皮肤作为人体最大器官，在生理条件下具备自主修复潜能。然而，多数情况下，因成纤维细胞行为调节失控引发纤维化，致使瘢痕形成，对皮肤功能及美观产生负面影响。故而，构建兼具皮下附属物再生与抗纤维化功能的完整皮肤组织，无论在临床实践还是科学研究层面，均极具意义与价值，却也面临巨大挑战。现阶段，现有生物材料系统，在达到无疤痕愈合目的同时，往往会阻碍皮肤伤口正常愈合，这不利于感染性或糖尿病等慢性伤口愈合。因此，迫切需要构建一种生物材料敷料系统，既要满足皮肤修复各阶段差异化需求，又能在不影响细胞增殖的前提下促进皮肤无疤痕修复。但鉴于单一因素调控的局限性，此类理想系统虽理论可行，实践却困难重重。因此，亟需开发易获取的生物材料系统，精细调控相关细胞综合行为，以“全要素”模式整合皮肤伤口再生所需各类要素。
2025年1月3日，同济大学医学院王祎龙研究员团队在《ACS Nano》期刊上发表了题为“Magnetic Nanoactuator-Protein Fiber Coated Hydrogel Dressing for Well-Balanced Skin Wound Healing and Tissue Regeneration”的研究论文，提出“磁性纳米颗粒（Fe3O4）-纤维蛋白原（Fibrinogen, Fg）纤维涂层水凝胶引导全阶段组织再生”新策略。研究人员通过在GelMA水凝胶表面产生具有结构稳定性的定向纤维和RGD样活性位点，用于关键的ECM-成纤维细胞相互作。在该研究中，Fe3O4@PDA-Cu磁性纳米颗粒-纤维蛋白原纤维（MPF）涂层，作为多功能水凝胶的内层，GelMA水凝胶作为外层。针对组织再生的三个关键阶段，即细菌抑制、细胞增殖和皮肤再生。在体内实验中，通过磁性纳米颗粒表面聚多巴胺壳的光热响应活性杀死细菌。在第二和第三阶段，该研究通过拓扑形态学和生物线索的整合，提出了一种通过时空排序对成纤维细胞行为进行编程的设计概念，以促进皮肤伤口快速愈合而无纤维化。在这个系统中，定向排列的纤维蛋白原（Fg）诱导成纤维细胞和胶原蛋白在空间水平上排序。另一方面，在时间方面，铜离子可以在28天内连续释放并催化内源性S-亚硝基硫醇（RSNO）产生 NO，从而协同促进无疤痕皮肤修复并恢复皮肤的功能完整性。
图1. 磁性纳米复合材料-Fg纤维的制备示意图，在水凝胶基质上形成纤维涂层以获得GelMA-MPF0.1 （GMPF0.1），以及考虑到自然皮肤修复过程的代表性三个阶段的敷料的多种功能。
【磁性蛋白纤维的形成过程】
在该团队之前的研究中，带负电荷的Fe3O4@SiO2磁性纳米复合材料-蛋白质复合物簇通过一系列的三阶段程序自组装形成数十微米级胶体纤维（https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02923）。尽管已制备出包含磁性纳米复合核心与蛋白冠修饰的排列纤维，但这些纤维的结构稳固性与纵横比仍受限于一定范围。本研究采纳了“双轮驱动”策略，旨在生成化学成分相似但具备各向异性与高度稳定性的定向纤维排列。在此过程中，蛋白质分子间的静电交互作用与磁场诱导共同扮演了核心角色（见图2）。在磁性纳米复合材料与蛋白质投入量达到最优配比时，无需任何纯化步骤，即可在细胞培养板表层或连续培养体系中的水凝胶基质上形成具有良好对齐度的复合纤维二维涂层。相较于现有的制备排列胶原纤维基质技术，如微流控装置、循环机械拉伸系统、三维打印技术及静电纺丝法，利用自组装诱导沉积工艺，辅以额外磁铁，制备功能性磁性杂化涂层的水凝胶敷料展现出更高的便捷性与可重复性。此外，杂化纤维在光学显微镜下清晰可见，无需复杂的染色程序。
图2. MPF的形成过程
【MPF的理化性质和NO催化能力】
作为一种纳米复合材料，MPF的物理和化学性质值得深入研究，特别是关于它在复杂的体内环境中的功能性。作者表明，MPF增强了细胞爬片表面的水接触角，更有利于细胞粘附。原子力显微镜（AFM）显示Fg的结合显着降低了纳米颗粒的刚度。此外，MPF显示出清除ROS的重要能力，从而防止NO和ROS形成RNS，减少炎症，并保持NO的功能。在体外，MPF能够在28天内相对稳定释放铜离子。并在14天内高效且持续的产生NO。
