基于靜電紡絲材料的軍事皮膚創口敷料與電化學療法

楊明衡,周聞昊,嚴志忠綜述,高 濤審校

0 引 言

第二次世界大戰后,世界局勢進入了相對較為穩定的階段,但仍有局部戰爭在世界各地發生,伴隨著一些新型武器在其中出現。精確制導等技術的出現大大增加了戰爭中的傷亡情況,爆破碎片傷等肢體與表皮傷增多[1],且傷情復雜;燒傷與爆炸傷比例也明顯增多,受傷面積增大;各類導彈碎片侵入更深入,在傷口形成的負壓為細菌等提供了繁殖環境,增加感染風險[2]。 針對技術發展、戰爭形態的變化,應對當下創傷護理方面更高的要求,發展新型創口治療手段具有重要意義。文章概述了靜電紡絲與電化學療法的相關研究進展,將兩者有機結合,闡述其作為創新性療法在軍事皮膚創口治療上的應用。

1 當下戰創傷治療常用敷料

1.1 戰傷治療中的傳統敷料戰傷敷料作為一種急救器材,在現代戰場面對各類皮膚創口有著豐富的應用場景,主要功能為傷口止血、抑制感染、促進組織再生等?，F代軍事行動中常見的傳統敷料有:①棉紗棉墊等棉制敷料。②聚乙烯海綿。柔軟便攜、吸濕透氣,但止血效果一般,無法輔助傷口愈合。③具有多孔結構的泡沫敷料。對組織創面滲液吸收能力強,多孔結構為氧氣與二氧化碳通過提供了孔道,避免創口厭氧菌的滋生。上述各類不同的傳統敷料在實際應用中常通過相互組合以達到更好的急救效果,但仍然存在諸如感染率高,傷口封閉不嚴密,敷料機械強度不足無法充分保護傷口等問題[1]。

1.2新型靜電紡絲敷料在傷口愈合研究中,多種生物活性材料均被廣泛應用,如納米銀有優良的抑菌活性,殼聚糖在抑菌、止血、促進組織再生和減少疤痕形成方面都有顯著作用,膠原蛋白在傷口愈合的各個階段也都可以發揮重要作用:止血、促進細胞遷移和增殖等等。

近年來,靜電紡絲由于具有良好的可調物理生物性等特性而在組織再生中有著良好應用。利用靜電紡絲技術制作的納米纖維傷口敷料具有納米纖維網的結構形式,比表面積更大、孔隙率更高,能更好地模擬細胞外基質,支持細胞附著和增殖,從而能有效促進傷口愈合。同時靜電紡絲納米纖維膜上存在多孔小間隙,吸附能力強,可以促進止血[3]。因此,與紗布、泡沫、水凝膠等其他敷料相比,靜電紡絲敷料具有一定的優勢。

通過復合多種生物活性材料進行靜電紡絲,制作較好性能的傷口敷料并探究新型靜電紡絲復合傷口敷料對抑菌、組織再生的作用。

2 靜電紡絲概述

2.1 靜電紡絲的定義靜電紡絲技術是指在強電場下將聚合物溶液進行紡織、加工,生產出納米級直徑的細絲的過程,通過制備含一定比例殼聚糖、膠原蛋白、聚環氧乙烷等多種材料的聚合物溶液,制備較好性能的靜電紡絲納米纖維敷料。

2.2靜電紡絲的作用原理與特點靜電紡絲敷料的納米纖維網結構使其能更好地模擬細胞外基質,能有效促進傷口愈合。敷料上的多孔小隙可以促進創面止血。靜電紡絲中的殼聚糖具有能夠吸附菌體、促進血小板黏附與凝血反應的游離氨基基團,可促進傷口處形成較結實的血塊,有利于快速終止大出血,且具備一定的抗氧化能力,有一定的消炎作用,有利于傷口愈合和防治感染[4]。

透明質酸是一種多存在于結締組織中的糖胺聚糖物質,其在促進細胞增殖分化,從而加快傷口愈合等方面具有明顯作用。Perng等[7]研究結果表明,多種與傷口愈合過程中的細胞增殖與遷移有關的受體能與短鏈透明質酸相互作用,促進了毛細血管的再生與恢復。同時透明質酸支架具有較強的止血作用,Stillaert等[6]臨床研究顯示,透明質酸衍生物敷料可以有效凝血,促進創傷愈合。除此之外,透明質酸還在傷口愈合階段參與調節炎癥介質的釋放,緩解傷口炎癥反應。

纖維蛋白材料使用纖維蛋白原、凝血酶等血漿蛋白組分復合制得,可在創面形成纖維蛋白凝塊以達到止血和黏合創口的目的。由于纖維蛋白材料作為生物血液分離材料的特性,其生物相容性極佳,可完全被組織自然吸收,無需擔心其會對傷口造成二次損傷。但由于纖維蛋白原的特性使其僅能在戰地醫院等環境進行使用,無法在戰場攜帶[7]。

