摘 要:為了解決天然抗菌丁香酚(EG)應(yīng)用過(guò)程中易揮發(fā)、利用率低的問(wèn)題,采用St?ber法制備高比表面積、微孔徑可控、熱穩(wěn)定性和生物兼容性優(yōu)的丁香酚專用介孔二氧化硅微粒(MSNs),探究其在敷料應(yīng)用場(chǎng)景下的長(zhǎng)效緩釋、高效抗菌等性能。設(shè)計(jì)制備的MSNs粒徑范圍為100~200 nm,孔徑6.54 nm,比表面積998.05 m2/g,丁香酚固載量達(dá)57.09%。實(shí)驗(yàn)證明丁香酚/介孔二氧化硅納米顆粒(EG@MSNs)具有快速抗菌效果,而EG@MSNs負(fù)載的非織材料基海藻酸鈣敷料(EG@MSNs/CA@NWs)經(jīng)過(guò)恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)15 d后,對(duì)大腸桿菌仍保持良好的抑菌效果,且該抗菌敷料的凝血時(shí)間縮短71.40%。此外,EG@MSNs/CA@NWs敷料的熒光物、表面活性物、水中溶出物和水浸出液酸堿度均表現(xiàn)優(yōu)異。文章設(shè)計(jì)制備的EG@MSNs有望在傷口、創(chuàng)面抗菌修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。
關(guān)鍵詞:丁香酚;介孔二氧化硅;海藻酸鈣海綿;敷料;抗菌
中圖分類號(hào):TQ460
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1009-265X(2024)08-0035-11
收稿日期:20240121
網(wǎng)絡(luò)出版日期:20240419
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51803027);河南省醫(yī)用防護(hù)用品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(YD2021002)
作者簡(jiǎn)介:胡文鋒(1985—),男,上海人,實(shí)驗(yàn)師,主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品方面的研究。
通信作者:趙奕,E-mail:zhaoyi@dhu.edu.cn
丁香酚是從天然丁香中提取的一種重要生物活性化合物,具有抗癌、抗氧化、防腐、抗抑郁等作用,并且對(duì)各種細(xì)菌和真菌具有廣譜抗菌性,每100 g新鮮丁香植物中含有9.4~14.7 g丁香酚[1]。然而,丁香酚的快速揮發(fā)特性和化學(xué)不穩(wěn)定性,致使其在實(shí)際使用時(shí)利用率低[2]。
介孔二氧化硅具有比表面積高、孔徑可調(diào)、易于功能化以及熱穩(wěn)定性好和生物相容性高等特點(diǎn),近年來(lái)在環(huán)境、能源和生物技術(shù)等世界熱點(diǎn)研究領(lǐng)域被廣泛研究[3-4]。陳小妮等[5]采用溶膠-凝膠法合成發(fā)散狀介孔SiO2/MSNs,制備了不同Ag負(fù)載量的Ag-CeO2/MSNs催化劑,探究了SiO2/MSNs對(duì)四氫糠醇(THFA)選擇性氧化生成乙酸四氫糠酯的催化效果。唐昭敏等[6]報(bào)道了一種負(fù)載過(guò)氧化銅(CuO2)的介孔二氧化硅納米顆粒,其內(nèi)部負(fù)載化療藥物阿霉素,通過(guò)分解可以產(chǎn)生外源性H2O2和類芬頓離子Cu2+,表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。王釗貴等[7]采用一鍋溶膠-凝膠法制備了一種對(duì)松材線蟲(chóng)具有高毒力的負(fù)載甲維鹽介孔二氧化硅納米顆粒(EB@MSN),該納米顆粒具有一定藥物緩釋功能,明顯提高EB對(duì)松材線蟲(chóng)的毒力效果。然而,對(duì)于丁香酚的高效負(fù)載鮮有相關(guān)研究。
