菌特性和渗出液管理能力的多功能复合海绵仍然十分必要，以更好地满足创伤管理的复杂需求。

创伤愈合是一个受多种生长因子和细胞因子调控的复杂过程[24]，[25]，主要包含四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑[26]。创伤微环境的变化显著影响愈合，温度、湿度、pH值、活性氧和微生物等因素都会严重影响该环境[24]，[27]。创伤形成后，创伤温度在最初的3-4天内升高直至达到峰值，然后在约一周后开始下降。持续升高的温度通常表明过度炎症或感染[28]。湿润的环境促进自溶性清创，减轻疼痛，减少疤痕，激活胶原蛋白合成，并促进角质形成细胞向创面表面迁移[29]。健康皮肤维持生理性酸性环境，pH值为4到6。创伤微环境向碱性方向转变，有利于细菌生长。弱酸性的创伤微环境更有利于创伤愈合[30]，[31]，[32]。氧气在创伤愈合的各个阶段都发挥作用。活性氧(ROS)是由氧衍生的小分子，作为氧化剂或容易转化为氧自由基[33]。ROS的积累会延缓创伤愈合[34]。因此，开发能够适应和改善创伤愈合四个阶段创伤微环境的创伤敷料，同时协调各种生长因子和细胞因子，对于加速创伤愈合至关重要。

研究表明，当创伤形成时，受损的表皮屏障产生指向创伤中心的内源性电场(EF)，由离子通道产生并由间隙连接维持[35]，[36]。电场可以从多个维度促进创伤愈合并协调整个愈合过程[37]。内源性电刺激(ES)可以引导细胞向创伤部位迁移和增殖，直到愈合完成并重新建立原始表皮细胞的跨上皮电位(TEP)[38]，[39]。因此，电刺激对创伤愈合具有促进作用。电活性敷料结合了与皮肤电导率相似的导电材料。这些材料被认为可以增强内源性和外源性电刺激(ES)的疗效，从而最终加速创伤愈合。近年来，研究人员越来越关注开发电活性敷料[40]。Zhou等人[41]开发了一种电磁感应驱动的纳米互锁增强电活性敷料。该敷料具有优异的机械强度和电导率，产生无线微电流以促进细胞增殖、迁移和分化。基于MXene的响应性水凝胶在感染创伤模型中实现了超过90%的细菌抑制率，同时提供pH响应的电导性[42]。电活性创伤敷料的开发对创伤敷料创新具有重要意义。然而，目前大多数电活性敷料都是合成聚合物材料。相比之下，天然生物材料具有更优异的生物相容性和可生物降解性。基于天然组分作为基质的电活性敷料值得进一步研究开发。

白及多糖(Bsp)是白及的主要活性成分，具有抗炎、抗氧化、镇痛和促创面愈合等多种药理活性[43]。类似地，铁皮石斛多糖已被证明可通过LPS/TLR4/TRIF/NF-κB轴恢复肠道微生物群和修复肠道屏障来缓解2型糖尿病，在动物模型中将IL-6和TNF-α等促炎细胞因子降低约50%[44]。此外，Bsp具有良好的生物相容性、可生物降解性、结构可修饰性和自组装特性，这为其在促进创伤愈合方面的广泛应用和显著疗效做出了贡献[45]。目前，Bsp已被以多种形式纳入创伤敷料，如水凝胶[46]、微针[47]、纳米纤维[48]和海绵[49]。然而，在开发先进的Bsp基复合敷料方面仍有相当大的研究潜力。石墨烯是碳的一种二维同素异形体，具有卓越的强度、电导率、抗菌活性和分子载体能力等特性[50]。氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)作为石墨烯的衍生物，表现出良好的生物相容性，已被广泛应用于生物材料领域。氧化石墨烯(GO)已被用于新型创伤敷料的开发，利用其卓越的抗菌性能和促进细胞迁移的能力，有效促进创伤愈合[51]。Bsp/GO复合海绵已被证明具有优异的止血性能[52]。然而，氧化石墨烯的机械性能和电导率显著低于原始石墨烯[53]，[54]。相比之下，还原氧化石墨烯(rGO)结合了石墨烯和GO两者的优点。它在保留优异抗菌活性的同时，提供了增强的机械强度和电导率[55]，使得基于rGO的敷料更有利于细胞增殖和迁移。目前，用于还原GO的方法众多，包括使用肼、对苯二酚和NaBH4[56]。虽然这些试剂能够实现有效的还原，但它们通常是有毒、污染、易燃和易爆的有机溶剂。因此，当应用于创伤敷料时，此类还原剂的残留可能对所得材料的生物相容性和安全性构成重大风险。鉴于这些担忧，选择一种既绿色又安全的替代还原方法至关重要。没食子酸(GA)是一种具有广泛药理活性的天然小分子多酚[57]，表现出抗炎[58]和抗氧化[59]作用。研究表明，没食子酸可作为稳定剂/功能化剂，并具有固有的还原性，使其成为还原氧化石墨烯的一种可行的绿色还原剂。通过没食子酸还原石墨烯得到的GA-rGO表现出优异的分散性、稳定性和抗氧化性能[60]，在增强复合材料的电化学性能方面发挥着至关重要的作用。

