水凝膠纖維具有水凝膠的功能特性(高含水量、高彈性、刺激反應)和纖維材料的結構優點(高比表面積、易織造、機械性能優良)。其優異的親水性使其能夠保持皮膚損傷表面的水分平衡，盡管皮膚經常處于高張力狀態，纖維仍能保持支架的機械順應性和彈性穩定性。因此，水凝膠纖維可以模擬天然皮膚組織的復雜結構和功能，促進傷口愈合，使其成為適合皮膚再生的候選材料。
上海交通大學醫學院崔文國和濰坊醫學院王艷系統綜述了水凝膠纖維技術的發展、材料的選擇以及在創面愈合中的應用。首先，簡要介紹了水凝膠纖維制備的發展歷史。其次，綜述了水凝膠纖維的組成、結構、載藥量和力學性能等方面的優點。報道了水凝膠纖維在傷口愈合方面的最新研究和應用。最后對多功能水凝膠纖維支架材料進行了分析，并對今后的研究方向進行了展望。相關內容以“Advanced electrospun hydrogel fibers for wound healing ”為題目發表在期刊《Composites Part B 》上。
由于慢性創傷的愈合依賴于長期的醫療護理，目前需要大量的衛生保健資源。此外，隨著人口老齡化，世界范圍內每年的傷口治療費用不斷增加，美國每年在這方面的花費超過200億美元。多種有前景的技術已經被開發出來以提高傷口愈合率，如細胞和生長因子為基礎的治療和移植。然而，由于免疫排斥、療效不理想、周期長、費用昂貴等問題，此類治療在臨床實踐中并未得到廣泛應用。另外，通過組織工程獲得的皮膚移植替代物可以提高傷口愈合質量，解決皮膚來源不足的問題。
圖1 皮膚結構的示意圖。
皮膚有三個結構區域:1)表皮，2)真皮，3)皮下組織。表皮由外至內分為角質層、透明層、顆粒層和萌發層。皮構成了大部分的皮膚結構，主要由膠原纖維、彈性纖維和細胞外基質組成。此外，真皮還分為乳頭層、乳頭下層和網狀層，其中由與表皮相鄰的一層細纖維、緊密排列的纖維束和松散排列的纖維束組成，松散排列的纖維束由平行排列的細纖維組成。
水凝膠纖維的制備
水凝膠的結構特點決定了水凝膠纖維制備的難點。制備水凝膠的預聚體溶液不適合成纖維，主要原因是預聚體溶液的粘彈性較差，一般為低分子量的低聚物和單體等水溶液，或聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鹽等大分子稀溶液。由于交聯結構的限制，形成的水凝膠難以承受纖維加工過程中的拉伸變形。因此，水凝膠纖維的構建一直是纖維制備領域的一個難題。目前制備水凝膠纖維的方法有很多，包括水動力紡絲、靜電紡絲、三維生物打印、機械牽引等。
靜電紡絲法制備水凝膠纖維
靜電紡絲是目前制備納米超細纖維的最佳方法。目前，以明膠、透明質酸、絲素等生物高分子為原料制成的靜電紡絲力學性能較差。因此，有必要通過交聯等方法促進纖維中相關化學基團的反應，以提高其力學性能。
Nie 等人以明膠和羥基苯丙酸(HPA)為原料，通過酶法氧化合成Gel-HPA，制備納米纖維(圖2B)。所制備的纖維狀水凝膠既保持了水凝膠的軟彈性力學性能，又保持了支架的三維纖維結構。
圖2. A)濕紡。(1)、(2)、(3)表示了自旋過程中不同階段的結構演化。B) Gel-HPA纖維狀水凝膠的制備方案。
近年來，研究人員建立了3D打印、微流體紡絲、動態聚合紡絲等新技術，極大地推動了水凝膠纖維的研究進展(圖3A、B)。Chu等人合成了促血管生成自組裝肽纖維狀水凝膠，并與紫外光固化的甲基丙烯酸明膠(GelMA)結合制備了一系列三維(3D)打印支架，成功制備了明膠與多肽交織的聚合物網絡支架。
圖3. A)水凝膠纖維支架[46]的3D生物打印。B)微流控紡絲[47]。C)產生螺旋水凝膠纖維[51]的裝置和工藝。D)將水凝膠與機織織物[52]結合制作的復合支架。
微流控是制備微納米材料的一種有效方法。微流體是一種經過精密加工的微通道，可以在微米尺度上操縱流體。由于其體積小、精度高、集成度強，是制備微納米材料的有效途徑。Xu等采用同軸微流控裝置，以海藻酸鈉為皮質紡絲液，CaCl2為芯紡絲液，通過瞬態化學反應形成螺旋狀的海藻酸鈣水凝膠微纖維(圖3C)。本研究首次報道了含有螺旋血管通道的生物水凝膠纖維的生產工藝，并結合微流控反應和微流控技術提出了一種“異質繩卷效應”，這為制備具有可灌注螺旋通道和直通道的特性可控微纖維提供了理論基礎。
水凝膠纖維在創面愈合中的應用
創面敷料的主要作用是保持創面的濕潤，吸收過多的創面滲出物，減少創面創傷，抵御外界微生物的入侵。 最近，科學家們專注于開發基于納米纖維的敷料，該敷料可以模擬具有高表面積體積比和高孔隙率的天然真皮 ECM。除了傳統的功能外，這些納米纖維敷料通過創造一個積極的環境來減少感染和炎癥，并在促進傷口愈合方面發揮積極作用。
水凝膠纖維敷料是近年來出現的一種新型創面敷料，具有比表面積高、吸液量大、透氣性好等優點。為了預防和治療傷口感染，可以在水凝膠纖維敷料中添加抗菌藥物，更有利于傷口愈合，抑制細菌生長。Zhao等人通過光交聯技術構建了甲基丙烯酸明膠(GelMA)水凝膠的靜電紡絲三維纖維支架，并觀察到該支架能促進皮膚組織的再生。
圖4. A)不同支架的傷口愈合圖像。B) SF水凝膠的制備及其在抑制增生性瘢痕中的應用示意圖。
結論
臨床上加速創面愈合主要是通過手術清創、生長因子治療、自體或異體皮膚組織移植、組織工程皮膚移植等方式恢復創面的組織結構和功能。然而，這些方法都有缺點和局限性。為了解決這些問題，研究人員利用新技術制備了結構和功能與自然皮膚相似的組織工程支架。這種人工皮膚由生物相容性材料制成，能夠更真實地模擬皮膚組織的復雜結構和功能。特別是將水凝膠和靜電紡絲結合在一起的水凝膠纖維，在高吸水性、功能化、機械性能和可用性方面具有突出的優勢。因此，它們在皮膚再生方面具有廣闊的應用前景。
未來展望
綜上所述，作者確定了水凝膠纖維支架在生物醫學領域的四個發展方向。
1）在臨床治療中使用水凝膠纖維仍存在許多問題，如天然生物材料有效成分提取純度低，攜帶藥物和小分子緩釋速度可控性差。
2）應利用分子生物學方法進一步探索皮膚再生的病理生理過程。根據明確的分子機制，水凝膠纖維的發展可以導向提高處理效果。
3）新型水凝膠纖維支架應根據復雜的傷口愈合過程進行設計，有針對性的設計可能會產生令人滿意的效果。
4）理想的組織工程皮膚應由表皮組織、真皮組織和具有完整生理功能的復合皮膚組成。因此，開發結構和功能與正常皮膚組織相似的組織工程復合皮膚是水凝膠纖維皮膚替代品的主要研究方向。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109101
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