目前,大量的創(chuàng)面修復(fù)和止血等傷口護(hù)理應(yīng)用中亟需具可控抗菌、天然安全的抗菌醫(yī)用材料[8]。本文首先通過(guò)熱風(fēng)工藝制備生物相容性優(yōu)、可促凝、易于創(chuàng)口修復(fù)[9-11]的非織造基復(fù)合海藻酸鈣海綿(CA@NWs)敷料基材;再采用St?ber法,制備用于固載天然抗菌EG的高比表面積的MSNs,并用于獲得熱穩(wěn)定性好、載香量高、即時(shí)溶出速度快的芳香抗菌納米顆粒(EG@MSNs);最后,利用霧化濺射技術(shù)[12]將EG@MSNs均勻、牢固地噴涂在CA@NWs敷料表面。通過(guò)SEM、TEM、FT-IR、SAXRD等一系列表征與測(cè)試,對(duì)7種不同海藻酸鈣含量的速凍CA@NWs芳香抗菌海綿敷料進(jìn)行抑菌和凝血等生物醫(yī)用性能測(cè)試,分析并驗(yàn)證抗菌丁香酚/介孔二氧化硅納米顆粒的抑菌抗菌、凝血、抗炎等特性具有良好的應(yīng)用潛力,有望應(yīng)用于傷口、創(chuàng)面抗菌等修復(fù)領(lǐng)域。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 材料與儀器
實(shí)驗(yàn)材料:丁香酚(純度98.5%),上海源葉生物科技有限公司;正己烷(分析純),十六烷基三甲基溴化銨(分析純),阿拉丁生化科技股份有限公司;氨水(分析純,純度25%~28%),正硅酸四乙酯(分析純),溴化鉀(純度99.90%),上海麥克林生化科技股份有限公司;非織造基海藻酸鈣凍干海綿,自制;抗凝牛全血(3.8%檸檬酸鈉抗凝劑),上海源葉生物科技有限公司;胰蛋白胨(微生物用),酵母提取物(微生物用),瓊脂粉(微生物用),上海生物工程有限公司。
實(shí)驗(yàn)儀器:場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Regulus 8230,日本日立公司);透射電子顯微鏡(JEM-2100,日本JEOL公司);Zeta-電位分析及粒徑分析儀(Zetasizer Nano ZS,馬爾文帕拉科公司);傅里葉紅外光譜儀(NEXUS-670,美國(guó)尼高力公司);全自動(dòng)快速比表面與孔隙度分析儀(Autosorb-iQ,美國(guó)康塔儀器公司);X射線衍射儀(Bruker D8 ADVANCE,德國(guó)布魯克公司);紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)(Lambda 35,美國(guó)珀金埃爾默公司);熱重分析儀/差示掃描量熱聯(lián)用儀(CLARUS SQ8-STA8000,美國(guó)珀金埃爾默公司);噴筆(HP-CH,日本阿耐思特巖田公司);蠕動(dòng)注射泵(Legato100,美國(guó)KD科學(xué)公司);冷凍干燥機(jī)(FD-1A-50,上海比朗儀器制造有限公司)。
1.2 丁香酚/介孔二氧化硅納米顆粒EG@MSNs的制備
采用改進(jìn)的St?ber法制備MSNs,并通過(guò)納米固載的方式制備具有抗菌功能的芳香納米顆粒EG@MSNs。制備流程如下:
a)MSNs的制備:參照文獻(xiàn)[13]中的研究,利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)在去離子水中形成膠束,之后加入本體正硅酸四乙酯(TEOS),在氨水的催化下水解并沿膠束原位自組裝形成納米顆粒,之后在含有鹽酸的乙醇中提取模板,得到具有介孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米顆粒。
b)EG@MSNs的制備:將0.5 g MSNs分散于20 mL丁香酚乳液中,在轉(zhuǎn)子下持續(xù)攪拌72 h,得到含有丁香酚的EG@MSNs分散液。使用離心機(jī)(9000 r/min,15 min)進(jìn)行固液分離,固體部分經(jīng)過(guò)乙醇和去離子水交替洗滌4次,去除表面的游離丁香酚殘余,然后采用冷凍干燥的方法(在-80 ℃下預(yù)凍0.5 h后,負(fù)壓抽吸6 h)去除殘留的水分,得到EG@MSNs芳香納米顆粒粉末。
1.3 熱風(fēng)非織造基復(fù)合海藻酸鈣海綿CA@NWs的制備
首先通過(guò)熱風(fēng)加固工藝制備非織造材料基材,然后采用浸取冷凍干燥的方法將非織造基材和海藻酸鹽結(jié)構(gòu)的復(fù)合,具體制備流程如下:
a)熱風(fēng)非織造基材(NWs)的制備:參照張楠等[14]的研究,按親水ES纖維和粘膠纖維5∶5的比例稱取纖維原料共105 g,混合、開(kāi)松后喂入單錫林雙道夫梳理機(jī)進(jìn)行兩道梳理,通過(guò)熱定型烘干機(jī)在133 ℃下進(jìn)行熱風(fēng)穿透后冷卻定型。