基于上述内容，本研究旨在开发一种基于天然白及多糖(Bsp)与没食子酸还原氧化石墨烯(GA-rGO)复合的海绵状电活性创伤敷料。目标是利用Bsp的自组装和抗炎特性与GA-rGO的电导率和抗菌活性的协同效应，从而创造出一种多功能敷料，能够整合水分管理、抗菌保护和电活性刺激功能。吸水后，该海绵可以转化为水凝胶基质，有效地结合了海绵的可携带性和水凝胶的保湿优势。对Bsp/GA-rGO复合海绵的化学结构、形貌、机械性能、电导率和抗氧化性能进行了全面表征。评估了其生物相容性、抗菌效果和止血性能。通过创面面积测量、组织病理学和免疫组织化学评估体内治疗效果，并进行药理学挽救实验和Western blot分析，初步探索潜在的分子机制。

## 分节内容

### GA-rGO的制备

GA-rGO粉末的制备如下：将1.28 g GA（购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，149-91-7）加入0.2% GO（由改良Hummers法制备）溶液中，在反应器（100 mL特氟龙衬里不锈钢高压釜，购自西安常仪仪器设备公司）中于95°C下水热反应12小时。冷却至室温后，混合物通过0.45 μm水溶性混合纤维素酯……

### Bsp/GA-rGO海绵的表征

图2a和2b分别显示了GO和GA-rGO的C1s能谱。如图2a和2b所示，经GA还原后，GA-rGO中C-O（286.8 eV）和C=O（287.8 eV）的强度与GO相比显著降低。类似地，GA-rGO的O1s能谱（图2d）中O-H（532.63 eV）的强度与GO（图2c）相比明显减弱。XPS全谱进一步揭示了GA-rGO的C/O原子比的显著增加以及……的明显减弱

## 结论

总之，本研究成功开发了一种基于白及多糖(Bsp)——传统中药白及的主要活性成分——与GA还原氧化石墨烯(GA-rGO)复合的电活性海绵敷料，命名为Bsp/GA-rGO。Bsp/GA-rGO海绵展现出卓越调节创伤微环境和加速愈合的能力。当与血液或创伤渗出液接触时，该复合海绵转化为水凝胶……

## CRediT作者贡献声明

李月涵：原稿撰写、资金获取、数据管理、概念构思。张林林：方法论。张欣：研究调查、资金获取。邢梦震：研究调查。魏小岑：研究调查。江智慧：研究调查。陈陈：方法论。陈祥辰：数据管理。马玉霞：资源提供、资金获取。石磊：研究调查、资金获取。马宇宁：指导监督、资金获取。

江赫赫：写作 – 审阅与编辑，资源，资金
利益冲突声明
作者声明他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究得到山东省自然科学基金（资助项目编号 ZR2022QH072, ZR2023QB199）；山东中医药大学研究生质量提升与创新专项计划（资助项目编号 YJSTZCX2025010）；国家重点研发计划资助项目（资助项目编号 2022YFC3500403）；国家中医药管理局科技创新协同攻关项目（资助项目编号 GZY-KJS-SD-2024-045）；青年创新团队计划
李越涵 | 张林琳 | 张欣 | 邢梦真 | 魏晓岑 | 江智慧 | 陈辰 | 陈相辰 | 马玉霞 | 石磊 | 马宇宁 | 江赫赫