唐本忠院士团队研发聚集诱导发光纳米纤维敷料，两分钟内完全包裹大鼠皮肤伤口，具备良...
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麻省理工科技评论-唐本忠院士团队研发聚集诱导发光纳米纤维敷料，两分钟内完全包裹大鼠皮肤伤口，具备良好光动力抗菌治疗效果
AIE，中文名为聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission），由中科院院士、香港科技大学化学系唐本忠教授（现工作单位为香港中文大学（深圳））最早提出，他也因此被誉为“AIE 之父”。在 2022 年 Research.com 发布最新的全球顶尖科学家排名中，唐本忠院士被评为世界第十、中国第一的化学家。
据报道，作为中国级别最高的科技奖励大会，自然科学一等奖的颁发自 2000 年以来已出现 9 次空缺，可见获得该奖项之难度。2017 年，唐本忠院士领衔的 AIE 团队被授予了国家自然科学一等奖。AIE 的提出，也让人们对发光材料的传统认知得以突破，并被国际科学界认为是支撑未来纳米光学革命的四大纳米材料之一。
目前在香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授并在生命与健康科学学院担任兼职助理教授的赵征，其博后导师正是唐院士。在最近的一篇论文中，这对“昔日师徒”再度展开合作。
赵征表示：“论文发表后，得到了临床医生的广泛关注。未来我们计划深度联合相关医院，对该类基于 AIE 光敏剂的伤口敷料的生物毒性和临床应用开展评估，推动其在伤口修复与护理、癌症治疗和个性化治疗等领域的实际应用。”
审稿人也认为，该工作有着广泛的临床转化应用前景，具有良好光动力治疗效果的 AIE 纳米纤维敷料，不仅适用于伤口感染治疗，在烧烫伤和术后伤口修复等方面也有很好的使用价值。
近日，相关论文以《原位静电纺丝聚集诱导发光纳米纤维敷料用于加速伤口愈合》（In Situ Electrospinning of Aggregation-Induced Emission Nanofibrous Dressing for Wound Healing）为题，发表在 Small Methods 上。
具备良好光动力治疗效果的 AIE 纳米纤维敷料
该研究的背景和意义可以从基础和应用两方面考虑。从基础研究的层面理解，这项研究的大背景是基于唐本忠院士提出的聚集体科学的概念和研究哲学。关于聚集体科学，唐本忠院士已在不同的场合对聚集体的定义、研究范围和聚集体科学蕴含的哲学思想做过解读。
聚集体科学也是由唐本忠院士搭建的一个新的研究平台，阐述了一种不同于分子科学的研究方法论，是对研究方法论的创新。赵征团队也发表过一系列综述和观点性论文，对聚集体科学的概念和其研究思想的应用进行过讨论。
总体而言，聚集体科学（或聚集体学）的研究对象是单个实体以上的在各种作用相互影响下的受限复杂系统，而非只关注孤立的个体（分子）本身。聚集体不改变分子的自身属性，只需通过改变分子所处微环境和在受限条件下的相互作用便可显示出丰富多样的性质和多姿多彩的功能。
“我们所发展的这一类抗菌敷料实际上所使用的核心材料是一种聚集体光敏剂分子，其特点就是分子在聚集状态下表现出比单分散溶液状态下更高的活性氧产生效率。这一类材料正是在聚集态科学思想指导下的一个研究实例。”赵征说。
从实际应用的层面考虑，该研究也确实有助于解决一些实际问题。比如，手术、意外事故、战场中都不可避免会使人遭遇身体的创伤。如果得不到有效的防护，伤者或者病人不但要遭受伤口愈合困难带来的痛苦，而且极有可能由于细菌引发的感染而面临生命危险。
