美国塔夫茨大学David L. Kaplan和美国陆军外科研究所Kristo Nuutila团队针对烧伤治疗的难题，开发了一种便携式喷雾系统。该系统可瞬间将含有治疗剂的保护性水凝胶涂层应用于大小和形状各异的伤口，其喷雾水凝胶涂层模仿天然丝绸纺丝过程，形成自支撑、类似蜘蛛网的交织结构，支持组织粘附、细胞活性和血管再生。通过猪烧伤模型测试，证明该丝绸基喷雾涂层与抗生素联合使用时，显著加速了深二度烧伤的愈合，展现了快速有效的紧急医疗应用潜力。该文章于2025年02月01日以《On-Demand Silk Protein-Based Spray for Acute Burn Wound Management》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202422888）。

受天然蚕丝纺丝过程启发而设计的即时喷涂水凝胶涂层的示意图

（1）PEG对丝绸结构的影响

分子动力学（MD）模拟研究丝蛋白在聚乙二醇（PEG）存在下的构象转变机制，构建了仅含丝蛋白（丝蛋白在水环境）和含丝蛋白与PEG（丝蛋白/PEG）两种模型。100 ns MD模拟显示，两个模型的丝蛋白结构在模拟20 ns后趋于稳定，丝蛋白/PEG模型中PEG逐渐与蛋白结合，20 ns后达平衡状态（图1A、B）。丝蛋白/PEG的回转半径（Rg）、均方根偏差（RMSD）和溶剂可及表面面积（SASA）值低于丝蛋白在水环境中的值（图1C、D），丝蛋白/PEG的氢键数量在100 ns模拟期间保持稳定且始终高于丝蛋白在水环境中的氢键数（图1E），其链间能量在模拟期间逐渐降低，65 - 100 ns期间达到相对稳定状态（图1F），表明其结构更紧凑、稳定性更高，且丝蛋白和PEG之间存在优先相互作用。引入PEG后，丝蛋白中β - 折叠和转角的比例增加，而线团比例降低（图1G）。实验中的傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了PEG诱导的β - 折叠转变趋势，在喷射的丝蛋白/PEG涂层中，出现从1645 cm⁻¹到1627 cm⁻¹的显著红移，同时β - 折叠含量显著增加，表明结构从以无定形为主的状态转变为β - 折叠结构（丝蛋白II）（图1H）。

图1 丝结构的构象转变。（a）丝在水中的结构波动；（b）丝/PEG在超过100 ns的MD模拟期间的结构波动；（c）Rg；（d）RMSD；（e）在丝绸和丝绸/PEG体系中100 ns模拟过程中氢键数目的波动；（f）100ns模拟水合环境下丝与PEG的相互作用能；（g）蚕丝和蚕丝/PEG体系中二级结构比例的变化；（h）真丝溶液和喷涂真丝/PEG水凝胶涂层的FTIR光谱

（2）真丝喷涂涂料的内部纤维网络结构和机械性能

研究评估了由6%（wt）丝素蛋白溶液和20%（wt）聚乙二醇（PEG）溶液组成的喷射丝素蛋白/PEG水凝胶涂层的流变性质。储能模量（G’）始终大于损耗模量（G’’），表明喷射过程形成了稳定的水凝胶（图2A、B）。粘度随剪切率增加而降低，证实了丝素蛋白/PEG水凝胶涂层的剪切变稀和可喷射特性（图2C）。喷射的丝素蛋白/PEG水凝胶涂层可粘附于猪皮，无需额外后处理促进组织相互作用（图2D i）。该自支撑水凝胶涂层由交织纤维束组成，光学显微镜（图2D ii）和扫描电子显微镜（SEM）（图2D iii, iv）进一步观察了其结构，单个杆状纤维直径在微米范围内，表面光滑，沿纤维轴排列着纳米纤维束（图2D iv）。丝素蛋白/PEG水凝胶涂层与猪皮之间的剪切强度和界面韧性分别约为43.3 kPa和201.4 J/m²（图2E）。数值建模中，使用剪切变稀流体作为模拟的混合前体溶液，流体被排出时施加的压力逐渐降低（图2F）。混合流体从单独通道合并后，在混合通道内遇到更大的壁面剪切力（图2G）。最后阶段，流体通过混合通道时流速加快，导致流体预取向和拉伸，使流体组装成具有层次和排列结构的纤维束（图2H）。

（3）含有庆大霉素的真丝喷涂涂料的体外抗菌活性

为评估丝素蛋白基喷射水凝胶涂层作为药物递送系统的潜力，制备了丝素蛋白/PEG（SP）和含庆大霉素的丝素蛋白/PEG涂层（SPG）。SPG涂层对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）显示出显著的抗菌活性，与SP对照组相比，SPG涂层在与S. aureus和E. coli孵育24小时后，S. aureus的LB琼脂平板上未见菌落形成单位（CFUs），E. coli的CFUs显著减少（图2I，左中图）。SPG覆盖区域周围观察到显著的抑制区，证实庆大霉素有效释放和扩散（图2I右侧图）。SPG对S. aureus和E. coli的抗菌效果分别达到99.3%和97.3%（图2J）。在37°C的PBS溶液中，SPG涂层在前24小时内释放了约46%的庆大霉素，表明其释放迅速高效（图2K）。