海藻酸鹽是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸經過1,4-鍵合形成的海藻酸與多價陽離子(多為鈣離子)在酸性環境下反應生產的凝膠,主要成分為海藻酸鈉和海藻酸鈣[8]。在使用中,可溶性鈉鹽被接觸到血液后轉化為阻滯血液流動的黏性物質;不溶性鈣鹽交聯成網狀結構,促進纖維蛋白原轉化為纖維蛋白等凝血反應,以實現凝血[9]。

3 靜電紡絲治療戰創傷的應用

3.1 添加藥物、細胞因子等的敷料此類敷藥在紡絲液中添加了一些抗菌止血的藥物,或者是一些細胞因子和生長因子,以用于促進傷口的愈合。吳倩倩等[10]采用靜電紡絲技術,將鹽酸恩諾沙星負載到聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)材料上,制作成纖維膜敷料,測試后發現當PVDF和鹽酸恩諾沙星的質量分數分別為8%和15%時,纖維膜的持續抗菌時間最長、抗菌效果最好,能夠用作傷口輔料。石銳等[11]采用5 wt%～20wt%的有機硅季銨鹽(trimethoxysilylpropyl octadecyldimethyl ammonium chloride, QAS)改性的聚己內酯/明膠復合材料,通過靜電紡絲技術制作出廣譜抑菌的納米纖維膜材料。其中15wt%和20wt%的QAS具有最佳的抑菌效果,而且不會引起細菌耐藥,可以用于創口護理。也有研究表明,白及等中醫藥組分有良好的止血效果,采用靜電紡絲技術,將白及提取物與紡絲液混合制備成納米敷料有利于進一步提高止血效果,可能成為我軍突破戰場止血難關的關鍵[12-13]。

3.2銀敷料銀離子作為一種廣譜抗菌劑,有較強的殺菌作用。以納米銀制作成的敷料能持續釋放銀離子,從而抑制傷口感染、促進愈合[14]。徐海濤等[15]通過靜電紡絲技術,制備海藻酸鈉/聚乙烯醇復合納米纖維敷料,并在紡絲液中加入銀復合物。測試后發現其有良好的力學性能、吸液能力強、抑菌率高、細胞毒性輕微,適合用于臨床推廣。

目前已經有一些產品用于軍事領域。Silverlon是在尼龍纖維上通過合浸的方法,使銀顆粒吸附在纖維表面制得的一種金屬類敷料。它能有效遏制對抗生素有抗藥性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和頑固細菌,抗菌譜廣,且低過敏性,能減小疼痛和瘢痕,價格便宜[16]。

3.3高分子敷料包括天然高分子材料和合成高分子材料。一些天然高分子材料,如殼聚糖、海藻酸鹽等本身具有止血、抗菌等功能,通過靜電紡絲技術制作成敷料后,可以更好地發揮其優勢[14]。張珠等[17]采用濕法紡絲和紗布織造工藝制備了新型海藻酸鹽紗布,其血液相容性更好,細胞毒性更低,有促進傷口愈合的潛力。賈媛等[18]使用靜電紡絲技術,制備具有良好的透氣和吸液性能,而且能完全降解的己二酸二酰肼交聯海藻酸鈉納米纖維膜,能有效遏制傷口發炎。

合成高分子材料往往與天然材料復合紡絲,一般用于改善天然高分子材料的相關性能[14]。韓超[19]將聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid, PLLA)與聚倍半硅氧烷(polysilsesquioxane, POSS)雜化,再借助靜電紡絲技術制作出PLLA/POSS 復合纖維膜,在此基礎上引入莫西沙星來抗菌,測試后發現其既可以促進成纖維細胞生長,也有良好的抑菌效果。

高分子敷料中,已經投入使用的有HemCon止血敷料和mRDH敷料等。HemCon的主要成分是殼多糖,此種繃帶供軍隊戰斗使用,甚至可以在極其惡劣的天氣和復雜的地形中使用。它可使傷口形成結實的有黏附性血塊,便于轉運傷員?？噹Э芍瞥梢欢ù笮?以容易撕去的塑料膜為被襯層,可于數分鐘內止住大出血。直至目前為止,HemCon繃帶已發放了超過 13000條,在伊拉克和阿富汗等地被首先使用[16]。Bennett等[20]認為,大量的臨床和動物實驗已經證實了殼聚糖材料繃帶的安全性。長期以來,美軍特種部隊以及一些北約軍隊已廣泛使用殼聚糖止血敷料。此外,Degim等[21]開發出了一種包裹表皮生長因子的脂質體-殼聚糖凝膠,此凝膠可以促進表皮和組織再生,從而縮短痊愈時間。Pulat等[22]以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑,以聚丙烯酰胺和殼聚糖為原料,合成了一種新型CS-PAAm水凝膠敷料,其對載有的藥物具有緩釋作用,可以維持數天的療效。