在伤口愈合治疗的过程中，细菌感染是阻碍伤口修复和愈合进程的主要因素，而由于抗生素滥用引发的多重耐药细菌的流行和传播，使得传统抗菌药物难以对多重耐药细菌造成有效杀伤，对伤口愈合构成威胁。
此外，对于战场/交通事故创伤、烧烫伤和术后创伤等特殊条件下的创伤修复，传统的伤口敷料无法实现有效的伤口感染预防，极易造成二次伤口感染和组织损伤。
而光动力治疗是一种利用可见光激活光敏剂产生活性氧、去杀灭病原微生物的治疗方法，具有无创、高效和精准可控的独特优势，成为近年来医学研究领域备受青睐的治疗策略。将光敏剂材料与伤口敷料结合所制备的光动力抗菌敷料，可以辅助解决传统伤口敷料所面临的细菌感染风险，进而大大拓展其应用场景。
然而，传统的光敏剂例如卟啉、酞菁衍生物等大都是平面堆积结构，在类似水相体系的生理环境中很容易聚集，导致活性氧的产生效率大大降低，进而导致光动力治疗效果不如预期。这个问题实际上限制了光敏剂分子在抗菌伤口敷料中的应用。
针对这些问题，该团队发展了聚集态下具有高效活性氧产生的聚集体光敏剂，为当前的光动力治疗方案提供了新的机遇，拓宽了光动力治疗策略的应用范围。如同唐本忠院士原创的聚集诱导发光材料一样，聚集体光敏剂也正在成长为聚集体科学框架中一类重要的材料，有望发挥更多作用。
而本次工作正是在聚集体科学的基础上，从分子设计的机理出发，设计了一类具有良好的聚集诱导光动力效应的光敏剂分子，以应用于耐药细菌的成像与治疗。基于静电纺丝技术，并利用纳米纤维材料作为 AIE 分子的药物支架，赵征等人制备出 AIE 纳米纤维敷料用于伤口感染治疗。
而针对特殊环境下的急救创伤救治，他们还设计了便携式静电纺丝装置，实现了 AIE 纳米纤维敷料的原位喷覆使用，借此显著提升急救创伤的治疗效果。与传统伤口敷料相比，搭载 AIE 分子的纳米纤维敷料，具有良好的抗菌性能和生物相容性，可以有效预防耐药细菌伤口感染和显著加快伤口愈合速度。
此外，原位电纺 AIE 纳米纤维可以根据伤口大小、形状调整纺丝角度和距离，实现伤口敷料的舒适性贴合，满足个性化治疗需求。
正在推进向临床转化
总的来讲，该课题大概可分为课题设计、光敏剂分子的合成、抗菌敷料的制备以及动物实验的验证几个阶段。
项目的立项可从现有未解决的科学问题或现实社会的需求两个方面出发。就本课题而言赵征觉得两方面因素都有。一方面我们确实需要发展新型具有抗菌功能的伤口敷料满足行业的需求；另一方面我们需要解决传统光敏剂分子在聚集态或者固态下活性氧产生效率降低的科学问题。
有了一个科学且有价值的出发点，接下来就是实验的设计与安排。在前期研究中，主要工作是对 AIE 分子发光机理和性能调控进行深入研究，并提出通过固态分子运动调控的策略、来对发光材料的激发态弛豫过程进行调控，从而实现其荧光、光热、光声、或者光动力等功能。
在此基础上，该团队开发出一系列具有良好光动力效果的 AIE 分子材料。事实上，本项工作也是在前期研究基础上的应用扩展，结合 AIE 材料与静电纺丝技术制备 AIE 纳米纤维，用于伤口敷料的应用研究。从最初的分子设计和性能测试，前后经历了半年时间，最终他们获得了高活性氧产生效率的 AIE 分子。
为了满足实际使用需求，课题组选择静电纺纳米纤维作为载体，通过掺杂 AIE 分子到静电纺丝纳米纤维中，实现 AIE 分子的缓慢释放，最终以伤口敷料作为使用场景。
赵征表示：“与传统纳米纤维敷料不同的是，我们从云南白药喷剂的使用方法得到启发，开发了一种便携式静电纺丝装置，可以实现纳米纤维敷料直接喷覆到伤口表面，具有操作灵活和便携式给药的特点。”
概括来说，每一个研究步骤都是在问题引导和驱动下，有逻辑有条理地进行。在模拟动物实验中，他们发现，可在 2 分钟内对直径 2 厘米的大鼠皮肤伤口完全包裹，并且不受伤口形状、大小和深度的影响，真正实现个性化治疗。
