众所周知，慢性伤口的愈合，与创伤表面的微生物复合群落有关。由于微生物在伤口表面形成的生物膜的抗菌素耐药性，使得选择合适的抗菌性伤口敷料来促进伤口愈合这件事变得十分复杂。

来自华中科技大学华中科技大学生命科学与技术学院生物医学工程系的B. M. Bakadia教授的团队开发了一种新型的复合材料。这种材料是由细菌纤维素/聚乙烯醇构成的复合材料，经过京尼平交联丝胶（SS）和阿奇霉素（AZM）进行异位改性得到的。经过实验测试，该材料具有良好的抑制微生物生物膜发展的性状。

丨研究背景

在临床上，慢性伤口，诸如褥疮、糖尿病溃疡、静脉性腿部溃疡等，都给患者带来了极大的痛苦，以及增大了医生临床治疗的困难。全球每年用于慢性伤口治疗的费用约为28.1亿到96.8亿美元，其中还包括了伤口感染的治疗费用。而随着糖尿病等慢性疾病的患病率逐年上升，慢性伤口的患者数量也在逐年上涨。而且与慢性伤口相伴随的，往往还有严重的感染症状。

据统计，80%的慢性伤口与生物膜相关。在伤口中，生物膜会导致持续的炎症反应，不利于伤口的愈合，也不利于抗菌药物清除消灭伤口处的微生物。因此，研究团队认为含有抗生物膜剂的敷料可能会降低与慢性伤口相关的发病率和死亡率。

丨材料介绍

1.   细菌纤维素（BC）

细菌纤维素（BC）是一种由醋酸菌和非细胞体系产生的生物聚合物，具有无毒，良好的延展性，液体气体渗透性，高保水能力，缓慢的水释放曲线和良好的机械性能，也不会引起过敏和刺激皮肤。通过与其他材料进行复合，可以增大材料本身的孔径，使细胞可以渗透到支架中以形成组织样结构。

2.   聚（乙烯醇）（PVA）

聚（乙烯醇）（PVA）是一种合成聚合物，已被用作生物医学复合材料开发中的增强材料。它具有良好的机械性能和高生物相容性。将改性的PVA添加到培养基中，浸渍在在培养基中生长的细菌纤维素中，来形成BC-PVA复合材料。

3.   丝胶蛋白（SS）

丝胶蛋白具有高生物相容性，吸湿性，抗凝性，抗皱性和保湿性。此外它还具有抗氧化活性，对抗自由基的过度表达并具有减少炎症的能力。这些都有助于加速伤口愈合。丝胶蛋白还能够诱导成纤维细胞和角质细胞的增殖和黏附，促进胶原的合成和上皮化。但由于其无定形的结构，因此将丝胶蛋白加入BC-PVA复合材料中，是当今再生医学中广泛使用的方法。

4.   阿奇霉素（AZM）

阿奇霉素目前用于治疗浮游生物和生物膜真菌感染，呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道细菌感染。此外，它可能会阻碍细菌蛋白质的产生和群体感应，并最大限度地减少生物膜的发展。在他们的研究中，由于 BC-PVA@SS 复合材料缺乏抗菌、抗真菌和抗生物膜活性，因此将其与 AZM 进一步结合。将 AZM 掺入 BC-PVA@SS 支架可以使 AZM 持续释放，从而产生更高的局部治疗剂量。

丨实验内容

1.   支架形态比较

本实验分别观测了BC，BC-PVA3%，BC-PVA6%，BC-PVA@SS（添加SS），BC-PVA6%@SSg（将SS通过京尼平交联），BC-PVA6%@SSga(将SS通过京尼平交联,并加入阿奇霉素)六种结构（图1从上到下）的孔隙率，孔径大小和纤维粗细（图1从左到右）。

图1：六种结构的1000x，5000x，15000x放大

整理数据后得到了下图的表格。

图2：六种结构的孔隙率，孔径大小和纤维粗细统计图

据此，可以得出结论，天然BC材料的孔隙率低，孔径小，纤维纤细。加入PVA材料可显著提高三项指标。而加入SS，京尼平和阿奇霉素并不会显著改变原材料的孔径和孔隙，但是提高了原材料的纤维粗细。最终的BC-PVA@SSga支架的孔径（15-20 µm）和孔隙率（84%）可以满足伤口敷料生物材料的标准。

2.   支架的热学、机械性能、吸水性能

对支架进行热重分析，结果如图。

图3：三种结构的热重分析图

可知BC材料在250℃至400℃之间会发生热降解，而加入了PVA则提高了支架的热稳定性。SS与AZM也对BC-PVA复合材料的热稳定性产生了积极影响。

图4：三种结构的拉伸强度比较

根据上图显示，可知BC材料具有很好的拉伸强度，因此它的延展性就相对较差，这都是由于BC纤维之间的氢键，提高了材料本身的刚性。在加入了PVA后，材料的拉伸强度有所降低，表现出较好的柔韧性。这也有利于其作为伤口敷料的主要材料。

