许多致伤因素，包括手术、烧伤、慢性溃疡等，经常会损伤皮肤，造成皮肤创面 ^{［ 1］} ，严重影响人们的身心健康，还给个人与家庭造成了一定的经济负担 ^{［ 2］} 。正常的创面愈合是一个复杂的动态过程，涉及多种细胞及细胞因子的相互作用 ^{［ 3］} 。目前，临床上对于全层皮肤损伤的治疗，通常采用自体皮肤移植填充缺损组织的技术 ^{［ 4］} ；但对于大面积皮肤损伤的患者而言，缺乏可供移植的自体皮肤组织，以及自体皮肤移植可能导致的二次损伤和感染，均会限制这种治疗策略的应用 ^{［ 5］} 。此外，大面积皮肤创面愈合后产生的增生性瘢痕也会影响患者皮肤的外观及功能。因此，用于创面修复的生物材料，不仅需要具有良好的生物相容性，同时也应具备抑制瘢痕生成的能力 ^{［ 6］} 。本文主要介绍一类含有序微纳米结构的生物材料，并综述这类生物材料在创面愈合过程中的作用，为临床上设计更适合创面修复的生物材料提供参考。

1.   瘢痕的形成与创面敷料的设计

皮肤损伤后，皮肤中的细胞和ECM结构的无序排列可能导致愈合缓慢或增生性瘢痕的形成 ^{［ 7］} 。瘢痕是创面愈合的产物。由于瘢痕组织中胶原纤维和Fb异常丰富，瘢痕组织表现出挛缩和增生的特点。Fb的异常增殖和分化促使ECM的过度且无序沉积 ^{［ 8］} 。胶原蛋白是ECM的主要成分之一，部分类型的胶原蛋白先组合成有序多聚体——胶原蛋白纤丝，再进一步组装成胶原纤维。在正常皮肤组织中，胶原纤维以交错的形式有序排列，呈网篮编织状；而在瘢痕组织中，胶原纤维则无序且致密地排列 ^{［ 9, 10］} 。因此，有序地促进皮肤创面的Fb增殖和ECM沉积或许能有效减少瘢痕的形成。

各种类型的创面敷料已被广泛应用于日常生活和医疗领域，以保护创面防止细菌感染，其中含有序微纳米结构的生物材料因可模拟皮肤中胶原纤维有序排列的结构，而被广泛应用于生物医学领域的研究中。根据生物材料表面的结构，可将其区分为有序结构生物材料和非有序结构生物材料。有序结构主要是指可制备成生物材料的基质在外力作用下沿力的方向有序排列的结构 ^{［ 11］} 。除了可通过外力作用制备含有序结构的生物材料之外，还可通过三维打印技术、翻模等方式获得该类生物材料。生物材料表面有序的纹理可以精确操纵细胞排列或蛋白质吸附 ^{［ 12］} 。有报道称，生物材料表面具有的微纳米结构对细胞施加的接触引导作用可诱导成人真皮Fb形态改变，并促使与细胞迁移相关的肌动蛋白和肌球蛋白收缩，促进细胞沿生物材料表面微结构定向迁移 ^{［ 13］} 。因此，为了促进创面愈合与减少瘢痕形成，应当选择具有合适微纳米结构的生物材料作为创面敷料。

2.   含有序微纳米结构生物材料的种类与制备

含有序微纳米结构的生物材料种类繁多，其制备方式也各不相同。目前，主要通过以下几种方法制备含有序微纳米结构的生物材料：静电纺丝技术、三维打印、自组装以及溶剂灌注等。本文主要探讨目前较常见的有序微纳米结构：纳米纤维结构 ^{［ 14］} 、多孔反蛋白石结构 ^{［ 15, 16］} 、沟槽结构 ^{［ 17］} 等。