在验证 AIE 纳米纤维的治疗效果的实验中，通过大鼠伤口感染模型实验，可以明显观察到 AIE 纳米纤维敷料具有优异的抗耐药细菌治疗效果，伤口愈合速度明显快于传统医用纱布和未掺杂 AIE 的纳米纤维敷料。
具体来看，该成果可结合快速止血材料用于战场上的伤口处理，也可用于现实生活中的感染治疗，烧烫伤和术后伤口修复、糖尿病足的辅助治疗、体表溃疡面防感染以及癌症治疗等。
未来，一方面他们会开展 AIE 纳米纤维敷料临床转化的安全性评价、性能优化和技术改进，推进临床转化应用。另一方面，其还计划将静电纺丝技术与该团队所发展的新材料进行更多方面的结合，并联合医院针对临床中遇到的实际问题，利用此次发展的新材料的优势，并结合静电纺丝纳米纤维膜的特点，探索其在疾病病原微生物检测、疾病诊断和治疗等相关领域的应用。
巧妙结合 AIE 光敏剂和静电纺丝，做出光动力抗菌的伤口敷料
赵征认为，团队成员的集思广益与充分讨论对于课题的产生非常重要。他说：“每周一次的组会讨论，是我们课题组的优良传统。关于此我始终非常感激我的博后导师唐本忠院士。从他那里我学到组会讨论是一个提出问题、交流问题的极佳机会。唐院士本人很喜欢提问，也鼓励同学们提问。他在组会上经常说不要怕问题幼稚，就怕同学们不问。没有问题说明有可能你没有思考，也有可能没有跟上大家的思维。所以，我们在组会时，汇报工作的时间一般不超过半小时，但是提问和讨论可能要花 1-2 个小时。正是在这样的氛围下，我也养成了喜欢和同学们讨论问题的习惯。不管有事或者没事，我都喜欢随口问问同学们最近有没有什么进展或者反常的实验现象。而本课题的提出也源于和同学们的自由讨论。”
讨论之后，便是具体的执行环节。担任此次论文一作的董瑞华博士，来赵征课题组之前是做静电纺丝的，他擅长通过静电纺丝的方法纺出各种各样的纳米纤维膜。其最初想法是想把静电纺丝膜和 AIE 发光材料结合起来，但是还没想好这种发光纳米纤维膜的用途和优点。
考虑到他之前做过一些伤口辅料的工作，即将抗生素之类的药物通过静电纺丝制备成伤口辅料。于是该团队想到：可将 AIE 光敏剂与静电纺丝相结合做一种光动力抗菌的伤口敷料。
这个 idea 有两个创新点：首先，通过静电纺丝喷涂的方法制备伤口敷料操作简单，可根据实际情况下的个体差异的进行喷涂伤口敷料，减轻了传统敷料和伤口物理接触带来的痛感，而且具有光动力抗菌的效果；其次，由于伤口敷料本身是一种固态介质，需要能够在固态下具有较高活性氧产生效率的固态光敏剂，而 AIE 材料刚好有这种越聚集活性氧产生效率越高的特点。
而这一特点非常适合做固态伤口敷料。不但发挥了 AIE 材料的优势，也解决了传统光敏剂在聚集态下活性氧产生效率不高的问题。所以，课题组很快就确定了实验方案。
赵征最后表示：“由于董瑞华博士在制备静电纺丝纳米纤维膜上，有着丰富的经验，后续的 AIE 材料的设计和表征又是我们团队最擅长的事情。所以结合起来整个实验过程包括 AIE 光敏剂分子的制备、纳米纤维伤口敷料的制备、抗菌实验、动物实验等进展的都十分顺利，大概一年左右的时间就完成了课题研究和论文投稿。”
-End-
1、Dong, R., Li, Y., Chen, M., Xiao, P., Wu, Y., Zhou, K., ... & Tang, B. Z. (2022). In Situ Electrospinning of Aggregation‐Induced Emission Nanofibrous Dressing for Wound Healing. Small Methods, 2101247.
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