唐本忠院士團隊研發聚集誘導發光納米纖維敷料，兩分鐘內完全包裹大鼠皮膚傷口，具備良好光動力抗菌治療效果

AIE，中文名爲聚集誘導發光（Aggregation-Induced Emission），由中科院院士、香港科技大學化學系唐本忠教授（現工作單位爲香港中文大學（深圳））最早提出，他也因此被譽爲“AIE 之父”。在 2022 年 Research.com 發佈最新的全球頂尖科學家排名中，唐本忠院士被評爲世界第十、中國第一的化學家。

據報道，作爲中國級別最高的科技獎勵大會，自然科學一等獎的頒發自 2000 年以來已出現 9 次空缺，可見獲得該獎項之難度。2017 年，唐本忠院士領銜的 AIE 團隊被授予了國家自然科學一等獎。AIE 的提出，也讓人們對發光材料的傳統認知得以突破，並被國際科學界認爲是支撐未來納米光學革命的四大納米材料之一。

目前在香港中文大學（深圳）理工學院擔任助理教授並在生命與健康科學學院擔任兼職助理教授的，其博後導師正是唐院士。在最近的一篇論文中，這對“昔日師徒”再度展開合作。

圖 | （來源：趙徵）

表示：“論文發表後，得到了臨牀醫生的廣泛關注。未來我們計劃深度聯合相關醫院，對該類基於 AIE 光敏劑的傷口敷料的生物毒性和臨牀應用開展評估，推動其在傷口修復與護理、癌症治療和個性化治療等領域的實際應用。”

圖 | 唐本忠（來源：資料圖）

審稿人也認爲，該工作有着廣泛的臨牀轉化應用前景，具有良好光動力治療效果的 AIE 納米纖維敷料，不僅適用於傷口感染治療，在燒燙傷和術後傷口修復等方面也有很好的使用價值。

近日，相關論文以《原位靜電紡絲聚集誘導發光納米纖維敷料用於加速傷口癒合》（）爲題，發表在 Small Methods 上。

圖 | 相關論文（來源：Small Methods）

具備良好光動力治療效果的 AIE 納米纖維敷料

該研究的背景和意義可以從基礎和應用兩方面考慮。從基礎研究的層面理解，這項研究的大背景是基於唐本忠院士提出的聚集體科學的概念和研究哲學。關於聚集體科學，唐本忠院士已在不同的場合對聚集體的定義、研究範圍和聚集體科學蘊含的哲學思想做過解讀。

聚集體科學也是由唐本忠院士搭建的一個新的研究平臺，闡述了一種不同於分子科學的研究方法論，是對研究方法論的創新。趙徵團隊也發表過一系列綜述和觀點性論文，對聚集體科學的概念和其研究思想的應用進行過討論。

總體而言，聚集體科學（或聚集體學）的研究對象是單個實體以上的在各種作用相互影響下的受限複雜系統，而非只關注孤立的個體（分子）本身。聚集體不改變分子的自身屬性，只需通過改變分子所處微環境和在受限條件下的相互作用便可顯示出豐富多樣的性質和多姿多彩的功能。

“我們所發展的這一類抗菌敷料實際上所使用的核心材料是一種聚集體光敏劑分子，其特點就是分子在聚集狀態下表現出比單分散溶液狀態下更高的活性氧產生效率。這一類材料正是在聚集態科學思想指導下的一個研究實例。”趙徵說。

圖 | 原位電紡聚集誘導發光納米纖維抗菌敷料的示意圖（來源：Small Methods）

從實際應用的層面考慮，該研究也確實有助於解決一些實際問題。比如，手術、意外事故、戰場中都不可避免會使人遭遇身體的創傷。如果得不到有效的防護，傷者或者病人不但要遭受傷口癒合困難帶來的痛苦，而且極有可能由於細菌引發的感染而面臨生命危險。

在傷口癒合治療的過程中，細菌感染是阻礙傷口修復和癒合進程的主要因素，而由於抗生素濫用引發的多重耐藥細菌的流行和傳播，使得傳統抗菌藥物難以對多重耐藥細菌造成有效殺傷，對傷口癒合構成威脅。