图5：六种结构的溶胀比

研究团队将六类支架放入到蒸馏水中，来研究它们的溶胀比。如上图所示，在加入了PVA材料后，支架的吸水性大大提高。加入交联剂和丝胶蛋白后，吸水性没有下降反而上升了，这是由于SS的亲水性和京尼平能提高溶胀比。最后加入的阿奇霉素也只是轻微降低了支架的吸水性能而已。这一性质能够帮助促进SS与AZM进行释放和细胞生物活性。

3.   丝胶蛋白、阿奇霉素的体外释放曲线

图6：SS与AZM的体外释放曲线

通过BCA蛋白测定法在PBS（pH7.4，37℃）中测量SS从BC-PVA@SSga支架中的释放，结果如图E所示。SS在30分钟时突然释放，到96小时，释放的SS表现出可控的性能。因此，研究团队认为，SS在生理环境中以受调节的方式释放并扩散到附近的细胞环境中，可以刺激细胞的生长和运动来促进慢性伤口的愈合。

将支架置于甲醇介质中，利用AZM和喹吖啶的反应来分析药物释放，如图F所示。AZM的释放曲线分为两个阶段：线性阶段和平台阶段。AZM的线性释放持续超过35小时，表明它是一种持续的药物释放。而理想的伤口敷料必须是具有持续的抗菌能力，以避免频繁地更换敷料而导致的感染。

4.   生物相容性

图7：不同的材料结构对角质形成细胞和成纤维细胞的影响

将BC和基于BC的复合材料浸入生长培养基中，在不同的时间间隔（1、2、4天）来获取样本提取物，然后用于细胞培养。细胞培养所选择的细胞是角质形成细胞和成纤维细胞，因为这两种细胞在伤口的愈合过程中起着重要的作用，可以通过合成ECM来调节伤口的上皮化。在细胞培养过程中，实验组中的细胞毒性与对照组之间并没有明显差异。另外可以发现，含有SS的培养基中，细胞活性明显提升（图A-B）。

通过Alamar Blue法来分析培养在支架上的细胞粘附和增殖（图C-D）。结果表明，与原始BC相比，BC-PVA@SSga 中的细胞粘附和增殖增加，尤其是在第五天。而导致粘附性和增殖性能增强的原因，很可能就是由于SS材料。

5.   材料对伤口外观和闭合的影响

图8：伤口敷料对伤口的感染的治疗效果和愈合效果

使用金黄色葡萄球菌感染小鼠的伤口，分别评估BC-PVA@SSga、BC-PVA@SSg 和 NaCl 0.9% 的治疗效果（图A）。在第 0、2、5、7 和 14 天（图B-C）对不同敷料的伤口治疗效果和再上皮化的能力进行了宏观评估。分析的形态学方面是脓液的存在与否、边界和一致性。然后以不同的时间间隔计算所有治疗组和对照组的 WHR。

分析结果可知，伤口在第2天都发生了感染，而BC-PVA@SSga组在第5天时，伤口的脓液已经完全消失，如同对照组一样。而BC-PVA@SSg 和 NaCl 0.9%组仍存在感染现象。这表明AZM可以有效治疗伤口感染。而且BC-PVA@SSga组的14天伤口愈合率也明显高于另外两组和对照组。证明BC-PVA@SSga组具有良好的促进组织愈合的功效。

为了评估炎症阶段，研究团队还进行了MPO分析（图D），可知，在第7天，BC-PVA@SSg 和 NaCl 0.9%组的炎症标志物比BC-PVA@SSga组更为丰富。第14天，对照组和NaCl 0.9%组仍有炎症表达，说明炎症期延长了创面愈合期。

丨总结

BC-PVA@SSga 支架表现出吸水率增加、纤维直径增大、孔隙率提高和孔径增大，这对于帮助细胞迁移到支架以及跨膜的营养物质扩散对于伤口敷料应用很重要。此外，BC-PVA@SSga 支架表现出持续的 SS 释放能力，可以促进慢性伤口愈合。而添加 AZM 赋予支架抗伤口感染病原体的抗菌活性。对细胞毒性的评估揭示了它们对 HaCaT 和 NIH-3T3 细胞系的无毒性质，并且 BC-PVA@SSga 增强了细胞活力。

体外和体内研究结果表明，结合到多孔 BC-PVA 基质中的 AZM 和 SS 的释放加速了受感染的小鼠伤口愈合。这种新型 BC-PVA@SSga 支架作为伤口敷料和药物载体具有很大的前景，可预防或消除慢性伤口生物膜并促进慢性伤口愈合。