天工大林佳弘特聘教授/李婷婷副教授课题组《Int. Biol. Macromol》：具有抗菌和药物缓释的藻酸盐功能复合膜的构筑

2023-11-27 来源：高分子科技

随着人口老龄化的加剧，心脑血管疾病，糖尿病，肥胖等疾病的发病率越来越高，进而导致的压疮、褥疮，甚至其他慢性溃疡创面越来越多。传统的伤口敷料，如纱布，已经不能满足慢性伤口的愈合需求。水凝胶敷料在医学领域虽已被广泛研究，但其强力低不适用于需要强力支撑的活动部位，此外还具有透气性差等缺点。静电纺丝膜的无序排列也不具备靶向给药的问题，这些都限制了材料的实际应用。因此，开发一种具有定向给药并且具有一定强度的伤口敷料具有重要意义。基于此，天津工业大学李婷婷副教授与台湾逢甲大学林佳弘特聘教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授合作，在前期对微流控纺丝制备定向纤维膜的研究基础上（Colloid Surface B 2023,229,113442），利用同轴微流控法构建皮芯结构载药有序定向纤维膜，研究成果以“Coaxial Microfluidic Spinning Design Produced High Strength Alginate Membranes for Antibacterial Activity and Drug Release”为题发表在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》。

Figure 1. Scheme illustration of (a) the preparation of ZIF-8/AA and (b) the core-shell alginate functional membrane using coaxial microfluidic spinning.

ZIF-8与AA通过静电吸附和氢键结合形成的载药纳米材料ZIF-8/AA，具有优异的抗菌性能和良好的生物相容性。然而，将纳米材料直接应用于创面愈合，由于缺乏载体承载严重限制了其在伤口愈合领域的潜在应用。与其他纺丝技术相比，微流控纺丝条件温和，纺丝过程无需外接高压电源，对环境的温湿度等条件无特殊要求，微流控纤维直径均匀并且能够形成连续生产，有利于制备生物相容性良好的医用敷料。本研究借助微流控纺丝技术制备皮芯结构载药纤维（见图1）

Figure 2. (a) coaxial microfluidic spinning (a’) SA/ZIF-8/AA microfluidic membrane (a’’) SA/ZIF-8/AA microscopic view (′ 60 times); (a’’’) lightweight of the modified membrane; (b)~(g) the influence of microfluidic wet spinning parameters on mechanical properties; (h) the cross section of SA/ZIF-8/AA membrane; (i) FTIR spectrum of SA/ZIF-8/AA with different content of ZIF-8/AA; (j) EDS of SA/ZIF-8/AA membrane.

通过同轴微流控纺丝工艺制备的有序定向纤维膜，如图2所示。纤维膜的显微照片可以看出，定向纤维具有明显的皮芯结构；通过对微流控纺丝工艺参数的调控，进而实现对定向纤维膜的强力和纤维直径的调控；随着FTIR显示，ZIF-8/AA含量的增加，增强了3200-3500 cm^-1处-OH的伸缩振动和1595 cm^-1处C=O的伸缩振动，同时ZIF-8分子中咪唑环C-H的面外弯曲振动，992 cm^-1处的C-N伸缩振动和420 cm^-1处的Zn-N伸缩振动吸收峰也得到了增强。此外，在定向纤维膜的截面SEM图也可以观察到ZIF-8/AA纳米材料。

Figure 3. The qualitative and quantitative assessments of the SA/ZIF-8/AA oriented membrane (A) the photos of bacteria colonies antimicrobial performance of the membranes; (B), (C) the quantitative analysis of the bactericidal performance of the membrane against two bacteria; (D) mechanism of the antibacterial properties of ZIF-8 nanomaterials; (E), (F) the release of reactive oxygen species from the membrane

采用振荡法对负载ZIF-8/AA前后的有序纤维膜的抗菌性能进行测试。可以看出，负载ZIF-8/AA的有序纤维膜具有优异的抗菌性能，对E.coli和S.aureus的抗菌性能分别为99.95%和99.51%，与未负载ZIF-8/AA的SA膜具有明显的差异性。ZIF-8能够水解释放Zn²⁺,改变细菌细胞膜的通透性，使内容物流出，并且在光照作用下，ZIF-8能够以?OH和H₂O₂的形式产生ROS，从而破坏细菌的DNA，加速细菌死亡，达到抗菌的目的。定量分析可知，光照1小时，ZIF-8，ZIF-8/AA和SA/ZIF-8/AA对?OH和H₂O₂的释放量分别为2828.62 μg/g和15647.32 μg/g，2109.47 μg/g和14342.8 μg/g以及1888.28 μg/g和10923.98 μg/g。

Figure 4. The drug release of synthesized ZIF-8/AA at different pH values (a) the standard curves of AA concentration and corresponding absorbance; (b) the drug release efficiency within 8 hrs.; (c) the first order fitting curve; (d) the second order fitting curve model at different pH values; (e) Higuchi models at different pH values; (f) Korsmeyer-Peppas models at different pH values

分别对不同pH值环境下的8h内的药物缓释性能进行研究（图4）。可知，ZIF-8/AA在PBS溶液中药物释放在0.75后趋于平衡，并且在pH值分别为6.5,7.4和8.0的环境喜爱药物释放速率分别为68%，55%和47%，说明ZIF-8/AA在酸性条件下更灵敏。此外，采用动力学方程和Higuchi 模型，Korsmeyer-Peppas 模型对药物缓释性能进行拟合，采用相关性系数（R²）预测曲线的拟合程度，可以得出，一阶动力学模型与实验数据更吻合，由此推断出，ZIF-8/AA的药物缓释在没有外力作用下是通过浓度差缓慢地从ZIF-8扩散到溶剂PBS溶液中，并且Korsmeyer-Peppas 模型的扩散指数n＞0.45，表明该药物释放过程是一个不规则的Fick扩散。其原因在于，SA 膜在吸水后发生溶胀，而药物的释放不仅会受到溶剂的影响，还受到聚合物溶胀的影响，因此，药物的累积释放符合Korsmeyer-Peppas 模型，而t时刻的药物释放则符合一阶动力学方程。

Figure 5. In vitro cytotoxicity of the SA membrane loaded ZIF-8/AA co-cultured with L929 cells

该研究制备的有序纤维膜具有良好的生物相容性（见图5），与细胞共培养7天后细胞活性达到115.50%，与空白对照组无明显差异，能够满足GB/T16886.5-2017标准中对细胞活性的规定（＞70%），可以用于伤口敷料材料的制备。
本研究通过同轴微流控纺丝法构建载药抗菌有序微结构纤维膜，为多功能创面敷料的制备提供了一种思路。论文的第一作者为天津工业大学纺织科学与工程学院张莹博士，天津工业大学李婷婷副教授和台湾亚洲大学楼静文特聘教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国纺织工业联合会研究基金和福建省自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.124956

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（责任编辑：xu）

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