此外，對於戰場/交通事故創傷、燒燙傷和術後創傷等特殊條件下的創傷修復，傳統的傷口敷料無法實現有效的傷口感染預防，極易造成二次傷口感染和組織損傷。

而光動力治療是一種利用可見光激活光敏劑產生活性氧、去殺滅病原微生物的治療方法，具有無創、高效和精準可控的獨特優勢，成爲近年來醫學研究領域備受青睞的治療策略。將光敏劑材料與傷口敷料結合所製備的光動力抗菌敷料，可以輔助解決傳統傷口敷料所面臨的細菌感染風險，進而大大拓展其應用場景。

然而，傳統的光敏劑例如卟啉、酞菁衍生物等大都是平面堆積結構，在類似水相體系的生理環境中很容易聚集，導致活性氧的產生效率大大降低，進而導致光動力治療效果不如預期。這個問題實際上限制了光敏劑分子在抗菌傷口敷料中的應用。

針對這些問題，該團隊發展了聚集態下具有高效活性氧產生的聚集體光敏劑，爲當前的光動力治療方案提供了新的機遇，拓寬了光動力治療策略的應用範圍。如同唐本忠院士原創的聚集誘導發光材料一樣，聚集體光敏劑也正在成長爲聚集體科學框架中一類重要的材料，有望發揮更多作用。

而本次工作正是在聚集體科學的基礎上，從分子設計的機理出發，設計了一類具有良好的聚集誘導光動力效應的光敏劑分子，以應用於耐藥細菌的成像與治療。基於靜電紡絲技術，並利用納米纖維材料作爲 AIE 分子的藥物支架，趙徵等人制備出 AIE 納米纖維敷料用於傷口感染治療。

而針對特殊環境下的急救創傷救治，他們還設計了便攜式靜電紡絲裝置，實現了 AIE 納米纖維敷料的原位噴覆使用，藉此顯著提升急救創傷的治療效果。與傳統傷口敷料相比，搭載 AIE 分子的納米纖維敷料，具有良好的抗菌性能和生物相容性，可以有效預防耐藥細菌傷口感染和顯著加快傷口癒合速度。

此外，原位電紡 AIE 納米纖維可以根據傷口大小、形狀調整紡絲角度和距離，實現傷口敷料的舒適性貼合，滿足個性化治療需求。

圖 | 納米纖維抗菌敷料治療大鼠皮膚傷口感染效果圖（來源：Small Methods）

正在推進向臨牀轉化

總的來講，該課題大概可分爲課題設計、光敏劑分子的合成、抗菌敷料的製備以及動物實驗的驗證幾個階段。

項目的立項可從現有未解決的科學問題或現實社會的需求兩個方面出發。就本課題而言趙徵覺得兩方面因素都有。一方面我們確實需要發展新型具有抗菌功能的傷口敷料滿足行業的需求；另一方面我們需要解決傳統光敏劑分子在聚集態或者固態下活性氧產生效率降低的科學問題。

有了一個科學且有價值的出發點，接下來就是實驗的設計與安排。在前期研究中，主要工作是對 AIE 分子發光機理和性能調控進行深入研究，並提出通過固態分子運動調控的策略、來對發光材料的激發態弛豫過程進行調控，從而實現其熒光、光熱、光聲、或者光動力等功能。

在此基礎上，該團隊開發出一系列具有良好光動力效果的 AIE 分子材料。事實上，本項工作也是在前期研究基礎上的應用擴展，結合 AIE 材料與靜電紡絲技術製備 AIE 納米纖維，用於傷口敷料的應用研究。從最初的分子設計和性能測試，前後經歷了半年時間，最終他們獲得了高活性氧產生效率的 AIE 分子。

爲了滿足實際使用需求，課題組選擇靜電紡納米纖維作爲載體，通過摻雜 AIE 分子到靜電紡絲納米纖維中，實現 AIE 分子的緩慢釋放，最終以傷口敷料作爲使用場景。

趙徵表示：“與傳統納米纖維敷料不同的是，我們從雲南白藥噴劑的使用方法得到啓發，開發了一種便攜式靜電紡絲裝置，可以實現納米纖維敷料直接噴覆到傷口表面，具有操作靈活和便攜式給藥的特點。”