2.1   含有序纳米纤维结构的生物材料

理想的创面敷料应尽可能地调动机体细胞参与组织修复，并模拟皮肤组织内胶原纤维有序排列的网状结构，促使细胞顺应结构有序生长和增殖，从而促进创面愈合。电纺丝纤维是近年来研究较多的一种材料，其纤维的形态与尺寸特征与皮肤中胶原纤维相似。通过将聚合物前体溶液在强电场中进行喷射纺丝制备出的电纺丝薄膜的表面纤维通常是呈无序随意分布的，而采用滚筒法、平行板电极法、磁场法等方法，可制备纳米纤维有序排列并尽可能模仿皮肤中胶原纤维结构的纳米纤维材料。滚筒法是将静电纺丝机的接收装置用高速（1 000 r/min）旋转的滚筒替代，从而得到具有单轴对齐的纤维结构的；但当滚筒转速低于500 r/min时，收集到的静电纺丝膜表面的纤维结构仍是无序杂乱排列的 ^{［ 18］} 。平行板电极法是将绝缘的收集器垂直放置在2块平行电极板之间，以获得有序排列的纳米纤维的方法，一般只能在小范围内获得有序分布的纳米纤维，效率较低 ^{［ 19］} 。磁场法在平行板电极法的基础上加以改进，在静电纺丝接收装置上增加2块平行的磁极，加强了静电纺丝的空间有序排列，但该方法只适合磁性纳米纤维的制备。

2.2   含有序多孔反蛋白石结构的生物材料

虽然目前的技术能够制造许多类型的多孔支架，但其孔洞大小和结构并不受控制，极大限制了这些支架在组织再生中的应用。自由组装的光子晶体所形成的模板具有典型的周期排列结构，以光子晶体为模板反向复制的含反蛋白石结构的生物材料也因此具备均一的孔洞结构，其孔洞尺寸在纳米和微米之间 ^{［ 20］} 。反蛋白石结构的生物材料的制备方法分为简单的2步：首先，用高分子材料的前体溶液浸润自由组装的光子晶体间隙，待挥发性溶剂挥发完全后得到包载自组装光子晶体的生物材料；接下来，通过溶解法或煅烧法除去模板光子晶体，得到具有均一孔洞的多孔支架。为了使多孔反蛋白石支架的孔洞具有方向性，可以将支架中的孔沿特定轴拉伸。通过光子晶体制备的反蛋白石薄膜经拉伸后，即形成孔洞沿拉伸方向有序排列的反蛋白石薄膜 ^{［ 15］} 。

2.3   含沟槽结构的生物材料

制备微纳米级的沟槽结构方法简单，对于沟槽间距≥1 000 nm的纳米级生物材料，可通过模具灌注法直接制备；而对于沟槽间距<1 000 nm的纳米级生物材料，最好使用光刻法和紫外线辅助制备，其中光刻法适用于制备含细微结构的生物材料 ^{［ 21］} 。在实际的研究中，可根据各种胶原纤维在人体内的分布和排列情况，设计不同尺寸的沟槽间距，研究生物材料表面形貌对细胞的影响。

3.   有序微纳米结构调控创面愈合

3.1   有序微纳米结构模拟皮肤中胶原纤维结构

用于创面修复的含有序微纳米结构的生物材料可模拟皮肤中胶原纤维结构，诱导组织有序再生，为促进创面愈合提供结构上的支持。普通纳米纤维材料具有止血、维持创面湿润性、吸收创面渗出液等优点，而含有序纳米纤维结构的生物材料在结构上更接近皮肤组织内胶原纤维的网状交织结构。此外，含有序纳米纤维结构的生物材料除了表面的结构与皮肤中胶原纤维结构相似，其机械性能也与皮肤ECM具有显著的相似性，因此可被视为理想的创面敷料 ^{［ 22, 23］} 。多孔反蛋白石结构在形态上并不像胶原纤维一样细长，但拉伸后的反蛋白石薄膜表面形态能模拟皮肤组织中交错排列的胶原纤维。沟槽由多个均一且相互平行的凸起和凹下的结构组成。结缔组织内含有丰富的ECM，结缔组织通常由彼此平行的微纳米胶原纤维组成。具有沟槽结构的生物材料在结构和形态上十分接近结缔组织内彼此平行的胶原纤维 ^{［ 21］} 。此外，有学者研究了合成ECM支架表面的沟槽间距对小鼠胚胎Fb迁移速率的影响，结果显示，与含间距比为1∶5沟槽的水凝胶贴片相比，细胞在含间距比为1∶2沟槽的水凝胶贴片上的迁移速率更高 ^{［ 24］} 。而胶原纤维在皮肤中也是以1∶2的束间距排列的，故尽可能模拟皮肤中胶原纤维的结构或许能加快细胞的迁移。

