这是一项关于用于伤口监测的感染响应性胶原基湿纺纺织纤维的原创研究，由Jonathon Gorman、Charles Brooker、Xinyu Li和Giuseppe Tronci等人完成，研究机构为英国利兹大学（University of Leeds）的Clothworkers纺织材料医疗创新中心（CCTMIH）、利兹纺织与色彩研究所（LITAC）以及牙科学院口腔生物学部。该研究于2025年9月18日在线发表于*Polymer*期刊，文章编号为129113。

研究背景

伤口感染是全球临床和社会经济领域面临的重大挑战，会导致伤口愈合延迟、慢性化程度加重，并显著增加医疗成本。传统感染诊断方法如微生物拭子、组织活检和视觉检查，通常具有侵入性、耗时长、成本高或主观性强等缺点。因此，开发能够早期、无创、实时监测感染进展的生物标志物技术成为研究热点。伤口局部pH值被认为是预测细菌感染和评估愈合阶段的关键指标：健康皮肤呈酸性（pH约4–6），而感染伤口因细胞外基质破坏和氨的释放而趋于碱性（pH>7）。尽管已有电化学传感器、比色法和光学探针等伤口监测技术，但普遍存在机械脆弱、长期稳定性差、成本高、体积笨重等问题，限制了临床转化。I型胶原蛋白作为人体结缔组织中最丰富的蛋白质，具有优异的生物相容性、生物可降解性和低免疫原性，是商业伤口护理产品中最常用的生物材料之一。本研究旨在利用可扩展的湿法纺丝工艺，将I型胶原蛋白化学功能化并与pH响应性染料溴百里酚蓝（bromothymol blue, BTB）结合，制备兼具感染响应能力、生物可降解性和可规模化生产的纤维，以适用于智能伤口敷料和可吸收缝合线。

研究流程

研究首先通过酸性处理从大鼠尾部提取I型胶原蛋白，随后与4-乙烯基苄基氯（4VBC）和三乙胺在醋酸溶液中反应24小时，获得4VBC功能化胶原蛋白。通过TNBS比色法定量测定，功能化程度达到33±3 mol%，表明4VBC成功共价连接到胶原蛋白的赖氨酸侧链和氨基末端。将功能化胶原蛋白溶解于含1 wt%光引发剂I2959的醋酸溶液中制备纺丝原液，注入配备19G针头的注射器，以12.5 mL/h的流速挤出至乙醇或含0.5–1 wt% I2959的乙醇凝固浴中。凝固浴底部涂覆凡士林防止纤维粘连，并保持冰浴条件。挤出的纤维在凝固浴中停留5–10分钟至透明后，进行双侧紫外照射（1.8 mW/cm²，15分钟），再经梯度乙醇脱水并风干，得到紫外固化的湿纺胶原纤维（编号F–4VBC*）。UV-vis光谱分析显示，凝固浴在纺丝前后的吸光度变化极小（0.000→0.007），证实光引发剂大部分保留在纤维内部，且0.5 wt% I2959补充的凝固浴条件下几乎没有光引发剂扩散。纤维负载BTB采用重力滴铸法：将100 μL的0.2 wt% BTB溶液滴加至干纤维上，风干48小时后通过重量分析法计算负载效率，得到99±3 wt%（n=14）的高负载效率，负载后的纤维编号为B–4VBC*。纤维化学组成通过ATR-FTIR确证，胶原蛋白特征酰胺带以及BTB在1160 cm⁻¹和920 cm⁻¹处的特征吸收峰均被检测到。光学显微镜和扫描电镜（SEM）显示纤维呈均匀的纵向条纹结构，干态直径为173±52 μm（F–4VBC*）和161±56 μm（B–4VBC*），线密度为5±1 tex。热重分析（TGA）表明BTB负载纤维在800°C时残留质量约20 wt%，远高于未负载纤维的 wt%，证明BTB成功包封。差示扫描量热法（DSC）测得两种纤维的干态变性温度分别为86±5°C和91±6°C，差异无统计学意义。纤维在去离子水中浸泡2小时的平衡溶胀率为492±73 wt%（F–4VBC*）和323±79 wt%（B–4VBC*），显著低于同材料铸膜（1915±311 wt%），归因于湿纺过程中胶原分子沿纤维轴向的取向和紧密堆积。凝胶含量测定显示不同I2959补充浓度下纤维的凝胶含量为79–92 wt%，无显著差异。湿态拉伸测试在PBS中浸泡2小时后进行，BTB负载与未负载纤维的极限拉伸强度（UTS）分别为12±3 MPa和15±7 MPa，断裂伸长率为14–17%，拉伸模量为232–265 MPa，两组间无统计学差异。BTB释放实验在pH 5和pH 8的McIlvaine缓冲液中进行96小时：酸性条件下释放量仅为12±2 wt%，碱性条件下为40±4 wt%。释放数据拟合Korsmeyer-Peppas模型，碱性条件下R²=0.98，释放指数n=0.236，表明扩散控制机制。比色分析显示，BTB负载纤维在pH 5孵育96小时后总色差ΔE约17，而在pH 8下ΔE达70，颜色由黄橙色转变为蓝绿色，且该变化在pH 5和pH 8交替孵育中可逆。酶降解实验采用来自溶组织梭菌的胶原酶（2 CDU/mL，pH 7.4，37°C），BTB负载纤维在24小时后的相对质量保留率为34±14 wt%，48小时和72小时分别为11±7 wt%和11±4 wt%，而天然大鼠尾胶原在24小时内完全降解。最后，研究人员将紫外固化纤维加捻成纱线并手工织造成伤口敷料原型，同时将单根纤维固定于缝合针上，成功打出单结，其结节能力与商业丝编织非吸收性缝合线相当。

