DOI:10.1021/acsami.0c15612
下一代傷口護理技術能夠診斷傷口參數，促進健康的細胞生長并無創性地減少致病性感染,這將為患者提供更高的護理標準并加速傷口修復。溫度是慢性傷口特有的指示性生物標志物之一。這項工作報告了一種雜化多功能光學材料平臺，即納米金剛石（ND）-絲素膜生物聚合物敷料，它能夠感知溫度并促進傷口愈合。通過靜電紡絲技術制備出該雜化結構，所形成的3D亞微米纖維膜具有較高的孔隙率。絲素纖維能夠彌補傷口部位細胞外基質的缺失，從而支持傷口愈合過程。NDs中帶負電荷的氮空位（NV-）色心顯示出光學探測磁共振（ODMR）且用作納米溫度計。這可以用來感測與傷口感染或炎癥相關的溫度變化，無需通過物理手段去除敷料。研究結果表明，雜化ND-絲素膜中NDs的存在改善了絲素纖維的熱穩定性。嵌入絲素纖維的NDs中的NV-色心表現出保留良好的熒光和ODMR。使用NV-中心作為熒光納米級溫度計，并將其用于促進細胞生長的ND-絲素膜時可實現25-50℃的溫度傳感，包括與生物相關的溫度窗口。對于雜化材料，觀察到其NV-中心的溫度敏感性增強（平均約1.5倍）。在小鼠傷口愈合模型中對雜化膜進行了進一步的體內測試，證明了其生物相容性和與對照傷口相當的傷口閉合率。此外，雜化ND-絲素膜表現出選擇性的防污以及對革蘭氏陰性銅綠假單胞菌和大腸桿菌的殺菌傾向，而對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌沒有影響。
圖1.（a）金剛石晶格中NV色心的結構。（b）NV-中心的激發態和基態的簡化能級，顯示出光躍遷和MW躍遷。（c）NV中心地面自旋水平隨溫度變化的能量圖。電子自旋能級受溫度T的影響。室溫下單晶金剛石的零場分裂（D0約2.87GHz）隨溫度而變化：D（T）=D0-αT，其中α=74kHz/℃。
圖2.（a）沉積在玻璃蓋玻片上的甲醇后處理ND-絲素膜的SEM和（b）50×50μm2共聚焦熒光圖。（c）僅絲素膜的SEM和（d）共聚焦熒光圖像。SEM和共聚焦熒光圖像顯示同一樣品的不同區域。虛線白框內的插圖顯示了樣品更高放大倍數的SEM和共聚焦熒光圖像。
圖3.（a）細胞培養48小時后，在ND-絲素纖維膜上生長的HaCaT細胞的掃描電子顯微鏡圖像。（b）在絲素的NDs中，用于NV-中心光激發和溫度檢測的裝置示意圖。微波場采用Ω芯片諧振器，通過熱電Peltier加熱器改變溫度。（c）在玻璃蓋玻片上培養細胞的ND-絲素膜的100×100μm2熒光圖。中央的圓形區域是在雜化膜上生長的固定細胞之一。實線表示嵌入NDs的絲素纖維。虛線框顯示了兩個代表性的NDs，實心框內的插圖顯示了所選感興趣區域的放大10×10μm2掃描圖。（d）從熒光NDs獲得的熒光光譜，證實存在NV中心。
圖4.（a）從嵌入培養細胞的ND-絲素膜中的NV-中心記錄的ODMR光譜。在環境溫度22℃（藍色）和升高的溫度55℃（紅色）下，測量NV中心的熒光發射強度與MW頻率的關系。點是實驗獲得的數據。實心曲線代表對應于相應顏色數據的洛倫茲擬合。ODMR頻譜中的零場分裂參數D隨溫度變化。黑色箭頭分別指示在22和55℃下的熒光下降。（b）D值隨ND粒子自身溫度（藍色）和絲素膜內部ND粒子溫度（黑色）變化的曲線圖。圓圈和三角形顯示實驗數據，實線對應于線性擬合。在每個溫度點記錄3-5個讀數，并繪制平均中心頻率和平均值誤差。
圖5.絲素和絲素-ND電紡膜的DSC曲線。對于同一組樣品，在（a）第一個和（b）第二個加熱循環中，比熱容隨溫度變化。
圖6.在小鼠傷口愈合模型中，對絲素和ND-絲素雜化平臺的兼容性測試。用（a）PBS與絲素膜以及（b）PBS與ND-絲素雜化膜處理傷口，并記錄在受傷后0-10天的傷口閉合占第0天傷口的百分比。條形圖插圖代表每只小鼠中每處傷口的AUC平均值。p值來自（a，b）的配對t檢驗。使用（c）PBS與絲素以及（d）PBS與ND-絲素雜化膜的小鼠在受傷后第3天和第7天用激光多普勒成像測量傷口血流灌注。虛線框內顯示了第3天和第7天針對PBS與絲素處理的傷口以及PBS與ND-絲素覆蓋的傷口進行灌注研究的代表性圖像。比例尺指示從低（深藍色）到高（紅色）血流量的灌注范圍。受傷后第10天，用蘇木精和曙紅染色的傷口的代表性組織學橫截面，用（e）PBS-，（f）絲素膜和（g）ND-絲素膜處理的傷口。計算每處傷口的傷口細胞浸潤物占總傷口肉芽面積的百分比；（h）PBS與絲素膜和（i）PBS與ND-絲素膜。p值來自（h，i）的非配對t檢驗。所有數據均以n=3-4只小鼠的均值±SEM（均值的標準誤差）表示。
圖7.ND-絲素膜的抗菌活性。銅綠假單胞菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在（a，d，g）僅絲素，（b，e，h）ND0.25-絲素和（c，f，i）ND0.5-絲素膜上的細胞形態。細菌以紅色（無效）和綠色（有效）突出顯示。在（a-f）的膜上可以看到極少量的銅綠假單胞菌和大腸桿菌。相反，觀察到大量（綠色）活的金黃色葡萄球菌在ND-絲素纖維膜上粘附并增殖。銅綠假單胞菌附著于（a'）僅絲素，（b'）ND0.25-絲素和（c'）ND0.50-絲素膜的CLSM圖像。用（d'）僅絲素，（e'）ND0.25-絲素和（f'）ND0.50-絲素膜孵育大腸桿菌的CLSM圖像。用（g'）僅絲素，（h'）ND0.25-絲素和（i'）ND0.50-絲素膜孵育金黃色葡萄球菌的CLSM圖像。發出綠色熒光的圓形物體表示有生命的細菌，而紅色表示死亡的細胞。（j）絲素-ND樣品的抗菌活性。在所有樣品中均觀察到高水平的銅綠假單胞菌和大腸桿菌細胞死亡。在僅絲素和ND-絲素雜化膜對革蘭氏陰性細菌菌株的抗菌活性之間未觀察到顯著差異。金黃色葡萄球菌與僅絲素和ND-絲素膜共孵育的細胞死亡水平非常低。
微信二維碼