b)熱風(fēng)非織造基復(fù)合海藻酸鈣海綿(CA@NWs)的制備:配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X%的海藻酸鈉(SA)50 mL(X為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0),將NWs剪裁成直徑為8 cm的圓形,浸漬于SA溶液中,預(yù)凍后放入-80 ℃冷凍2 h,經(jīng)過(guò)冷凍干燥后使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈣溶液進(jìn)行交聯(lián)固化10 min。最后,采用離子液體清洗并在45 ℃烘箱中干燥30 min。通過(guò)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SA溶液制備得到的復(fù)合海綿敷料樣品用X-CA@NWs表示。
1.4 EG@MSNs/CA@NWs復(fù)合海綿敷料的制備
采用霧化濺射技術(shù)對(duì)CA@NWs的非使用面進(jìn)行芳香抗菌功能化整理,制備EG@MSNs/CA@NWs芳香抗菌海綿敷料。將經(jīng)超聲預(yù)處理的芳香整理液注入噴筆容器中,分散液質(zhì)量濃度為20 mg/mL,設(shè)置氣泵壓力為4 bar,限流頂針后退半旋,此時(shí)液體流速為1 mL/16 s,將芳香整理液通過(guò)霧化濺射技術(shù)噴灑在CA@NWs表面,制備具有芳香抗菌功能的CA@NWs復(fù)合海綿。圖1為EG@MSNs/CA@NWs復(fù)合海綿敷料制備實(shí)驗(yàn)流程圖。
1.5 測(cè)試與表征
1.5.1 基本性能
采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)MSNs的形貌進(jìn)行了表征。采用比表面積與孔徑(BET)測(cè)試系列樣品的比表面積和介孔孔徑。采用電位分析(DLS-Zeta)測(cè)試MSNs、EG和EG@MSNs的Zeta電位。采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、小角X射線衍射(SAXRD)、熱重分析(TG)分析材料屬性和熱穩(wěn)定性。
1.5.2 應(yīng)用性能
采用紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)(UV-Vis)對(duì)比測(cè)試EG經(jīng)MSNs固載前后在創(chuàng)面組織滲出液模擬液中的即時(shí)溶出量的差異,圖2為標(biāo)準(zhǔn)線測(cè)試與校準(zhǔn)。
EG@MSNs中芳香物質(zhì)即時(shí)溶出量由紫外分光光度計(jì)法測(cè)定。吸光度值可以根據(jù)擬合方程A=0.01909C+0.01382計(jì)算得到樣品模擬液A中EG的即時(shí)溶出量。
1.5.3 EG@MSNs/CA@NWs復(fù)合海綿敷料醫(yī)用潛力評(píng)價(jià)
芳香納米顆粒負(fù)載效果和抑菌性能測(cè)試。制備了兩組樣品,1#樣品:添加了0.2 mL芳香整理液;2#樣品:添加了0.5 mL芳香整理液。測(cè)試各樣品對(duì)大腸桿菌(E.coli)生長(zhǎng)的抑制作用,并以空白CA@NWs海綿和空白MSNs為對(duì)照樣,參照《接觸性創(chuàng)面敷料試驗(yàn)方法 第1部分:液體吸收性》(YY/T 0471.1—2004)中所述方法配置人體創(chuàng)面組織滲出液模擬液A。
體外凝血性能測(cè)試。評(píng)價(jià)參照文獻(xiàn)[15],水中溶出物、熒光物以及水浸出液酸堿度測(cè)試分別參照《接觸性創(chuàng)面敷料試驗(yàn)方法 第1部分:液體吸收性》(YY/T 0471.1—2004)中附錄D、附錄E和附錄F的方法進(jìn)行。表面活性物測(cè)試參照《脫脂棉紗布、脫脂棉粘膠混紡紗布的性能要求和試驗(yàn)方法》(YY 0331—2024)中的5.11進(jìn)行。
2 結(jié)果與分析
2.1 基本形貌分析
用掃描電子顯微鏡觀測(cè)MSNs的粒徑,如圖3所示。從圖3(a)和3(b)中看出MSNs的粒徑為100~200 nm,圖4透射電鏡圖中MSNs表面孔洞排列均勻,與Wang等[16]的研究結(jié)果一致。豐富的通孔結(jié)構(gòu)顯著提高了MSNs的比表面積,有利于納米固載和持續(xù)釋放精油、藥物和染料等小分子物質(zhì)。此外,動(dòng)態(tài)光散射(DLS)技術(shù)測(cè)量顯示MSNs的平均直徑為180.1 nm,如圖5所示,分布系數(shù)(PDI)值0.428,表明合成樣品粒徑分布均勻。