3.2   有序微纳米结构影响创面修复过程

炎症对创面愈合的作用至关重要。一项研究显示，含脂肪来源的间充质干细胞和ECM成分的仿生同轴支架，不仅能模拟纤维蛋白原与Ⅰ型胶原蛋白在创面组织中的有序排列，还能促进间充质细胞发挥免疫调节功能，调节糖尿病大鼠创面的炎症，促进慢性创面的修复 ^{［ 25］} 。在一项针对具有微纳米表面结构的生物材料影响炎症反应的研究中，受沿血流方向排列的内皮细胞在血管壁中调节炎症反应的启发，研究者设计了一种表面具有沟槽结构的纳米纤维生物材料，这是结合了沟槽结构和纳米纤维结构的复合材料。该材料表面的微纳米结构模仿了内皮细胞在血管中有序的排列方式，以此模拟有序排列的内皮层结构。体外实验研究结果显示，这种有序排列的工程化内皮层比随机排列的纳米纤维更能有效引发人脐静脉内皮细胞的抗炎反应 ^{［ 26］} 。巨噬细胞也是参与炎症反应的重要角色，有研究者将含纳米沟槽结构的生物材料植入健康小鼠体内，观察到该材料可上调小鼠体内巨噬细胞产生的IL-1β和TNF-α ^{［ 27］} 。然而含不同沟槽间距的生物材料能促进不同细胞因子的分泌。在一项体外实验中，小鼠巨噬细胞分泌的促炎因子IL-1β的表达仅在150~300 nm的沟槽间距的生物材料上发生上调，而相较于表面光滑的生物材料，TNF-α的表达在含间距为150~1 000 nm沟槽的生物材料上均有明显上调 ^{［ 27］} 。为了进一步研究生物材料表面形貌对巨噬细胞功能的影响，有学者制备了微纳米级沟槽结构的生物材料，研究显示小鼠巨噬细胞的抗炎/促炎表型与细胞在沟槽表面的伸长率有关。在<200 nm或>10 μm的沟槽间距上，细胞伸长较少，巨噬细胞趋向促炎表型。而在400 nm~5 μm范围内，随沟槽间距的增加，细胞伸长率明显增加，抗炎标志物精氨酸酶1表达也越多，巨噬细胞则趋向抗炎表型 ^{［ 28］} 。总而言之，当沟槽间距较小（<300 nm）时，巨噬细胞中炎症因子的表达上调；沟槽间距相对较大（400 nm~5 μm）时，巨噬细胞则呈现出抗炎表型；当沟槽间距>10 μm时，巨噬细胞又呈现出促炎表型。除含沟槽结构的生物材料能影响免疫反应外，有研究者通过三维打印技术制备具有亚微米柱结构的生物材料后观察到，在亚微米柱高度为1 000 nm、间距为700 nm时，这种结构可以调节小鼠巨噬细胞由M1表型向M2表型极化。值得注意的是，他们比较了不同高度的亚微米柱对经LPS和γ干扰素刺激小鼠巨噬细胞M1表型的影响，结果观察到柱子越高，巨噬细胞由M1表型向M2表型转变越快。这可能是因为，具有亚微米柱结构的材料亲水性更好，材料表面亲水性通过介导纤维连接蛋白和纤维蛋白原蛋白的吸附，诱导巨噬细胞的极化趋向抗炎反应发展 ^{［ 29］} 。

以上结果表明，含有序微纳米结构的生物材料可以调节机体免疫反应，影响巨噬细胞向抗炎/促炎表型极化；此外，还可以通过调节材料表面微观结构，如沟槽间距、亚微米柱高度等来影响巨噬细胞形态和抗炎/促炎因子表达，减轻炎症期的炎症反应，促进创面愈合。

