皮肤深度烧伤后真皮层会被严重破坏，并伴有大量的伤口渗出液，导致伤口部位难以愈合且毛囊组织受损。本研究将具有亲水性的锌黄长石生物陶瓷和疏水性聚乳酸（PLA）组合，制造了具有Janus膜特性的三明治结构伤口敷料（SWD），这种独特的膜结构显示出优异的渗出液吸收特性。同时，掺入的锌黄长石赋予了敷料促进伤口愈合的生物活性。

01研究内容简介

      毛囊位于皮肤的真皮层，是皮肤的主要附件之一。然而，当皮肤受到深度烧伤时，表皮和真皮会受损，真皮下的毛囊组织消失，并难以再生。毛囊组织的损伤会降低皮肤再上皮化的速率，并显著影响皮肤的美观和功能。同时，严重的烧伤经常伴有大量的伤口渗出液，这可能会阻碍伤口的愈合过程并引起感染。以往关于皮肤烧伤伤口敷料（例如胶体凝胶，纳米材料等）的研究通常集中在材料的抗菌，抗炎等功能上。少有研究着眼于功能性皮肤附属物如毛囊的再生。也没有具有单向伤口渗出液吸收和促进毛囊生长的双重功能的伤口敷料。因此，开发一种伤口敷料以解决这两种问题是具有重要的临床应用意义。

     近年来，由于天然藻类具有增强皮肤活力和激活毛囊组织的出色潜力，因此它们已成为美容药妆行业中最受欢迎的活性物质之一。天然藻类是一种水生单细胞生物，主要由各种藻类生物组成，例如硅藻，蓝藻和红藻。先前的研究表明，藻类提取物具有伤口愈合和刺激毛囊活性的作用。有趣的是藻类提取物中含有许多微量元素，包括丰富的Zn和Si。

     Zn离子是毛囊发育过程中不可或缺的一种微量元素。其是300多种酶的必要辅助因子，如碱性磷酸酶，多巴色素互变异构酶，金属硫蛋白和金属蛋白酶等，这些酶在毛囊中发挥着重要的功能活性，说明Zn离子在人体中的含量与毛囊状态密不可分。譬如，在治疗雄激素性脱发时，适量Zn的摄取能够显著延长自发凋亡导致的毛囊消退；含有Zn的伤口敷料能明显促进伤口部位毛囊组织的生长。而近年来Si离子已经被证明对血管生成具有显著的促进作用，可以激活皮肤愈合相关特异性基因表达，刺激内皮细胞增殖与迁移，促进早期受损部位的血管化。同时，已经有许多研究证实，不同的离子之间会与产生特殊的协同作用功效，这种协同作用能够促进多种组织的再生与修复。这些研究结果提示，天然藻类精华产物修复受损皮肤的活性因素很可能与Zn和Si离子的协同作用密切相关。

     生物陶瓷是实现多种离子高效释放的最有效的材料之一。其良好的吸湿性，可以轻松提供一个干燥的创面环境。但是，由于陶瓷粉体本身较为尖锐，直接涂敷在伤口上，易黏附在伤口表面，导致修复后的创面变厚变硬。同时，伤口表面的渗出液还可能会使得陶瓷颗粒流失，这限制了其在皮肤创伤修复中的应用。

     Janus膜是一类一侧为疏水性、而另一侧为亲水性的材料。这样的构造可以使得水溶液从疏水侧单向传输到亲水侧。利用这种结构可以除去伤口表面的渗出液，为伤口提供一个干燥的环境。众所周知，大多数的硅酸盐生物陶瓷粉末具有较好的亲水性。因此，我们假设，如果将硅酸盐生物陶瓷颗粒层与疏水性聚合物纤维膜结合，形成的杂化界面可能具有Janus界面的功能，一方面是伤口渗出液单向向上传输，另一方面陶瓷粉体可以是吸收传输上来的渗出液。基于以上考虑，我们使用疏水性聚合物纤维膜（PLA）包裹亲水性含锌硅酸盐生物陶瓷（Hardystonite，ZnCS）设计了一种三明治结构的伤口敷料（ZnCS-SWD）（Fig.1）。这样的结构可以单向地将多余的生物流体从伤口中排出，保证伤口表面干燥清洁，也避免了尖锐的陶瓷粉与伤口直接接触对伤口造成可能的损伤。此外，通过吸收烧伤伤口产生的大量渗出液，创伤敷料能够高效稳定地向烧伤创面释放出高活性的Zn和Si离子，促进烧伤伤口愈合和毛囊再生。

Fig. 1. A biofluid absorbing sandwich-structured wound dressing (SWD) designed by organic-inorganic hybrid Janus membrane containing hardystonite (ZnCS, Ca2ZnSi2O7) and the application in deep burn wound healing with enhanced hair growth and angiogenesis. (The wound fluid is absorbed by the powder in the sandwich dressing, which then releases bioactive ions for stimulating the regeneration of blood vessels and hair follicles.) (a) The design and preparation of the ZnCS-SWD. (b) ZnCS-SWD promote burn wound healing and hair follicle regeneration.