图2 丝基喷涂涂层水凝胶的机械性能、形态、结构形成和抗菌效果。（a）振幅扫描范围为0.1%至1000%应变；（b）频率扫描范围为0.1至10 rad s⁻¹；（c）粘度随剪切速率的变化；（d）（i）粘附在猪皮上的即时丝/PEG喷雾水凝胶涂层的数码照片，（ii）放大光学显微镜图像，（iii）丝/PEG喷涂水凝胶涂层的SEM图像，（iv）放大后的SEM图像；（e）喷雾态蚕丝/PEG水凝胶涂层在湿猪皮上的粘附性能；（f）压力梯度；（g）剪切速率梯度；（h）速度梯度；（i）抑菌圈；（j）对应的抑菌率；（k）96 h内SPG涂层中庆大霉素的累积释放量

（4）体外细胞增殖、迁移和血管生成 

含血管内皮生长因子（VEGF）的丝素蛋白喷雾涂层（SPV）及含庆大霉素和VEGF的喷雾涂层（SPGV）能显著促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）迁移。培养基、喷射SP、SPV及SPGV涂层处理的细胞层24小时内几乎完全愈合（图3Ai）。体外伤口闭合率显示，SPV和SPGV涂层处理的HUVECs在4小时内伤口闭合率超50%（图3B），表明涂层中VEGF保持生物活性且有效促进细胞迁移。荧光成像评估HUVEC-GFP细胞活性，48小时后不同喷雾涂层处理的细胞无细胞毒性且生物相容性良好（图3Aii）。AlamarBlue测定法评估21天培养期内细胞活力，第7天前各组荧光强度增加，细胞活跃增殖，整个21天期间持续监测代谢活性，暴露于涂层的HUVECs活力与对照组相当（图3C），证实丝素蛋白喷雾涂层长时间内保持高生物相容性。免疫荧光染色CD31显示，与SP和SPG喷雾涂层共培养的细胞在形态和CD31表达水平上与标准培养基中的对照组相似（图3D）。

图3 丝基涂层喷涂水凝胶对细胞增殖、迁移和血管生成的体外评估。A)各组HUVECs迁移图像；B)定量迁移比；Aii)HUVEC-GFP细胞经培养基、SP、SPG、SPV和SPGV培养48 h后的荧光图像；C)不同处理HUVECs 21天内的细胞增殖试验；D)第7天HUVECs CD31染色免疫荧光图像，观察各处理HUVECs血管生成分化能力

（5）烧伤创面深度评价及细胞因子表达

烧伤由凝固区、瘀滞区和充血区构成，其会随时间进展，内层凝固区为不可逆坏死组织，外层瘀滞区和充血区可通过有效治疗挽救，若烧伤进展，凝固区可能扩大，使浅度烧伤转为深度烧伤。组织病理学分析显示，治疗后第3天及第7天，无治疗组烧伤深度分别为1105.06μm、1207.03μm，SP组分别为845.88μm、1010.96μm，SSD组分别为813.66μm、997.07μm，SPG组分别为503.38μm、583.77μm，SPG组烧伤深度在这两天均显著低于其他组（图4B、C），表明SPG喷雾疗法能有效抑制烧伤进展。检测烧伤后第3、7、14天白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-8（IL-8）表达水平（4图D、E），以深入探究烧伤组织炎症状态。

图4 猪烧伤深度评估及炎症细胞因子分析。A)猪烧伤创面形成示意图及治疗时间表；B)创面组织的MTS；C)治疗后第3、7天烧伤深度定量分析；D)不同处理后第3、7、14天各组组织中IL-1β的变化；E)不同处理后第3、7、14天各组组织中IL-8的变化

（6）创面愈合和质量评估

治疗后0、3、7、14和21天使用2D/3D成像相机进行宏观评估。21天后，所有伤口均有初始损伤的可见迹象，无治疗组红肿最明显（图5A），而SPG治疗的伤口在第14天显著恢复，第21天伤口表面更平滑，接近正常完整皮肤（图5B）。烧伤伤口经H&E染色和MTS分析显示，SPG治疗的伤口随时间形成活性肉芽组织并再生上皮（图5C），表明烧伤通过组织再生遵循正常愈合过程。组织学分析评估再上皮化和伤口体积减少情况，SP、SSD和SPG治疗的伤口在烧伤后第21天几乎完全再上皮化，SPG治疗显著加速前14天内的再上皮化进程（图5D），且SPG、SP和SSD组伤口体积显著小于无治疗组（图5E）。烧伤后第21天，SPG治疗的伤口表皮厚度（395.1微米）和皮肤脊（1.23毫米）最高，接近正常完整组织数值（表皮厚度：401.5微米；皮肤脊：1.29毫米）（图5F、G）。第21天评估伤口收缩和隆起情况，SPG治疗的伤口收缩、隆起和红斑显著减少，毛囊密度高于未治疗的伤口（图5H、I）。

图5 烧伤模型的创面愈合和质量评估。A,B)21天内不同治疗方法下烧伤创面的宏观评价摄影；C)第14、21天伤口组织的MTS图像及定量分析；D)第7、14、21天各治疗组的再上皮化定量分析；E)第7、14、21天各治疗组的创面体积定量分析；F)第21天各处理的表皮厚度定量分析；G)第21天各处理的皮肤脊定量分析；H)第21天各处理的收缩率定量分析；I)第21天各处理的创面组织抬高定量分析