双功能纤维素纳米晶体-MoS2纳米片：用于近红外（NIR）激活的流体管理以及伤口微环境中的抗菌保护

《Biomaterials Advances》：Bifunctional cellulose nanocrystal-MoS2 nanosheets for NIR–activated fluid management and antibacterial protection in wound microenvironments

开发基于CNC-MoS?纳米片的PLA光热响应型伤口敷料，通过“剥离-功能化”策略实现MoS?单层分散与功能集成，具备高效光热转换（升温25.8°C）、紫外屏蔽（UPF8.3）、400%增湿性能及广谱抗菌活性（抑菌圈3mm），解决了传统敷料材料分散性差、功能单一及抗生素依赖问题。

　　

刘颖诺|索米娅·亚辛·侯赛因·阿卜杜卡里姆|吴淑萍|刘宇恒|扎伊娜布·M.H. 埃尔-卡塔尼|余侯勇|阿马尔·亚瑟|朱家福

浙江科技大学生物基纤维材料国家重点实验室，中国杭州市西湖高等教育园区大道2号928号，310018

摘要

基于“外部光刺激-材料光热转换-局部微环境调节”响应机制的创可贴对于保护伤口表面、促进愈合并提供抗菌效果至关重要。本研究采用创新的“剥离-功能化”策略，制备了纤维素纳米晶体（CNCs）/二硫化钼（MoS₂）纳米片的插层结构。此外，CNC-MoS₂纳米片作为高效光热填料应用于聚乳酸（PLA）膜中，用于伤口敷料。这些膜具有优异的紫外线阻隔性能、良好的吸湿性和透气性。值得注意的是，含有7 wt% CNC-MoS₂的膜吸湿性提高了400%，水蒸气透过率（WVTR）达到1025 g/m²/day。该膜在2 W/cm²的辐照下，表面温度上升了25.8°C，并且在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中保持稳定，显示出其在潮湿伤口环境中的光热治疗潜力。当暴露于近红外（NIR）激光时，这种混合膜表现出增强的抗菌活性，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌圈达3 mm。细胞生物相容性达到99.5%，NIR处理24小时后迁移率为51.2%。本研究为开发响应型伤口敷料提供了新策略，为复杂伤口护理提供了创新解决方案。

引言

皮肤是人体最重要的器官，作为抵御外部病原体的核心屏障，并维持体内平衡[1]。然而，它容易受到物理、化学或生物因素的损伤，从而导致伤口[2]。这些伤口可能导致感染、免疫功能衰竭和体液流失等问题[3]。由渗出物和细菌感染引起的伤口愈合缓慢，可能长时间处于炎症阶段，干扰正常恢复[4]，[5]。伤口敷料应能吸收渗出物、保持湿度、防止微生物入侵、促进气体交换、减轻炎症并支持组织再生[6]，[7]。传统敷料缺乏动态响应性，无法适应不断变化的伤口状况，增加了感染风险[8]，[9]。智能生物材料使具有响应性的伤口敷料成为全球研究焦点[10]。这些敷料可以通过传递pH值、光热响应或活性氧（ROS）等信号来调节药物释放、抗菌活性和组织愈合，从而改善治疗效果[11]。

近红外（NIR）光激活的光热响应性敷料能够产生局部热量，产生强大的抗菌效果，同时促进组织再生[12]，[13]。808 nm的NIR光位于生物光学窗口（700–900 nm）内，此时血红蛋白和水的吸收最小，允许更深层次的组织穿透和光热剂的有效激活[14]。重要的是，NIR辐照可实现精确的空间控制，减少非特异性加热，将热效应限制在材料部位[15]。这种靶向光热转换增强了抗菌效果，同时将对周围健康组织的损伤降到最低。二硫化钼（MoS₂）具有强的NIR吸收能力和高的光热转换效率，可实现局部可控加热[16]。由于其层状结构、生物相容性和高的光热转换效率，MoS₂在抗菌和光热治疗中具有潜力[17]，[18]。但由于层间强共价键和弱范德华力的作用，MoS₂容易聚集[12]。MoS₂的剥离方法主要分为化学方法和液相方法[19]。化学剥离方法使用强氧化剂或锂离子插层，可制备单层MoS₂，但毒性高、条件苛刻且生物相容性差，限制了其在生物医学中的应用。相比之下，超声液相剥离方法应用更广泛，但依赖有机溶剂，容易导致未改性的MoS₂重新堆叠，无法同时实现功能化或与聚合物基质的强界面结合[20]。单宁酸（TA）是一种天然多酚，能有效将MoS₂剥离成单层或少数层[21]。聚乳酸（PLA）因其可降解性和良好的加工性成为理想的伤口敷料材料[22]，但其疏水性限制了渗出物的吸收，增加了液体积聚和感染的风险[23]。为了解决这一问题，向PLA中添加了石墨烯等光热剂[24]，但界面结合力弱可能导致聚集和相分离，从而降低效率[25]。纤维素纳米晶体（CNCs）因其高强度、高长宽比和丰富的表面羟基而成为理想的增强剂[26]。将CNC加入MoS₂中，可稳定纳米片并防止聚集，通过氢键进一步增强在PLA中的均匀分散和界面相容性。