概括來說，每一個研究步驟都是在問題引導和驅動下，有邏輯有條理地進行。在模擬動物實驗中，他們發現，可在 2 分鐘內對直徑 2 釐米的大鼠皮膚傷口完全包裹，並且不受傷口形狀、大小和深度的影響，真正實現個性化治療。

在驗證 AIE 納米纖維的治療效果的實驗中，通過大鼠傷口感染模型實驗，可以明顯觀察到 AIE 納米纖維敷料具有優異的抗耐藥細菌治療效果，傷口癒合速度明顯快於傳統醫用紗布和未摻雜 AIE 的納米纖維敷料。

具體來看，該成果可結合快速止血材料用於戰場上的傷口處理，也可用於現實生活中的感染治療，燒燙傷和術後傷口修復、糖尿病足的輔助治療、體表潰瘍面防感染以及癌症治療等。

未來，一方面他們會開展 AIE 納米纖維敷料臨牀轉化的安全性評價、性能優化和技術改進，推進臨牀轉化應用。另一方面，其還計劃將靜電紡絲技術與該團隊所發展的新材料進行更多方面的結合，並聯合醫院針對臨牀中遇到的實際問題，利用此次發展的新材料的優勢，並結合靜電紡絲納米纖維膜的特點，探索其在疾病病原微生物檢測、疾病診斷和治療等相關領域的應用。

巧妙結合 AIE 光敏劑和靜電紡絲，做出光動力抗菌的傷口敷料

趙徵認爲，團隊成員的集思廣益與充分討論對於課題的產生非常重要。他說：“每週一次的組會討論，是我們課題組的優良傳統。關於此我始終非常感激我的博後導師唐本忠院士。從他那裡我學到組會討論是一個提出問題、交流問題的極佳機會。唐院士本人很喜歡提問，也鼓勵同學們提問。他在組會上經常說不要怕問題幼稚，就怕同學們不問。沒有問題說明有可能你沒有思考，也有可能沒有跟上大家的思維。所以，我們在組會時，彙報工作的時間一般不超過半小時，但是提問和討論可能要花 1-2 個小時。正是在這樣的氛圍下，我也養成了喜歡和同學們討論問題的習慣。不管有事或者沒事，我都喜歡隨口問問同學們最近有沒有什麼進展或者反常的實驗現象。而本課題的提出也源於和同學們的自由討論。”

討論之後，便是具體的執行環節。擔任此次論文一作的董瑞華博士，來趙徵課題組之前是做靜電紡絲的，他擅長通過靜電紡絲的方法紡出各種各樣的納米纖維膜。其最初想法是想把靜電紡絲膜和 AIE 發光材料結合起來，但是還沒想好這種發光納米纖維膜的用途和優點。

考慮到他之前做過一些傷口輔料的工作，即將抗生素之類的藥物通過靜電紡絲製備成傷口輔料。於是該團隊想到：可將 AIE 光敏劑與靜電紡絲相結合做一種光動力抗菌的傷口敷料。

這個 idea 有兩個創新點：首先，通過靜電紡絲噴塗的方法制備傷口敷料操作簡單，可根據實際情況下的個體差異的進行噴塗傷口敷料，減輕了傳統敷料和傷口物理接觸帶來的痛感，而且具有光動力抗菌的效果；其次，由於傷口敷料本身是一種固態介質，需要能夠在固態下具有較高活性氧產生效率的固態光敏劑，而 AIE 材料剛好有這種越聚集活性氧產生效率越高的特點。

而這一特點非常適合做固態傷口敷料。不但發揮了 AIE 材料的優勢，也解決了傳統光敏劑在聚集態下活性氧產生效率不高的問題。所以，課題組很快就確定了實驗方案。

趙徵最後表示：“由於董瑞華博士在製備靜電紡絲納米纖維膜上，有着豐富的經驗，後續的 AIE 材料的設計和表徵又是我們團隊最擅長的事情。所以結合起來整個實驗過程包括 AIE 光敏劑分子的製備、納米纖維傷口敷料的製備、抗菌實驗、動物實驗等進展的都十分順利，大概一年左右的時間就完成了課題研究和論文投稿。”

-End-

參考：

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.