图3. MPF特性和功能的表征。
【体外研究MPF的光热响应抗菌性能】
被动抗菌阶段是皮肤伤口在自然修复过程中形成凝块愈合的第一个关键阶段。在水凝胶敷料后，这种生物效应被用作杂化纤维自组装的构建块。作者表明MPF继承了来自PDA优异的光热性能，他们测试了MPF0.1+NIR组中金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活力分别为3.00%和1.03%，这意味着NIR诱导的光热转化具有更好的抗菌效果。同时，使用SEM观察不同组的细菌形态。Control组、Control组+NIR和Fe3O4@PDA-Fg组均保持其正常特征形态。相反，MPF0.1显示可见的塌陷，且在NIR照射后发生了更明显的塌陷。
图4. MPF的体外抗菌特性。
【体外研究通过MPF调整成纤维细胞行为以促进无疤痕皮肤伤口愈合】
真皮组织中成纤维细胞的快速增殖在皮肤伤口愈合过程中起着重要作用;然而，成纤维细胞的不规则分布和拉伸会促进增生性疤痕的形成。因此，在有序状态下调节成纤维细胞的位置、方向和迁移对于防止细胞生长中断和进一步减少增殖性瘢痕形成至关重要。作者发现，MPF能够在从几个方面调整细胞行为。分别促进成纤维细胞迁移、定向排列和增殖，并抑制了该细胞过度激活。研究表明，MPF0.1通过增强细胞粘附和蛋白质-细胞骨架相互作用在指导细胞定向中发挥重要作用。并且cGMP在NO介导的纤维化控制中起关键作用。
图5. MPF指导HDFs细胞对齐和增殖。
图6. MPF0.1抑制成纤维细胞分化。
【GMPF0.1对全期皮肤伤口愈合和无疤痕组织再生的体内评价】
在小鼠背部全程伤口的感染模型中，作者表明GMPF0.1+NIR组能够清除伤口表面细菌，并在7天内使小鼠皮肤闭合率达到82%。从组织病理学分析中，作者观察到对照组伤口的肥大特征，表现为表皮和真皮层的病理增厚，GelMA组胶原蛋白的排列更加密集和平行，这与纤维化的主要特征一致。相比之下，GMPF0.1+NIR组显示表皮变薄，胶原纤维（蓝色）显着减少，I/III型胶原蛋白比例约为1.66，非常接近正常皮肤值，远小于对照组的2.40。上述证据表明该敷料能减弱疤痕的形成。
图7. GMPF0.1治疗“愈合不足”和“过度愈合”伤口。
【GMPF0.1敷料皮下附属物的再生】
与伤口愈合不同，组织再生具有更严格的评估要求，以期获得类似于自然真皮组织结构的更新皮肤。作者表明GMPF0.1敷料促进了再生组织的血管和毛囊生成。他们在第12天和第18天检查了小鼠皮肤中的毛囊Wnt活性，发现GMPF0.1处理的小鼠在第12天具有高Wnt/β-catenin信号，在第18天信号传导减弱。相比之下，GelMA 组小鼠在第12天没有高Wnt表达，但在第18天有更强的Wnt/β-catenin信号转导。而慢性典型Wnt活性会导致纤维化，而短暂的真皮和表皮Wnt活性是头发再生所必需的。因此，作者证明了GMPF0.1诱导的瞬时Wnt活性可以促进组织和毛囊再生，并不会引起伤口的炎症反应。
图8. GMPF0.1促进再生组织的功能恢复并减少炎症反应。
【小结】
该研究开创性地揭示了磁场诱导纳米颗粒-蛋白质自组装的生物医学应用，填补了相关空白。通过生物大分子与磁性纳米颗粒的协同组装，提升了体系的稳定性，并实现了组分的按需定制。该方法超越了传统修复策略，从细胞-基质互作的新视角探索皮肤修复，为基础研究注入新活力。此外，该敷料展现出潜在的转化应用前景，有望成为缩短伤口愈合周期、减轻患者负担的有效治疗手段。
在该项研究中，同济大学医学院生物医学工程专业2022级硕士研究生何宸龙为第一作者，通讯作者为同济大学医学院王祎龙研究员。研究得到了同济大学附属东方医院张林研究员及羽晓瑜博士的参与和支持。本研究工作获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金以及同济大学附属东方医院等项目的资助。