血管新生发生在创面愈合的增生期。干细胞分泌的生长因子促进肉芽组织生成，这些新生的肉芽组织会成为新生血管的基底 ^{［ 30, 31］} 。新生的血管为新生肉芽组织提供营养和氧气，并允许免疫细胞进入创面部位。因此，尽早恢复创面的血供，避免创面缺血缺氧导致的损伤持续加重是必要的。将静电纺丝与软光刻技术结合制备的纳米纤维支架，是在沟槽结构上覆盖了一层有序的纳米纤维的复合材料。该材料诱导人脐静脉内皮细胞均匀有序排列的同时，还促进了细胞的伸长，有望用于工程化血管的再生 ^{［ 32］} 。在另一项复合材料的研究中，有学者将一种包载了磁性纳米颗粒的含沟槽水凝胶贴片用于递送细胞，受水凝胶表面微结构的影响，接种在水凝胶贴片上的小鼠内皮祖细胞形态和行为均发生了改变，在细胞沿沟槽方向伸长的同时，细胞与细胞之间的排列变得有序，如同天然组织。将该水凝胶贴片应用于小鼠全层皮肤缺损创面后，水凝胶贴片上的细胞在创面有序迁移并刺激生长因子的分泌，促进血管新生，在磁极的控制下，促进创面的愈合 ^{［ 33］} 。由丝素蛋白制备成的纳米纤维经冻干后形成具有孔洞结构的有序纳米纤维，这种材料可促进大鼠全层皮肤缺损创面的细胞迁移，并加速血管新生 ^{［ 34］} 。由此可见，含有序微纳米结构的生物材料可通过诱导内皮细胞有序排列来改善血管化水平，促进血管新生。

当创面愈合进入重塑期时，初始基质组织与Fb之间的相互作用促使ECM结构发生改变。此外有研究表明，胶原纤维的局部排列还会影响Fb的迁移方向，皮肤中胶原纤维的直径也会影响创面的愈合程度 ^{［ 35, 36］} 。因此，设计具有定向排列和合适尺度的微纳米结构的生物材料有望促进创面愈合。

3.3   有序微纳米结构促进创面愈合的分子机制

目前，大多数研究都局限于有序微纳米结构对细胞、血管、组织等的影响，有关生物材料表面具有的微纳米结构影响创面愈合的分子机制仍待进一步研究。沟槽结构已被证实可以调节多种细胞的黏附和黏附信号的转导，包括调节整合素的表达和局灶性黏附激酶磷酸化的水平。在早期的研究中，含有序微纳米结构的生物材料常被用于治疗骨损伤。在兔耳软骨损伤模型中，植入的定向胶原纤维支架与软骨损伤部位贴合良好，能激活胞内磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B/应激活化蛋白激酶信号通路，也可显著上调Wnt5a通路中的PI3K信号，促进组织再生和胶原纤维的有序沉积 ^{［ 37］} 。

在诱导细胞分化方面，有序排列的电纺丝纳米纤维主要通过上调平滑肌肌动蛋白和胶原蛋白（Ⅰ型和Ⅲ型）的表达从而诱导人真皮Fb向肌Fb分化，而肌Fb则在创面愈合的早期和中期提供收缩力来促进创面修复 ^{［ 38］} 。

4.   总结与展望

目前用于创面修复的敷料具备止血、保湿、吸收创面渗出液等功能，但想要使创面良好愈合并恢复组织功能，还需进一步地研究相关敷料的性能。模仿生物组织微观结构，提供相似的ECM环境，在医用生物材料表面赋予适宜组织再生的有序结构，对创面敷料的改进具有潜在意义。从形态上讲，有序的纳米纤维的形态和尺寸更接近皮肤中胶原纤维，因此更利于Fb的迁移。基于反蛋白石结构制备的医用材料因具有孔洞结构，更利于细胞浸润与增殖，此外，反蛋白石薄膜表面的孔洞结构也适于负载生物活性物质，因此更适合作为植入物用于组织修复与再生。生物材料表面有序的微结构主要通过诱导细胞定向迁移、调节细胞分化、影响胶原纤维排列方式，促进创面愈合。在免疫调节方面，表面具有沟槽结构的生物材料可以通过不同的沟槽间距促进巨噬细胞的形态发生改变，调节免疫反应。在促血管新生方面，根据内皮细胞沿血管流动方向有序排列的特性，可以设计具有平行微结构的生物材料来促进血管新生。在创面修复的重塑期，Fb的迁移与胶原蛋白的分泌构成了该时期创面愈合的主要过程。生物材料表面的结构特征，例如沟槽间距、亚微米柱长短、纤维直径等，都直接影响了ECM的重塑、胶原纤维的排列方式和创面的愈合程度。然而，除了胶原纤维的排列方式对瘢痕增生的影响之外，越来越多的研究表明创面愈合后的瘢痕形成与创面愈合过程中受到的机械力有关。在创面敷料的开发过程中，不应该仅关注生物材料表面结构，还应当结合机械力学，包括材料软硬度、挤压力等方面的作用，不断改进用于创面修复的生物材料的实用性。