水凝胶纤维具有水凝胶的功能特性(高含水量、高弹性、刺激反应)和纤维材料的结构优点(高比表面积、易织造、机械性能优良)。其优异的亲水性使其能够保持皮肤损伤表面的水分平衡，尽管皮肤经常处于高张力状态，纤维仍能保持支架的机械顺应性和弹性稳定性。因此，水凝胶纤维可以模拟天然皮肤组织的复杂结构和功能，促进伤口愈合，使其成为适合皮肤再生的候选材料。
上海交通大学医学院崔文国和潍坊医学院王艳系统综述了水凝胶纤维技术的发展、材料的选择以及在创面愈合中的应用。首先，简要介绍了水凝胶纤维制备的发展历史。其次，综述了水凝胶纤维的组成、结构、载药量和力学性能等方面的优点。报道了水凝胶纤维在伤口愈合方面的最新研究和应用。最后对多功能水凝胶纤维支架材料进行了分析，并对今后的研究方向进行了展望。相关内容以“Advanced electrospun hydrogel fibers for wound healing ”为题目发表在期刊《Composites Part B 》上。
由于慢性创伤的愈合依赖于长期的医疗护理，目前需要大量的卫生保健资源。此外，随着人口老龄化，世界范围内每年的伤口治疗费用不断增加，美国每年在这方面的花费超过200亿美元。多种有前景的技术已经被开发出来以提高伤口愈合率，如细胞和生长因子为基础的治疗和移植。然而，由于免疫排斥、疗效不理想、周期长、费用昂贵等问题，此类治疗在临床实践中并未得到广泛应用。另外，通过组织工程获得的皮肤移植替代物可以提高伤口愈合质量，解决皮肤来源不足的问题。
图1 皮肤结构的示意图。
皮肤有三个结构区域:1)表皮，2)真皮，3)皮下组织。表皮由外至内分为角质层、透明层、颗粒层和萌发层。皮构成了大部分的皮肤结构，主要由胶原纤维、弹性纤维和细胞外基质组成。此外，真皮还分为乳头层、乳头下层和网状层，其中由与表皮相邻的一层细纤维、紧密排列的纤维束和松散排列的纤维束组成，松散排列的纤维束由平行排列的细纤维组成。
水凝胶纤维的制备
水凝胶的结构特点决定了水凝胶纤维制备的难点。制备水凝胶的预聚体溶液不适合成纤维，主要原因是预聚体溶液的粘弹性较差，一般为低分子量的低聚物和单体等水溶液，或聚乙烯醇(PVA)、海藻酸盐等大分子稀溶液。由于交联结构的限制，形成的水凝胶难以承受纤维加工过程中的拉伸变形。因此，水凝胶纤维的构建一直是纤维制备领域的一个难题。目前制备水凝胶纤维的方法有很多，包括水动力纺丝、静电纺丝、三维生物打印、机械牵引等。
静电纺丝法制备水凝胶纤维
静电纺丝是目前制备纳米超细纤维的最佳方法。目前，以明胶、透明质酸、丝素等生物高分子为原料制成的静电纺丝力学性能较差。因此，有必要通过交联等方法促进纤维中相关化学基团的反应，以提高其力学性能。
Nie 等人以明胶和羟基苯丙酸(HPA)为原料，通过酶法氧化合成Gel-HPA，制备纳米纤维(图2B)。所制备的纤维状水凝胶既保持了水凝胶的软弹性力学性能，又保持了支架的三维纤维结构。
图2. A)湿纺。(1)、(2)、(3)表示了自旋过程中不同阶段的结构演化。B) Gel-HPA纤维状水凝胶的制备方案。
近年来，研究人员建立了3D打印、微流体纺丝、动态聚合纺丝等新技术，极大地推动了水凝胶纤维的研究进展(图3A、B)。Chu等人合成了促血管生成自组装肽纤维状水凝胶，并与紫外光固化的甲基丙烯酸明胶(GelMA)结合制备了一系列三维(3D)打印支架，成功制备了明胶与多肽交织的聚合物网络支架。
图3. A)水凝胶纤维支架[46]的3D生物打印。B)微流控纺丝[47]。C)产生螺旋水凝胶纤维[51]的装置和工艺。D)将水凝胶与机织织物[52]结合制作的复合支架。
微流控是制备微纳米材料的一种有效方法。微流体是一种经过精密加工的微通道，可以在微米尺度上操纵流体。由于其体积小、精度高、集成度强，是制备微纳米材料的有效途径。Xu等采用同轴微流控装置，以海藻酸钠为皮质纺丝液，CaCl2为芯纺丝液，通过瞬态化学反应形成螺旋状的海藻酸钙水凝胶微纤维(图3C)。本研究首次报道了含有螺旋血管通道的生物水凝胶纤维的生产工艺，并结合微流控反应和微流控技术提出了一种“异质绳卷效应”，这为制备具有可灌注螺旋通道和直通道的特性可控微纤维提供了理论基础。
水凝胶纤维在创面愈合中的应用
创面敷料的主要作用是保持创面的湿润，吸收过多的创面渗出物，减少创面创伤，抵御外界微生物的入侵。 最近，科学家们专注于开发基于纳米纤维的敷料，该敷料可以模拟具有高表面积体积比和高孔隙率的天然真皮 ECM。除了传统的功能外，这些纳米纤维敷料通过创造一个积极的环境来减少感染和炎症，并在促进伤口愈合方面发挥积极作用。
水凝胶纤维敷料是近年来出现的一种新型创面敷料，具有比表面积高、吸液量大、透气性好等优点。为了预防和治疗伤口感染，可以在水凝胶纤维敷料中添加抗菌药物，更有利于伤口愈合，抑制细菌生长。Zhao等人通过光交联技术构建了甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶的静电纺丝三维纤维支架，并观察到该支架能促进皮肤组织的再生。
图4. A)不同支架的伤口愈合图像。B) SF水凝胶的制备及其在抑制增生性瘢痕中的应用示意图。
结论
临床上加速创面愈合主要是通过手术清创、生长因子治疗、自体或异体皮肤组织移植、组织工程皮肤移植等方式恢复创面的组织结构和功能。然而，这些方法都有缺点和局限性。为了解决这些问题，研究人员利用新技术制备了结构和功能与自然皮肤相似的组织工程支架。这种人工皮肤由生物相容性材料制成，能够更真实地模拟皮肤组织的复杂结构和功能。特别是将水凝胶和静电纺丝结合在一起的水凝胶纤维，在高吸水性、功能化、机械性能和可用性方面具有突出的优势。因此，它们在皮肤再生方面具有广阔的应用前景。
未来展望
综上所述，作者确定了水凝胶纤维支架在生物医学领域的四个发展方向。
1）在临床治疗中使用水凝胶纤维仍存在许多问题，如天然生物材料有效成分提取纯度低，携带药物和小分子缓释速度可控性差。
2）应利用分子生物学方法进一步探索皮肤再生的病理生理过程。根据明确的分子机制，水凝胶纤维的发展可以导向提高处理效果。
3）新型水凝胶纤维支架应根据复杂的伤口愈合过程进行设计，有针对性的设计可能会产生令人满意的效果。
4）理想的组织工程皮肤应由表皮组织、真皮组织和具有完整生理功能的复合皮肤组成。因此，开发结构和功能与正常皮肤组织相似的组织工程复合皮肤是水凝胶纤维皮肤替代品的主要研究方向。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109101