2.2 EG@MSNs載香效果
2.2.1 EG@MSNs的結(jié)構(gòu)與成分
MSNs經(jīng)過(guò)高溫煅燒后的FT-IR表征結(jié)果如
圖6(a)所示,其中MSNs-CTAB和MSNs在1050、800 cm-1和462 cm-1處顯示了特征吸收峰,對(duì)應(yīng)于Si—O—Si四面體的對(duì)稱、彎曲和非對(duì)稱振動(dòng)峰。955 cm-1處的特征吸收峰歸屬于Si—O在Si—OH鍵中的拉伸振動(dòng)峰。1644 cm-1和3346 cm-1處的特征吸收峰屬于SiO2表面的硅羥基和吸附的水分子。煅燒移除CTAB模板前,MSNs-CTAB雜化球中含有CTAB,在2852 cm-1和2922 cm-1處出現(xiàn)C—H鍵伸縮振動(dòng)帶,在1464 cm-1處的吸收峰由CH2剪切振動(dòng)產(chǎn)生,也同樣表明烷基鏈中的亞甲基具有全反構(gòu)象,證實(shí)了CTAB分子的存在[17-18]。經(jīng)過(guò)煅燒后,屬于CTAB的特征吸收峰消失,說(shuō)明用于形成介孔孔道的模板劑已經(jīng)基本除去,獲得了純凈的MSNs樣品,這與SEM和TEM圖像結(jié)果一致。
MSNs載香前后的FT-IR表征結(jié)果如圖6(b)所示,在載香前,EG在720~1250、1637.56、1615.56 cm-1和1514.12 cm-1出現(xiàn)了特征峰,分別對(duì)應(yīng)于CC的振動(dòng)帶和芳香族部分的CC拉伸(后三處特征峰)。說(shuō)明3500 cm-1處的寬頻帶是2,4-二烯丙基-6-甲氧基苯酚(EG)中OH振動(dòng)產(chǎn)生[19-20]。
經(jīng)過(guò)載香后,EG@MSNs在1640 cm-1處峰強(qiáng)度增強(qiáng),在1510 cm-1位置出現(xiàn)新的特征峰,表明MSNs成功固載了EG,但吸收特征峰低于游離EG,表明EG主要包含在MSNs腔中[21]。
2.2.2 EG@MSNs的載香分析
結(jié)合MSNs理化性質(zhì)的變化,進(jìn)一步分析EG小分子與MSNs之間的結(jié)合效果。BET測(cè)試結(jié)果顯示,MSNs初始比表面積為998.05 m2/g,介孔尺寸為6.54 nm,孔徑分布均勻,如圖7(a)所示,這主要是由于納米級(jí)顆粒尺寸和豐富的孔道結(jié)構(gòu)所致。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的規(guī)定,MSNs和EG@MSNs的吸脫附等溫線如圖7(b)所示,顯示出典型的Ⅳ型吸脫附等溫線,中段有吸附回滯環(huán),后段快速上升,表明多孔材料吸附出現(xiàn)毛細(xì)凝聚的體系。MSNs載香后,EG小分子會(huì)占據(jù)介孔孔道,使得MSNs的孔道由介孔變?yōu)楦鼮楠M窄的狹縫孔隙,這一點(diǎn)可以通過(guò)吸脫附等溫線回滯環(huán)的變化,從介孔二氧化硅特征的H2型趨向于H4型來(lái)證明,同時(shí)導(dǎo)致EG@MSNs的比表面積降至669.39 m2/g。
Zeta電位測(cè)試中如圖7(c)所示,EG/水乳液經(jīng)過(guò)超聲細(xì)胞粉碎儀處理后電位電勢(shì)為33.7 mV,而MSNs由于具有硅羥基(Si-OH),其電位電勢(shì)為-28.6 mV,EG@MSNs電位電勢(shì)為-13.1 mV,這表明除了具有小孔吸附作用外,MSNs和EG之間還存在電荷力相互作用。MSNs和EG@MSNs的SAXRD圖譜如圖7(d)所示,MSNs有序排列的介孔結(jié)構(gòu)可以通過(guò)2θ=1.38°處出現(xiàn)的屬于(100)晶面的特征衍射峰來(lái)證明,與形貌觀察結(jié)果一致,但衍射峰較弱,說(shuō)明介孔排列的短程有序性不高[22]。對(duì)于EG@MSNs,衍射強(qiáng)度明顯下降,進(jìn)一步證明EG小分子在MSNs的介孔孔道中被固載,衍射峰的保留說(shuō)明載香后的介孔結(jié)構(gòu)仍然有部分保留,沒(méi)有被完全占據(jù),但由于芳香小分子的固載,有序性降低。此外,對(duì)應(yīng)于2θ=1.38°處的衍射峰位置往左出現(xiàn)一定的偏移,根據(jù)布拉格公式(d=nλ/2sinθ)可知,晶面間距(d)與衍射角(θ)呈反比關(guān)系,當(dāng)衍射角保持不變時(shí),晶面間距會(huì)隨著物質(zhì)密度的增加而減小,而精油小分子的吸附會(huì)增加晶體表面或孔道內(nèi)的物質(zhì)的密度,使精油小分子的吸附會(huì)使MSNs的晶面間距減小[23]。
