综述:用于伤口愈合应用的静电纺聚己内酯纳米纤维的进展与挑战

时间:2026年2月24日
来源:European Polymer Journal

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聚己内酯(PCL)基电纺纳米纤维通过模拟细胞外基质、调控药物释放和改善材料性能,成为创面修复的先进敷料,但其灭菌、规模化生产及临床转化仍面临挑战,未来需发展智能响应型材料。

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普里娅·维尔玛(Priya Verma)| 维尼塔·蒂瓦里(Vinita Tiwari)| 普尼特·辛格·乔汉(Puneet Singh Chauhan)
微生物技术部门,科学与工业研究委员会-国家植物研究所(CSIR-NBRI),拉纳·普拉塔普路(Rana Pratap Marg),勒克瑙 226001,印度

摘要

伤口护理仍然面临重大临床挑战,尤其是在治疗慢性伤口和无法愈合的伤口时,传统的被动敷料往往无法提供足够的治疗支持。在这种情况下,静电纺丝纳米纤维支架因其与细胞外基质高度相似、具有高孔隙率以及能够方便地用于输送治疗剂而受到广泛关注。聚(ε-己内酯)(PCL)是一种获得FDA批准的可生物降解聚合物,由于其良好的机械性能和易于加工的特性,已被广泛用于静电纺丝研究。然而,其固有的疏水性和相对较慢的降解速度需要经过刻意修改以提升其生物性能。本文重点综述了基于PCL的纳米纤维在伤口愈合方面的最新进展,包括制备方法、结构-性能相关性、聚合物-细胞界面的相互作用,以及加入生物活性成分以赋予抗菌、促血管生成和免疫调节作用的战略。此外,还批判性地分析了目前与灭菌、大规模生产和临床转化相关的问题,以及智能伤口敷料和可持续性方面的新兴方向。总体而言,本文建立了一个结构-功能-转化框架,将静电纺丝PCL纳米纤维定位为一个高度适应性强的、具有临床相关性的平台,用于合理设计下一代伤口护理解决方案。

引言

伤口是由于创伤、热损伤或潜在的病理状况导致正常皮肤结构和功能受损[1]。慢性伤口和无法愈合的伤口对全球医疗系统构成了重大负担,影响了大约0.18%的成年人群。随着年龄的增长,其发病率急剧上升,据估计每年全球有近4000万例[2]。传统的伤口敷料(如纱布和棉垫)主要起到被动屏障的作用,对愈合的支持有限。由于保湿调节能力差、处理渗出物能力有限以及缺乏生物活性,这些敷料往往无法满足复杂或慢性伤口的需求。这些局限性推动了先进伤口敷料的发展,后者通过控制湿度平衡、预防感染和局部输送治疗剂来积极促进愈合[3]。在这方面,基于组织工程的支架作为一种有前景的伤口护理平台应运而生。这些支架是多孔的、可生物降解的结构,能够为细胞粘附、增殖和成熟提供临时性的结构框架,同时促进营养物质扩散和废物清除。这些支架设计旨在模仿天然或合成聚合物构成的细胞外基质(ECM),不仅保护伤口部位,还能主动调节炎症、血管生成和组织再生,从而促进高效和完全的伤口愈合[4],[5]。
静电纺丝纳米纤维支架因其类似ECM的结构而成为先进的伤口护理平台。它们的大表面积、相互连接的多孔网络和可调的机械性能促进了细胞粘附、迁移和增殖[6],[7]。在用于静电纺丝的聚合物中,聚(ε-己内酯)(PCL)是一种获得FDA批准的脂肪族聚酯,因其生物相容性、可生物降解性和易于加工的特性而常被选用[8]。然而,PCL本身的疏水性和较慢的降解速度限制了其在苛刻伤口条件下的性能[9]。
为克服这些缺点,近期研究集中在复合和多功能PCL基纳米纤维上。通过聚合物混合、表面修饰以及加入生物活性剂或无机纳米填料,可以调节PCL支架在不同伤口愈合阶段的湿度平衡、抗菌活性、血管生成和免疫反应。先进的制造策略(包括同轴纺丝、乳液纺丝和多层纺丝)进一步实现了药物释放和支架功能的空间和时间控制[10],[11],[12]。
尽管有大量的研究活动,现有研究和综述大多侧重于材料组成或生物活性添加剂的存在,通常只是描述性地回顾了静电纺丝PCL支架。相比之下,系统地整合静电纺丝参数、支架结构和聚合物-细胞相互作用与特定伤口愈合生物学过程之间的联系仍然有限。此外,对免疫调节机制、降解行为和持续生物性能的理解较为零散,而关键的转化因素(如灭菌兼容性、溶剂毒性、可扩展性、可重复性和法规合规性)常常被忽视。因此,本文提供了对静电纺丝PCL纳米纤维在伤口愈合方面最新进展的机制性和转化性综合分析。本文旨在解决(i)伤口愈合生物学的基本方面,(ii)静电纺丝工程原理和支架设计,以及(iii)与灭菌、溶剂选择、可重复性、可扩展性和法规合规性相关的转化限制。通过这一结构-功能-转化框架,本文旨在澄清现有差距,并为临床相关的PCL基伤口敷料的合理设计提供指导。