主要结果

化学表征确认了4VBC功能化和BTB负载的成功：TNBS测定功能化程度为33±3 mol%；FTIR显示酰胺III带与1450 cm⁻¹处的吸光度比在天然胶原和紫外固化纤维中均接近1（0.97–1.02），表明三股螺旋结构在湿纺和紫外固化过程中得以保留，而BTB负载后该比值降至0.89，提示滴铸过程导致部分三股螺旋丢失，可能源于BTB与胶原分子间次级相互作用。纺丝工艺优化发现，使用含0.5 wt% I2959的乙醇凝固浴可最大程度减少光引发剂扩散，且该条件下凝固浴吸光度无增加。光学显微镜和SEM证实纤维形态均匀，但湿纺过程中由于胶原溶液高粘度和4VBC残基间的物理相互作用，形成了纵向条纹结构。热分析显示BTB负载提高了纤维的热稳定性，在800°C时残留质量明显更高；DSC曲线出现单一吸热转变，表明三股螺旋变性，BTB负载后变性温度略有升高但不显著。物理性能测试表明，纤维的溶胀率远低于同材料铸膜，说明湿纺工艺诱导的分子取向和紧密排列限制了水吸收；但凝胶含量与铸膜相当，说明交联密度相近，因此溶胀率差异主要来自微观结构而非化学网络。湿态拉伸测试表明BTB负载未对纤维力学性能产生显著影响，平均UTS为12–15 MPa，弹性模量232–265 MPa，断裂伸长率14–17%。BTB释放行为呈现pH依赖性：酸性条件下静电吸引作用使BTB牢固结合于质子化胶原氨基上，释放量低；碱性条件下胶原氨基去质子化导致静电排斥，释放量增加。Korsmeyer-Peppas模型拟合进一步支持扩散控制释放机制。比色分析显示pH 8下ΔE高达70，接近感知极限，说明颜色变化显著且易于肉眼识别。酶降解实验表明紫外固化网络显著提高了胶原纤维的酶稳定性，24小时保留约三分之一的初始质量，远优于未交联的天然胶原和部分商业胶原膜。纤维的可加工性通过编织和缝合试验得到验证，半自动化挤出装置可制备长达2.4米的纤维，加捻成纱后成功织成敷料原型，且单根纤维可打结固定。

研究结论与价值

本研究成功设计并制备了一种基于I型胶原蛋白的pH响应性湿纺纺织纤维，通过化学功能化、紫外固化和BTB滴铸实现了感染响应功能。纤维在模拟伤口液中表现出可逆的颜色变化（pH 5时为黄橙色，pH 8时为蓝绿色），且BTB释放量在96小时内保持较低水平（酸性条件12 wt%，碱性条件40 wt%），满足临床敷料应用时长要求。湿态拉伸性能与文献报道的其他胶原纤维相当或更优，同时具有更低的线密度，适合轻质可吸收缝线。酶降解实验显示纤维在胶原酶环境中可部分保留质量，支持其作为可吸收缝线的潜在应用。该研究的科学价值在于提出了一种多尺度设计策略，将分子尺度的化学交联与微观尺度的纤维取向相结合，解决了胶原基材料在水环境中溶胀失控和力学完整性差的问题。应用价值在于提供了一种低成本、可规模化生产的智能伤口监测平台，能够实现裸眼或智能手机辅助的感染早期诊断，有望改善临床伤口管理并降低医疗成本。

研究亮点

本研究的创新点主要体现在三个方面：第一，首次将湿法纺丝、紫外诱导交联和重力滴铸负载pH敏感染料相结合，制备出连续的、力学性能可调的胶原基感染响应纤维，突破了此前胶原基治疗诊断材料仅限于铸膜形态的局限；第二，利用湿纺工艺诱导的分子取向和紧密堆积，显著抑制了纤维在水中的过度溶胀，同时保留了与铸膜相当的凝胶含量，实现了微观结构对宏观性能的有效调控；第三，通过静电相互作用机制实现了BTB在酸性环境中的高效保留，负载效率高达99 wt%且在96小时内释放量仅12 wt%，为长效伤口监测提供了材料基础。此外，研究证明该纤维可加捻成纱并织造成敷料原型，也可打结用作可吸收缝线，展示了其作为多功能伤口护理平台的实际可加工性。