對(duì)EG@MSNs進(jìn)行熱重分析,結(jié)果如圖8所示。純EG在約91.8 ℃開(kāi)始出現(xiàn)失重,在213.5 ℃后失重趨于平緩。MSNs表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性,重量在550 ℃內(nèi)保持穩(wěn)定。TG測(cè)試中重量下降了5.6%,其中1.9%對(duì)應(yīng)于71.9~146.7 ℃范圍的含水降解峰,由于樣品經(jīng)過(guò)冷凍干燥預(yù)處理,下降量很小,余下的3.7%對(duì)應(yīng)于MSNs硅羥基(Si-OH)間的縮聚脫水。EG@MSNs的TG曲線顯示有兩個(gè)失重階段,第一階段在72.1~227.4 ℃之間,重量下降了54.3%,對(duì)應(yīng)于含水和固載EG在表層和淺層孔道的釋放,在182 ℃處達(dá)到最快熱損失速率。第二階段在227.4 ℃后開(kāi)始,重量下降了8.3%,對(duì)應(yīng)于MSNs自身的硅縮聚和深層孔道中固載EG的釋放。與MSNs相比,EG@MSNs具有高達(dá)57.1%的EG固載量,表明高比表面積和豐富的介孔孔道使得EG@MSNs具有極高的芳香小分子吸附和固載能力。此外,EG@MSNs的TG曲線顯示,固載EG的釋放速率較慢,表明MSNs的納米固載能夠提高EG的熱穩(wěn)定性,有利于長(zhǎng)期緩釋?xiě)?yīng)用。
2.2.3 EG@MSNs在溶液體系釋放性分析
為了適應(yīng)醫(yī)療敷料的濕潤(rùn)環(huán)境需求,并確保樣品在創(chuàng)傷處理時(shí)能夠迅速形成抗菌的液體微環(huán)境,本文采用UV-Vis法測(cè)試EG@MSNs在創(chuàng)面組織模擬液中即時(shí)溶出量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)origin軟件線性擬合后如圖9所示,得出芳香顆粒濃度與即時(shí)溶出量之間的關(guān)系。EG的正辛醇-水分配系數(shù)(log Kow=2.1)表明其微溶于水,未經(jīng)MSNs納米固載時(shí),隨著EG在模擬液中添加量的增加,其即時(shí)溶出量呈現(xiàn)緩慢的線性增加,擬合方程R2為0.8212,顯示出良好的擬合準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)MSNs固載后,隨著模擬液中芳香納米顆粒的濃度增加,精油小分子的即時(shí)溶出量迅速增加,根據(jù)擬合方程計(jì)算得出,在模擬液中EG@MSNs的分散質(zhì)量濃度約為2.35 mg/mL時(shí),其即時(shí)溶出量達(dá)到了添加過(guò)量EG所能達(dá)到的同一水平。因此,經(jīng)過(guò)MSNs固載后,EG在創(chuàng)面組織模擬液中的即時(shí)溶出量大大提高。
2.3 醫(yī)用潛力評(píng)價(jià)
2.3.1 芳香納米顆粒負(fù)載效果
EG@MSNs/CA@NWs復(fù)合海綿敷料的SEM表征如圖10所示,經(jīng)過(guò)芳香霧化濺射整理后的CA@NWs海綿表面均勻分布著EG@MSNs納米顆粒。抗菌納米顆粒有序負(fù)載于敷料以吸收創(chuàng)面組織滲出液,可為創(chuàng)面微環(huán)境提供快速的抗菌效果。
2.3.2 抑菌性能