伤口愈合阶段

伤口愈合是一个高度协调的生物过程,涉及免疫细胞、基质细胞、细胞因子和生长因子。它通过止血、炎症、增殖和组织重塑等相互重叠的阶段进行,每个阶段都由特定的介质和细胞类型调控。图1示意性地展示了伤口愈合的各个阶段及其背后的细胞和分子机制,突出了免疫细胞、成纤维细胞、内皮细胞等的关键作用

先进伤口敷料的功能要求

传统的伤口敷料主要作为被动屏障,保护伤口表面而不主动支持愈合过程。然而,近年来研究重点转向设计多功能敷料,如水凝胶、水胶体、泡沫膜和纳米纤维,这些敷料不仅能保护伤口,还能积极参与组织修复。这些先进系统被设计用来刺激细胞增殖、调节炎症反应、增强

背景和工作原理

静电纺丝是一种纤维制造技术,可追溯到20世纪初,安东·福姆哈尔斯(Anton Formhals)于1934年首次申请了相关专利,描述了利用电场拉伸聚合物纤维的方法[35]。然而,其生物医学潜力直到20世纪90年代末和21世纪初才得到充分实现,当时研究人员开始探索静电纺丝纳米纤维在组织工程和药物输送中的应用,因为它们在结构上类似于天然ECM。静电纺丝过程包括

用于静电纺丝伤口敷料的聚合物

静电纺丝已成为一种多功能的技术,可用于制造纳米纤维支架,无论是合成聚合物还是天然聚合物,每种聚合物都为生物医学应用带来了独特的优势。

聚(ε-己内酯)(PCL):静电纺丝伤口敷料的核心材料

PCL是一种合成的半结晶脂肪族聚酯,最早于20世纪30年代初通过ε-己内酯的开环聚合(ROP)合成[8]。最初因其物理化学性质而被研究,PCL在20世纪70年代因显示出良好的生物相容性和可控的降解特性而受到生物医学领域的关注,使其适合用于长期植入设备和药物输送系统。随着时间的推移,PCL获得了美国FDA的生物医学应用批准,包括

纳米纤维介导的伤口愈合调节

静电纺丝纳米纤维支架通过模仿ECM的纳米拓扑结构和机械信号与伤口部位细胞相互作用,促进整合素介导的细胞粘附和机械转导途径(如焦点粘附激酶(FAK)、MAPK和PI3K-Akt信号通路)的激活[155]。在早期炎症阶段,这些信号影响免疫细胞的行为,使巨噬细胞向促进愈合的M2表型极化,并通过减少

基于PCL的静电纺丝敷料的局限性

PCL在生物医学和伤口愈合应用中得到广泛应用;然而,一些内在的材料局限性阻碍了其直接临床转化,需要采取有针对性的修改策略。

克服PCL局限性的工程策略

从比较材料的角度来看,基于PCL的静电纺丝敷料相对于降解速度更快的系统(如聚乳酸(PLA)、聚羟基酸(PGA)和聚(乳酸-羟基酸)(PLGA)具有更好的机械柔韧性和更长的结构稳定性。然而,与更亲水性和生物活性更强的聚合物(如壳聚糖)相比,PCL表现出较低的亲水性、较慢的降解动力学和有限的生物功能性

制造、可扩展性和临床转化挑战

尽管PCL因其静电纺丝性能而受到广泛认可,但将其与其他生物活性或天然聚合物混合以增强伤口愈合性能时常常会引入显著挑战。这些挑战主要源于聚合物化学性质、溶液行为和溶剂兼容性的差异,这些因素可能对纤维形成、形态和可重复性产生不利影响[9],[161]。

法规和转化考虑

从转化和工业的角度来看,静电纺丝PCL纳米纤维支架处于实验室创新和临床应用之间的关键中间阶段。与许多新兴生物材料不同,PCL已经获得了生物医学应用的监管批准,与现有的聚合物加工基础设施兼容,并且易于适应基于纤维的制造平台。因此,这一领域的转化挑战较少集中在聚合物发现上,而更多关注于

结论

静电纺丝PCL纳米纤维伤口敷料代表了一种灵活且适应性强的平台,适用于伤口护理。它们的生物相容性、可生物降解性和可调的机械行为,结合类似细胞外基质的纤维结构,支持了有效伤口修复所需的关键细胞过程。加入生物活性剂的能力进一步增强了它们的治疗潜力,实现了抗菌保护、血管生成和炎症调节

未来展望:迈向智能、可持续和临床响应型的PCL敷料

未来的静电纺丝PCL纳米纤维伤口敷料预计将从被动覆盖发展为与伤口微环境动态互动的智能、临床响应型系统。能够根据pH值、温度、酶活性或感染相关信号调节药物释放的刺激响应型纳米纤维,以及集成用于实时伤口监测的生物传感元件,代表了下一代伤口护理的有希望的方向。持续

未引用的参考文献

[282],[283],[284]。

CRediT作者贡献声明

普里娅·维尔玛(Priya Verma):撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,数据分析。维尼塔·蒂瓦里(Vinita Tiwari):数据分析。普尼特·辛格·乔汉(Puneet Singh Chauhan):撰写 – 审稿与编辑,项目管理,概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢印度勒克瑙的CSIR-国家植物研究所提供进行这项研究所需的设施。PV感谢科学与工业研究委员会和印度大学拨款委员会(CSIR-UGC)授予的资深研究奖学金(SRF),VT感谢科学和技术部授予的

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