《International Journal of Biological Macromolecules》：Combined metronidazole delivery from a WS2–halloysite nanotube-loaded electrospun cellulose acetate membrane supported by a 3D-printed PLA/cassava fiber mesh
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本研究开发了一种由3D打印的聚乳酸/木薯纤维网支撑的电纺纤维素乙酸-二硫化钨-海藻土纳米管复合材料膜双层系统，显著提升机械强度（6.0±0.2 MPa）和热稳定性（耐温至150℃），实现甲硝唑缓释（48小时累计释放率74%-93%），并表现出适度的抗菌活性及细胞相容性。
阿布巴卡尔·亚当·阿布巴卡尔|塔纳蓬·拉坎|塔恩蒂普·克拉西安|彭萨克·詹特拉武特|基蒂萨克·詹塔纳萨库尔翁|努塔波尔·塔纳昌桑桑|纳隆吉特·斯里卡威|哈鲁纳·穆萨|帕特纳林·沃拉吉蒂蓬
尼日利亚卡齐纳杜辛-马联邦大学工业化学系，邮政编码P.M.B. 5001
摘要
源自天然资源的伤口敷料越来越受到人们的关注，因为它们对健康和福祉有益。本文开发了一种静电纺丝纤维素醋酸酯（CA）复合膜（E），作为一种用于持续释放药物的局部载体，该膜通过添加二硫化钨（WS2）和坡缕石纳米管（HNT）来实现这一功能。为了提高机械强度并支持先进生物医学制造领域的创新，将E膜静电纺丝到3D打印的聚乳酸/木薯纤维网上，形成了一个双层系统（3D/E）。与单独使用E膜相比，3D/E在干燥状态下的拉伸强度（6.0 ± 0.2 MPa）和杨氏模量（302 ± 12 MPa）均有所提高（分别为0.8 ± 0.1 MPa和22 ± 3 MPa）。3D/E在典型使用温度下保持了热稳定性，在150°C以下没有出现降解现象。从含有甲硝唑（MET）的CA基样品中释放出的MET具有双相特性；值得注意的是，3D/E/MET在0–6小时内的初始释放速度较慢，而在48小时内的累计释放量（约74–93%）高于CA/MET（约72–77%），这归因于WS2和HNT的协同作用。在PrestoBlue?检测中，人类脂肪来源的干细胞在3D/E/MET上的存活率从第1天（约44%）增加到第5天（约75%），表明其具有随时间恢复的能力。抗菌测试显示，3D/E/MET在24小时内的抗菌效果优于对照组（13.76 ± 0.11 log CFU/mL vs 14.92 ± 0.07 log CFU/mL）。总体而言，3D/E在机械性能和热稳定性方面表现出优势，同时具有延长的MET释放时间和适度的体外抗菌活性，为其在伤口愈合应用中的进一步研究提供了支持。
引言
伤口管理的目标是促进愈合并预防感染，治疗方法需根据伤口类型和患者状况进行个性化调整。传统的敷料（如纱布和药膏）通常透气性差、在伤口上的停留时间短且药物释放不可控，这可能增加感染风险[1]。传统的药物输送方法也存在局限性，例如靶向效率低，可能会对健康组织产生不良影响。相比之下，现代伤口敷料能够维持湿润环境、促进细胞迁移并降低感染风险[2]。理想的敷料应具备机械和热稳定性、抗菌性、无细胞毒性，并能实现足够的药物释放并促进细胞增殖[3],[4]。由于伤口愈合涉及炎症、细胞增殖和成熟过程，因此在整个过程中持续提供抗菌保护和持续的药物释放至关重要[2]。因此，集这些功能于一体的先进敷料对于加速和优化皮肤再生至关重要。
纳米材料正越来越多地应用于伤口护理材料中，并在促进愈合并控制感染方面显示出良好的效果。静电纺丝纳米纤维因其高孔隙率、小纤维直径和大表面积而被广泛用作先进的敷料材料[5]。这些特性使其具有优异的透气性并促进药物释放。此外，纳米纤维敷料可以模拟真皮细胞外基质（ECM），保持水分并有效输送治疗剂，从而加速愈合过程[3]。然而，静电纺丝膜也存在机械强度不足的缺点，这限制了其在伤口愈合中的广泛应用。
三维（3D）打印的一个有趣特点是它可以通过逐层沉积材料来构建三维结构，这种过程由数字模型引导，确保了高几何精度。3D打印是一种简单、快速且方便的方法，可用于从宏观到微观尺度生产支架和药物载体，具有出色的重复性、设计灵活性和良好的机械性能。然而，实现改善伤口愈合所需的纳米级分辨率是一个关键挑战，包括确保细胞在生物医学应用中的有效附着和生长。结合3D打印和静电纺丝技术可以生产出具有多孔结构、高表面积和增强机械强度的纳米纤维，这些是有效药物输送和伤口愈合的关键特征。这种组合方法还能够制造出适用于高级药物输送应用的复杂功能性结构，特别是用于治疗皮肤伤口[6]。