丁香酚的抑菌機(jī)理是丁香酚通過(guò)抑制金黃葡萄球菌的三羧酸循環(huán)和電子鏈傳遞中的關(guān)鍵酶活性來(lái)抑制其生長(zhǎng)[24-25]。為了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)樣品的抑菌性能,使用了抑菌圈法,效果如圖11所示。培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)恒溫培養(yǎng)箱培育24 h后,可以明顯觀察到,未經(jīng)載香和芳香霧化濺射整理的MSNs與CA@NWs空白樣都沒(méi)有抑菌效果,而經(jīng)過(guò)納米固載精油的EG@MSNs和芳香霧化濺射整理的CA@NWs海綿對(duì)大腸桿菌(E.coli)有顯著的抑制效果,E.coli抑菌圈的半徑達(dá)到18.1 mm。同樣,芳香霧化濺射整理后的CA@NWs海綿也展示了明顯的抑菌效果。根據(jù)芳香整理液用量的不同,出現(xiàn)了不同的抑菌效果差異,其中,1#、2#樣品的抑菌圈大小分別為14.5、 23.4 mm,當(dāng)芳香整理液用量達(dá)到0.5 mL時(shí),經(jīng)過(guò)芳香整理后的CA@NWs海綿樣品幾乎完全抑制了大腸桿菌的生長(zhǎng),具有極佳的抑菌效果。因此,霧化濺射的整理方式能夠快速、低成本、自主可控地調(diào)節(jié)樣品的抗菌性能。
2.3.3 體外凝血性能
從圖12(a)中可以看出,當(dāng)抗凝牛全血滴加至CA@NWs芳香抗菌海綿敷料上后,敷料迅速吸收血液并由淺色轉(zhuǎn)為暗紅色。在培養(yǎng)皿邊緣緩慢注入去離子水后,醫(yī)用棉紗布敷料和NWs吸收的血液在水中溶解較多,材料由暗紅色恢復(fù)為淺色。這說(shuō)明盡管兩者都能夠吸收血液并留存在孔隙空間內(nèi),但基本上沒(méi)有凝血效果。由于NWs具有更豐富且復(fù)雜的內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu),部分血液仍然殘留在材料上,因此NWs的凝血效果略優(yōu)于醫(yī)用棉紗布。
對(duì)于CA@NWs芳香抗菌海綿敷料而言,隨著CA含量的增加,水中因血液溶出而變色的區(qū)域明顯減少,說(shuō)明血液吸附能力隨CA含量的增加而提高,當(dāng)海藻酸鹽濃度達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),水中沒(méi)有明顯的血紅細(xì)胞溶出而變色的區(qū)域,證明血細(xì)胞能夠牢固地吸附在材料復(fù)合空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
不同材料的凝血時(shí)間如圖12(b)所示,與空白對(duì)照組、醫(yī)用紗布敷料和NWs相比,CA@NWs芳香抗菌海綿敷料具有顯著的凝血效果。此外,隨著制備濃度從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%增加至3%,凝血時(shí)間縮短了57.1%~71.4%,只需少量的海藻酸鈣即可顯著縮短敷料的整體凝血時(shí)間。此外,由于增加了孔隙,敷料與血液充分接觸,低CA含量的復(fù)合敷料與純CA的凝血時(shí)間相差不大。通過(guò)體外凝血性能評(píng)價(jià)可知,NWs骨架的應(yīng)用能夠有效發(fā)揮海藻酸鈣材料的促凝血能力。
2.3.4 熒光物、表面活性物、水中溶出物、水浸出液酸堿度
熒光物、表面活性物、水中溶出物、水浸出液酸堿度性能是醫(yī)用敷料重要的性能指標(biāo) [26-27]。參照《接觸性創(chuàng)面敷料試驗(yàn)方法 第1部分:液體吸收性》(YY/T 0471.1—2004)中附錄E、D、F分別測(cè)試樣品的上述性能發(fā)現(xiàn):如圖13所示成品的熒光物符合醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);如表1所示,在制備的7種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度速凍CA@NWs芳香抗菌海綿敷料中,各濃度條件下的復(fù)合敷料表面活性物質(zhì) 泡沫高度均接近于0 mm,符合醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不超過(guò)2 mm的要求,而敷料在水中的溶出物含量在0.32%~0.44%范圍內(nèi),隨著海藻酸鈉濃度的略微增加,但總體上仍符合醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不高于0.50%的規(guī)定,同時(shí)水浸出液pH值均呈弱酸性,弱酸環(huán)境有利于介孔二氧化硅中負(fù)載的丁香酚小分子的釋放[28-29]。
3 結(jié)論
本文制備了高固載量丁香酚專用介孔二氧化硅(EG@MSNs),再與海藻酸鈣熱風(fēng)非織造敷料基材(NWs)結(jié)合,得到了抗菌、促凝血的CA@NWs敷料。研究結(jié)果顯示:
a)MSNs中EG的固載量達(dá)到了57.09%,在熱作用下以淺層快速和深層慢速兩個(gè)階段釋放,從而提高了EG的熱穩(wěn)定性。
b)經(jīng)MSNs固載后,EG在創(chuàng)面組織模擬液中的即時(shí)溶出量顯著增加,當(dāng)EG@MSNs的擬合計(jì)算分散質(zhì)量濃度為2.35 mg/mL時(shí),即時(shí)溶出量達(dá)到了添加過(guò)量EG所能達(dá)到的同一水平。這使得EG@MSNs在創(chuàng)傷處理敷料中能夠最大程度地發(fā)揮作用,并有潛力與“濕潤(rùn)療法”有機(jī)結(jié)合,快速創(chuàng)建抗菌的液體微環(huán)境。
c)負(fù)載丁香酚的CA@NWs敷料具有長(zhǎng)達(dá)15 d以上的顯著大腸桿菌生長(zhǎng)抑制能力,且凝血時(shí)間可縮短71.4%。同時(shí),該敷料的熒光物、表面活性物、水中溶出物和水浸出液酸堿度優(yōu)良,具有良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。
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Preparation of antibacterial eugenol/mesoporous silica nanoparticles and their medical potential evaluation
HU Wenfeng1,2, XIA Yichang2, GAO Yantao1, ZHAO Yi2
(1.School of Textiles and Fashion, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education, College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)
Abstract: "Eugenol (EG) is an important bioactive compound extracted from natural clove. There are 9.4-14.7 g eugenol essential oil contained in every 100g fresh clove. Eugenol has various health benefits, including anti-cancer, antioxidant, preservative, and anti-depressant properties. It also demonstrates broad-spectrum antibacterial activity effective against a wide range of bacteria and fungi, making it a highly desirable controlled and natural antibacterial material for wound care applications such as wound healing and hemostasis. However, due to the rapid volatility and chemical instability of eugenol essential oil, its utilization rate is low in practical applications, often requiring encapsulation for use.
To address the issues of easy volatility and low utilization efficiency of eugenol in practical applications, mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are introduced. MSNs have been widely studied in the fields of environment, energy, and biotechnology due to their high specific surface area, tunable pore size, proness to functionalization, as well as excellent thermal stability, chemical stability, and biocompatibility. It is expected that these characteristics can be utilized to achieve efficient and sustained release of eugenol.