实验结果表明，ZnCS-SWD确实具有较好的吸水性，并且能释放出的Zn离子（13.40 ± 4.89ppm）与Si离子（28.11 ± 4.48ppm）均在生物活性范围内（Fig.2）。

Fig. 2.  Material characterization of ZnCS sandwich-structured wound dressing (ZnCS-SWD) (PLA fiber membrane was used for comparison). (a) The macroscopic appearance of the ZnCS-SWD. (b) The SEM of the ZnCS-SWD (Outside: the side not in contact with the ceramic powders; Inside: the side directly in contact with the ceramic powders). (c) Photos of the water contact angle of the ZnCS-SWD surface. (d) Quantitation of the contact angle of the ZnCS-SWD. (e) The water absorption performance of the ZnCS-SWD (1*1 cm2) with different amount of bioceramic powders. (f) The ion release of the ZnCS-SWD (1*1 cm2) by soaking in PBS at 37°C for 24 hours.

此外，ZnCS-SWD可以有效治疗深度皮肤烧伤。并且促进了血管组织，毛囊组织与上皮组织的修复（Fig.3和Fig.4）。

Fig. 3. (a) Establishment of a burn animal model using a hot metal iron bar and use sandwich-structured wound dressing for treatment. (b) Wound closure after treatment with sandwich-structured wound dressing. Wound area images on the 0th, 3rd, 10th, 17th, and 24th day after treatment with different materials (blank was treated with PLA dressings). (c) Quantitation of wound closure rate of composite membranes (n = 4). (d) Images of H&E staining of wound sections on the 10th and 24th day (BW: Burn wound; NE, newly formed epidermis; ND, newly formed dermis; HF, newly formed hair follicle). *P < 0.05 and **P < 0.01.

Fig. 4. (a) Images of immunohistochemical staining for cytokeratin 19 on the 10th and 24th day (HF, newly formed hair follicles). (b) Number of hair follicles on the 24th day (n = 6). (c) Images of immunohistochemical staining for CD31 on the 10th and 24th day (BV, blood vessels). (d) Number of blood vessels on the 10th and 24th day. (e) Vessel diameter distribution on the 24th day. (* P < 0.05, ** P < 0.01, n=3).

ZnCS-SWD具有较好治疗效果的主要原因可能是其释放出的Zn与Si离子产生了特殊的协同作用，促进了毛囊真皮乳头细胞的活性，迁移。同时提高了与毛囊生长相关的基因表达（Fig.5）。

Fig. 5. Synergistic effect of Zn and Si ions on the migration, viability and gene expression of hair follicle dermal papilla cells (HHDPCs) (1/16 ZnCS extracts were used as Zn and Si ions solution. CS extracts (CS) and Zinc chloride solution (Zn) with same concentration were used as control groups). (a) The synergistic effect of Zn and Si ions on the migration of HHDPCs cells (Ruler Length = 200µm). (b) Migration rate of HHDPCs. (c) The synergistic effect of Zn and Si ions on the viability of HHDPCs. (d) The synergistic effect of Zn and Si ions on genes (VEGF, BMP-6, KGF, HGF, PDGF-α, PDGF-β, and C-Myc) related to the hair follicle growth in HHDPCs (* P < 0.05, ** P < 0.01, *** P < 0.001).

     综上所述，在这项研究中，我们通过用疏水性PLA纤维膜包裹亲水性ZnCS陶瓷颗粒来构建有机-无机复合Janus膜。这种三明治结构的伤口敷料可有效吸收伤口渗出物，同时释放Zn和Si生物活性离子，协同促进伤口快速愈合并诱导毛囊再生，Zn和Si的协同作用效地刺激了毛囊真皮乳头细胞的细胞活性，迁移，和分化能力。我们的研究表明，亲水性无机层与疏水性有机层的结合也可以构成具有单向流体传输能力的Janus膜，而不同类型的功能离子的结合可能具有协同生物活性，促进组织再生。

02论文第一/通讯作者简介

第一作者：张赵文斌

博士、中国科学院上海硅酸盐研究所，研究方向为用于治疗软组织损伤的生物材料。

通讯作者：常江

博士、中科院上海硅酸盐研究所研究员、博士生导师。主要从事组织再生与损伤修复材料、生物材料与细胞的相互作用等方面的研究工作，发表学术文论400余篇，他引19000余次，英文专著章节11篇，主编英文专著2部，授权发明专利60余项。

03资助信息

上述研究工作得到了国家重点研究发展计划（2016YFC1100201），国家自然科学基金（81772078, 81671830）及上海市科学技术委员会（19441902300）支持。

04原文信息

Zhaowenbin Zhang#, Wenbo Li#, Ying Liu, Zhigang Yang, Lingling Ma, Hui Zhuang, Endian Wang, Chengtie Wu, Zhiguang Huan, Feng Guo∗, Jiang Chang∗. 

Design of a biofluid-absorbing bioactive sandwich-structured Zn–Si bioceramic composite wound dressing for hair follicle regeneration and skin burn wound healing. 

Bioactive Materials 6 (2021) 1910-1920.