聚苯胺（PANi）的导电活性特性使其成为一种很有前途的聚合物，广泛应用于治疗，包括伤口护理和治疗。在本研究中，印度卡哈拉格普尔理工学院Santanu Dhara及其团队将0.3 wt%的PANI（p）在不含/含FA的高丝纤维蛋白(S)载聚己内酯（PCL）纤维，标记为BpS和EpS。在不含/含FA溶剂（均相和乳液）的HFIP中，p产生不同的pH（pH-9/3），产生不同形貌的纤维。通过对BpS和EpS纤维的理化表征研究，确定p在不同溶剂中的组成和作用中聚合物的存在。由BpS纤维（pH 9）制成的电活性“智能”纤维比由EpS纤维（pH 3）制成的纤维机械性能更稳定。使用人胎盘来源的间充质干细胞（hPMSCs）来评估细胞相容性，在BpS纤维底物上的增殖率明显高于EpS。同时还研究了用BpS和EpS纤维处理的全层伤口模型的体内评价。通过IHC染色、生化分析和RT-PCR了解伤口愈合进程中不同阶段的各种机制。与EpS和Tegaderm治疗的伤口相比，BpS的机械强度和电活性性能促进伤口愈合和完全闭合。此外，BpS处理的伤口在第7天显示IL-1β、IFNγ、Col III和EGF基因的高表达。14天后，BpS处理的伤口TGF-1、Col I和FGF基因表达增加。因此，BpS治疗的伤口显示出是它一种潜在的具有皮肤重塑功能的伤口敷料。
相关研究内容以“Polyaniline doped Silk fibroin-PCL Electrospunfiber: An electroactive fibrous sheet for full-thickness wound healing study”为题于2023年9月23日发表在《Chemical Engineering Journal》。
图1 静电纺丝溶液的表征
自旋溶液的流变特性呈现出非牛顿流动行为（图1a）。显微镜观察证实PANi在BpS（均质）和EpS（乳液）聚合物混合物中的随机分散（（图1b）。BpS和EpS的FESEM图像显示，平均直径分别为145±5和225±8 nm（图1c i、iii）。BpS和EpS的TEM图像证实了PANi的随机分布（图1c ii、iv）。AFM结果显示，在10 μm扫描尺寸下，BpS和EpS纤维的平均表面粗糙度分别为0.80和0.75 μm（图1d）。
图2 物理化学表征
BpS和EpS纤维样品的FTIR光谱如图2a所示，BpS和EpS在3270 cm-1（N-H拉伸振动）处出现一个峰值，在1515 cm-1（C=C拉伸）一个类苯环和1295cm-1（C−N拉伸）处出现一个弱峰，表明PANi带的存在。经甲醇处理后获得BpS和EpS纤维样品的β sheet转化的拉曼光谱基线校正峰如图2b所示。BpS和EpS的XRD图在21.3°和23.6°左右出现一个衍射峰（图2c），证实纤维样品的结晶度。通过XPS观察到BpS和EpS表面有O、N和C的存在（(图2d）。BpS和EpS静电纺丝片的DSC如图2e所示，在两个样品中都观察到60和400℃左右的两个峰。BpS的接触角高于EpS（图2g）。
图3 机械性能
BpS和EpS甲醇处理样品的力-延伸曲线证实，在不同聚合物组成的HFIP中加入PANi对机械稳定性影响很大（图3a）。图3b显示在BpS和EpS静电纺丝纤维片表面进行的20个压痕结果，证实BpS的纳米力学稳定性。BpS和EpS的模量和硬度均有显著差异，其中BpS具有较高的纳米力学性能。
图4 支架的体外鉴定
BpS和EpS电活性纤维样品在生理温度下的降解动力学证实这两种纤维的逐渐降解（图4a），与BpS相比，EpS静电纺丝支架的降解率相对较高。间隔一定时间后，通过FESEM成像技术观察到支架的降解（图4ai)。两种样品在相似的时间点并在不到16h时达到平衡，BpS的肿胀率略低于EpS（图4b）。图4c证实24 h后BpS和EpS的蛋白吸附动力学存在显著差异。以上结果表明BpS的蛋白质吸附动力学性能高于EpS。
图5 细胞评价
hPMSCs在BpS和EpS上的细胞活力百分比如图5a所示，BpS纤维的hPMSCs增殖率高于EpS。在BpS和EpS上的3天和5天后观察到活（绿）-死亡（红）染色（图5 b)，BpS纤维的细胞增殖和粘附优于EpS。使用rhod-dapi染色和FESEM下观察hPMSCs与BpS和EpS通信的细胞骨架结构和细胞形态（图5 c），在高细胞增殖和粘附方面，细胞对BpS的串扰优于BpS。
图6 体内伤口愈合研究
图7 体内伤口愈合研究
图8 体内伤口愈合研究