In this paper, an improved St?ber method was used to prepare MSNs with a high specific surface area for immobilizing the natural antibacterial active substance EG, to synthesize aromatic antibacterial nanoparticles (EG@MSNs) with excellent thermal stability, high eugenol loading capacity, and rapid dissolution rate. The prepared eugenol-specific mesoporous silica particles had a particle size range of 100-200 nm, a pore size of 6.54 nm, and a specific surface area of 998.05 m2/g. The test results showed that the eugenol loading capacity reached 57.09%. The rapid antibacterial effect of EG@MSNs was verified through testing in simulated wound tissue fluid, where the instantaneous dissolution rate at a fitted dispersal concentration of 2.35 mg/mL for EG@MSNs can reach a level comparable to that achieved by adding an excessive amount of EG. This allows EG@MSNs to maximize their effectiveness in wound dressings for trauma treatment and has the potential to synergize with \"Moist Wound Healing\" theory, quickly creating an antibacterial liquid microenvironment. Furthermore, the EG@MSNs were uniformly loaded onto nonwoven calcium alginate dressings (CA@NWs) by using the spray atomization technique resulting in a dressing with over 15 days of inhibition against Escherichia coli and a 71.4% reduction in clotting time. The dressing also exhibited excellent performance in terms of fluorescent substances and surface-active agents, water soluble substances, and pH of water immersion extract. The research results demonstrate that eugenol/mesoporous silica nanoparticles have a rapid antibacterial effect and show great potential for practical applications in the field of wound antibacterial repair.
Keywords: eugenol; mesoporous silica; calcium alginate sponge; dressing; antibacterial