多种聚合物已被广泛研究用于生物医学领域，包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物[7]、聚己内酯[8]、乙基纤维素[9]、聚乳酸（PLA）[10]和纤维素醋酸酯（CA）[11]。本研究选择CA作为静电纺丝膜的主要成分，因为它易于加工、形成稳定的溶液、产生均匀的纤维、可生物降解，并且可以进行后修饰，使其成为一种多功能且可持续的选择[11]。此外，PLA因符合FDA的安全标准、环保、可回收、市场供应广泛以及具有良好的机械强度而受到关注[12]。
为了提高药物释放量，二维（2D）材料因其高表面积而被纳入聚合物基质中，因为它们可以吸附药物分子，从而增加药物负载量及释放量[9],[13]。在本研究中，选择二硫化钨（WS2）作为2D材料用于药物输送，因其层状结构提供了较大的表面积并支持高药物负载量，同时其低毒性已有相关报道[14]。坡缕石纳米管（HNT）由于其中空管状结构，能够在其内腔中负载活性物质以实现持续的药物释放[15]。最近的研究表明HNT在静电纺丝生物医学支架中的应用具有多样性。例如，含有双纳米填料（HNT和氧化铈纳米颗粒）的静电纺丝壳聚糖复合材料显示出体内伤口愈合效果[16]。这一发现突显了HNT在增强药物输送和生物性能方面的潜力。本文将WS2和HNT结合到CA静电纺丝膜中，以提升纯CA的药物输送性能。CA/WS2/HNT静电纺丝膜是一种新型的药物输送配方，与其他用于包装[17]、农业[18]、水处理系统[19]和光催化[20]的基于CA的复合平台不同。
尽管已有相关进展，但关于将静电纺丝CA与WS2和HNT结合用于甲硝唑（MET）输送的双层系统的报道仍然有限。本研究评估了WS2和HNT与3D打印PLA/木薯纤维（PLA/CF）网状结构的结合对机械性能和体外MET释放行为的影响。CA/WS2/HNT膜被静电纺丝到3D打印的PLA/CF复合网上，以增强静电纺丝层的强度并提高整个MET释放系统的干燥状态机械稳定性。选择CF作为本地可获得的可持续天然纤维，因为它可以在PLA基复合材料中作为生物基、潜在可降解的填充物。虽然本研究没有进行生命周期评估、生物降解比较或其他天然纤维的直接对比，但提出了可持续性的基本理念。
本研究评估了基于CA的复合膜以及将静电纺丝膜与3D打印复合网状结构结合的混合系统，包括形态学、化学结构、机械和热性能、亲水性、体外MET释放、细胞毒性和抗菌效果。主要目的是展示一种优化伤口愈合应用中药物输送的方法，并评估CA/WS2/HNT复合膜与3D打印结合在广泛使用条件下的强度提升潜力，同时利用PLA和CF实现可持续性。
材料
聚乳酸（PLA）粉末购自美国NatureWorks LLC，密度为1.24 g/cm3，符合制造商的规定。木薯纤维（CF）（通过45 μm筛子筛选）由泰国清迈大学农业工业学院提供。纤维素醋酸酯（CA）粉末、二硫化钨（WS2）（2 μm薄片，纯度99%）和坡缕石纳米管粉末（Al2Si2O5(OH)4·2H2O，HNT）购自美国Sigma-Aldrich公司。
WS2和HNT的表征
分析了作为CA静电纺丝膜性能增强剂的原始WS2和HNT的形态、结构和组成特征（图1）。WS2的TEM图像（图1a）显示了典型的层状过渡金属硫属化合物的片状形态。高分辨率TEM分析（图1b）显示出明确的晶格条纹，层间距为0.27 nm，对应于（101）晶面[22]。这一结果进一步得到了……
结论
本研究开发了一种双层复合敷料平台，该平台将3D-PLA/CF网状结构与含有WS2和HNT的静电纺丝CA膜结合，并加载了甲硝唑（MET）。3D打印网状结构改善了静电纺丝层的操作性和干燥状态下的机械强度，而WS2和HNT的加入则对MET的释放曲线产生了协同效应。从CA基膜中释放的MET在48小时内表现出双相释放行为，动力学拟合表明……
CRediT作者贡献声明
阿布巴卡尔·亚当·阿布巴卡尔：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、数据管理。塔纳蓬·拉坎：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、数据管理。塔恩蒂普·克拉西安：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项目得到了清迈大学基础基金2026 [214541] 和泰国科学研究与创新机构（TSRI）[资助编号 FRB690042/0162] 的支持。作者还感谢化学卓越创新中心（PERCH-CIC）、高等教育、科学、研究与创新部的部分财务支持。作者同时感谢清迈大学理学院化学系的支持。