所有腎小球疾病的共同最終途徑是足細胞消失、腎小球硬化[15]。足細胞是終末分化的細胞，不能依賴于新細胞的補充，其凋亡是導致數量減少的主要因素[16-18]。足細胞的凋亡和缺失導致濾過屏障結構的破壞，從而引起蛋白尿的發生。研究表明足細胞損傷和丟失是腎小球疾病包括局灶階段性腎小球硬化、糖尿病腎?。―N）、微小病變和膜性腎小球病發生和發展的關鍵因素[19]。保護足細胞，抑制其凋亡可能為治療慢性腎病提供新的方向。

mRDH敷料是一種由靜電紡絲技術開發的海藻酸鹽敷料,無毒無害、可以被生物降解并與生物體兼容,同時具有很好的透氧性和吸水性,止血能力強[23]。伊拉克戰爭中美軍曾使用mRDH敷料,發現其止血效果明顯,但仍然存在一些缺點,如止血持續時間短、價格昂貴等。

4 電化學療法概述

4.1 內源性微電流的概念在生物體和許多生物學過程中,包括胚胎方法、組織生長、傷口愈合都需要生物體的內源電場進行調節,一些神經、肌肉和腺體組織也需要內源電場對電信號進行傳輸。體內的內源性電場可通過離子、大分子的運輸、膜電壓調控生物學過程[24]。

4.2電化學療法作用原理傷口愈合的敷料研究一直備受關注,各種療法也在不斷創新。但自從內源性微電流的發現啟發人們利用外源電場能量來模仿內源電場傷口愈合機制促進傷口愈合,電療走進了傷口愈合研究中,吸引了廣泛關注。相關研究表明,對傷口進行電刺激在抑制細菌感染、促進組織再生和減緩疼痛上均有一定效果[25-26]。

使用外源電場能量來增強慢性傷口的愈合已經使用了幾十年,它是基于內源性創傷的存在,這些內源性創傷被觀察到在皮膚損傷后引導細胞遷移[27]。通過模仿內源電場的傷口愈合機制,電刺激能夠促進皮膚生長[28]。內源性電場在哺乳動物發育和創傷愈合中的功能表征已經產生了一些重要的見解[29]。如文獻所述:電刺激可以減少電極周圍的水腫、抑制組織壞死、刺激肉芽生長、增加血流量、誘導表皮細胞遷移、吸收能定向刺激神經突生長的中性粒細胞、促進上皮增殖、提高細胞自噬水平[30],并刺激受體部位接受某些生長因子[28]。

5 靜電紡絲在現代軍事醫學中的發展前景

5.1 由被動敷料向主動敷料發展傳統的被動敷料透氣性能較差,止血能力不足,雖有一定的吸濕和保護作用,但愈合過程中易黏連傷口,引起二次損傷。而主動止血材料中含有促進生理止血過程的材料。敷料中的活性成分主動參與凝血過程,生理止血反應被增強放大,在接觸到出血部位時便能產生強力有效的止血作用[13]。

作為傷口敷料靜紡纖維膜具備以下四種優勢[27]:①靜紡纖維膜含有納米級纖維孔徑,能阻止環境微生物滲透和細胞組織向內生長,同時有一定的止血能力;②靜紡纖維膜空隙率的高互連性能夠使傷口保持濕潤,保證了細胞的呼吸和氣體交換。③靜紡纖維膜的比表面積較大,能顯著提高止血速度,特別是采用纖維蛋白原為原料的超細纖維膜對傷口的止血性更加顯著;④靜紡纖維膜有良好的生物相容性。纖維母細胞可以很好地生長于靜紡膜上,促進傷口愈合。另外,有研究表明,靜電紡絲技術在神經修復方面也取得了一定進展[31-32]。

5.2電化學療法結合敷料治療傷口愈合由于電刺激和生物協同效應的積極作用,將電刺激與醫用敷料相結合,一種新的皮膚傷口治療策略也開始初露鋒芒,一些電子敷料現在已被用于皮膚傷口。有研究通過使用納米發電機技術,將機體的機械位移轉換為微電流刺激,從而促進傷口愈合[25]。利用氧化還原反應原理,有研究人員設計了一種新型微電流敷料(microcurrent dressing, MCD)[26]。MCD產生穩定持久的電刺激,通過減少炎癥持續時間和增加生長因子表達顯著促進傷口愈合。因此,MCD可作為一種有前途的皮膚創面愈合生物材料裝置。

6 展 望

因為現代戰爭中戰傷的復雜性、嚴重性和作戰環境的惡劣性,盡管敷料研究有了突破性進展,但目前的敷料還遠不能滿足現代戰傷救治的需要。今后發展的戰場敷料應該具有以下特點:較強的止血能力;較強的吸水性和透過氧氣的能力;無毒無害,溫和無刺激;能夠緩解疼痛,防止感染,促進痊愈;價格低廉,便于使用;能夠適用于全天候作戰環境等[2]。

隨著現代軍事技術的發展和現代武器的應用,人們對治療戰創傷的要求也越來越高。特別是在國際形勢動蕩、世界出現百年未有之大變局的今天,如何進一步發展我國的戰傷敷料,如何使敷料與現代戰傷急救相適應,如何創新性地把平時創傷救治的敷料應用于戰場,都是亟待解決的問題。提高我軍戰傷急救能力,需要廣大軍隊醫護人員的共同努力,降低傷殘率,減少后遺畸形,為挽救更多戰士的生命,仍需大家共同努力。