电水动力雾化（EHDA），特别是电纺和电喷雾，已成为制备纳米纤维结构的多功能平台[27]。包括同轴[28]、并排[29]、三轴[30]和多流体[31]在内的先进设计，能够制造出比传统方法更复杂和功能性的纳米结构。然而，大多数传统系统仍依赖单流体电纺，主要产生结构简单、功能有限的载药纳米纤维垫，适用于伤口愈合。

本研究制备了一种具有强抗菌活性和高效光热响应性的多功能电纺伤口敷料（图1）。关键创新在于统一的“剥离-功能化”策略，其中TA同时将MoS₂剥离成单层和少数层纳米片，并赋予其内在的抗菌性能。所得的CNC-MoS₂纳米聚集体具有更好的分散性，通过氢键相互作用在PLA纤维中形成稳定的互联网络，确保结构完整性和持续性能。与传统载药系统不同，该平台避免了突然释放，而是依靠结构集成、非抗生素机制。CNC提高了生物相容性、分散稳定性和界面相容性，而MoS₂提供了光热和抗菌功能；它们的结合进一步减轻了裸露MoS₂的细胞毒性。在生理条件下，这种混合膜敷料表现出稳定的光热性能、高效的热生成、紫外线屏蔽和高的液体吸收能力，有效调节伤口微环境。通过解决MoS₂聚集、聚合物结合不良和抗生素依赖等关键问题，本研究为多功能伤口敷料的设计提供了可靠且可扩展的策略。

材料

新华制药试剂有限公司提供了微晶纤维素（MCC，分子量为（162.14）_n）。柠檬酸（C₆H₈O₇，3 M）、盐酸（HCl，12 M）和氯仿（CHCl₃购自上海麦克林生化有限公司。二硫化钼（MoS₂购自上海阿拉丁生化科技有限公司。所有材料和试剂均按原样使用，无需进一步纯化。聚乳酸（PLA，M_w = 1.0 × 10⁵ g/mol）由海诺尔公司提供

CNC-MoS₂纳米片的微观结构

图2展示了CNC、块状MoS₂、剥离后的MoS₂以及CNC-MoS₂纳米片在水中的分散情况。图2a中，CNC呈棒状，长度为216 ± 34.9 nm，宽度为18 ± 3.1 nm（图S2），长宽比为11.9。图S3的AFM图像也显示了CNC的棒状形态和尺寸，与SEM图像一致。图2b中，块状MoS₂呈现堆叠层状结构，宽度约为0.75 ± 0.11 μm

结论

本研究成功开发了一种新型的“剥离-功能化”策略，利用单宁酸（TA）制备CNC-MoS₂纳米片，然后通过电纺将其结合到PLA基质中，制成光热响应性伤口敷料。我们的发现验证了以下假设：在PLA混合膜中均匀分散的功能化MoS₂纳米片赋予了多功能特性，包括有效的紫外线屏蔽（7 wt%时的UPF值为8.3）

CRediT作者贡献声明

刘颖诺：撰写——原始草稿、验证、研究、数据分析、概念化。索米娅·亚辛·侯赛因·阿卜杜卡里姆：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取。吴淑萍：数据分析。刘宇恒：数据分析。扎伊娜布·M.H. 埃尔-卡塔尼：概念化。余侯勇：撰写——审稿与编辑、监督。阿马尔·亚瑟：研究。朱家福：概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金-国际青年科学家研究基金（T2350410497）和浙江省重点研发计划（2024C03224）的支持。