在不同的时间间隔内观察电活性纤维（BpS & EpS）和Tegaderm（对照组）的全层伤口愈合研究，并对伤口愈合动力学进行评估（图6a、b），总体而言，BpS处理的愈合效果优于EpS。组织HE染色结果显示，BpS处理的伤口在7天内显示可见纤维，再上皮化增强；而EpS显示伤口中部缺乏表皮覆盖（图6d）。BpS处理的伤口在21天内整个伤口显示完全再上皮化，EpS处理的伤口表面显示伤口边缘的再上皮化受限，上皮化程度低于BpS（图6c）。
使用MT染色评估不同时间间隔内BpS、EpS和Tegaderm处理的伤口的胶原沉积和模式（图7a）。与BpS和Tegaderm处理的伤口相比，BpS处理的伤口床显示纤维结构，胶原含量增加。在21天内，BpS呈现出有组织的胶原沉积和完全的表皮再生。在第7、14和21天的伤口切片上观察到CD31抗体和Dapi染色（图7b）。到7天，BpS治疗的伤口在愈合过程早期伤口床内的新血管生成能力增强，在14天内下降，证实伤口闭合，消除瘢痕形成的风险。到第21天，BpS处理的伤口CD31表达明显减少，形成成熟血管。
免疫染色结果显示，CD68巨噬细胞在3、7天的存在和数量在纤维和Tegaderm处理的伤口中均有大量表达；BpS处理的伤口在第14天显示CD68标记物表达量减少（图8 a、b），表明炎症反应减少，促进伤口愈合过程。观察dapi复染后Col III和Col I的表达，分析第14、21天伤口愈合过程中的拼贴合成，发现用BpS、EpS和Tegaderm治疗的伤口在第14天的Col III没有显著差异。21天后，BpS和EpS伤口处理的Col III表达显示新皮肤组织形成呈阳性（图8 c、d），证实皮肤完全再生。
图9 生物化学分析
BpS、EpS和Tegaderm处理的伤口7、14和21天的羟脯氨酸含量如图9 a所示，伤口愈合过程中，羟脯氨酸含量总体增加，BpS与EpS和Tegaderm处理的伤口差异显著。在伤口愈合过程中，己糖胺含量下降，而羟脯氨酸含量增加（图9b），证实伤口愈合初期胶原沉积较多，在第21天消退。随着时间的增加，MPO活性降低，Tegaderm处理的样品MPO活性高于BpS和EpS处理的皮肤（图9c）。在7、14和21天时，在Tegaderm处理的伤口IL-6的基因表达更高（图9iia）。随着时间的推移，IL-1β的表达逐渐下降（图9iib）。BpS处理的伤口中IFN-γ基因表达明显高于EpS和Tegaderm（图9iid）。TGF-β1基因表达水平在第14天达到峰值，在第21天下降至基线水平（图9iie）。BpS处理的伤口在三个时间间隔内的Col III基因表达量均显著高于EpS和Tegaderm处理的皮肤（图9iif）。纤维和对照组的Col I相对表达量均在第14天达到最高，在BpS处理的伤口第14、21天Col I表达增强（图9iig）。EGF和FGF基因的相对表达量在第7天达到峰值，并在第21天恢复到基线水平（图9iih、i）。综上，通过RT-PCR分析相对表达结果确定BpS纤维处理伤口的皮肤修复机制，接近正常皮肤。
综上所述，本研究重点研究含有PANi的电纺丝纤维如何影响全层伤口的愈合。在电活性纤维中，一种被称为BpS的特殊类型表现出显著的导电性和力学性能。BpS电纺丝纤维与hPMSCs相互作用增强细胞的增殖和活力。此外，接种在BpS上的细胞显示出细长的结构，表明对其整体形态有积极的影响。与使用Tegaderm相比，用BpS电活性纤维处理的伤口在7天后显示出新血管生成和免疫细胞反应的增加。到第14天，新血管生成和炎症反应均减少，提示早期愈合和瘢痕形成的机会减少。BpS处理的伤口显示Col III和Col I的沉积，以及再上皮化，表明组织修复和再生加速。到第21天，BpS处理的伤口显示Col III和Col I染色阳性，表明皮肤完全再生和再上皮化。
生化分析显示，在伤口愈合过程中，己糖胺含量下降（组织再生的标志），羟脯氨酸水平升高（胶原沉积的标志）升高，表明胶原在愈合的早期阶段积累。基因表达分析显示，在BpS治疗的伤口中，促炎细胞因子在第7天下降，到第21天恢复到基线水平。相反，用EpS和Tegaderm治疗的伤口表现出延长的炎症反应。与其他处理相比，BpS处理的伤口在第21天表现出更高的胶原基因表达。
本研究结果表明，BpS“智能”纤维有希望进行皮肤重塑，具有早期炎症反应，组织良好和成熟的胶原沉积，以及与天然或正常皮肤非常相似的再生皮肤。在未来的研究中，电刺激的应用和各种传感技术的应用可以被探索用于皮肤组织工程和伤口愈合应用的诊断和治疗目的。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146245
