尚曉煜 劉曉南 謝錦輝 孫俊卓 張道海*

(1.貴州民族大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng),550025；2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院,貴州 貴陽(yáng),550014)

聚乳酸(PLA)作為一種生物可降解材料主要應(yīng)用于食品包裝以及醫(yī)藥方面[1-2]。在金屬納米粒子(Ag、Zn O等)的存在下,PLA可以通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備抗菌聚合物[3]。但是由于納米粒子的尺寸很小,很容易進(jìn)入皮膚、肺和大腦,對(duì)人體造成不良影響[4],因此無(wú)機(jī)抗菌復(fù)合材料主要應(yīng)用于食品包裝方面。因PLA在人體內(nèi)可以分解為乳酸,并最終被分解為CO2和H2O,因此常用于制備生物醫(yī)藥材料,可以使用PLA將抗菌抗炎藥物包裹,隨著PLA降解實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋,也可以將PLA與羥基磷灰石復(fù)合制備骨修復(fù)材料,通過(guò)PLA降解實(shí)現(xiàn)人體新骨的自修復(fù)。但是,目前生物材料修復(fù)骨缺損面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是細(xì)菌感染。以下主要從PLA/無(wú)機(jī)抗菌復(fù)合材料、PLA/有機(jī)抗菌復(fù)合材料、抗菌藥物載體和PLA/羥基磷灰石復(fù)合材料4個(gè)方面,綜述了近年來(lái)生物可降解PLA抗菌材料的研究進(jìn)展。

1 PLA/無(wú)機(jī)抗菌復(fù)合材料

1.1 PLA/納米Ag抗菌復(fù)合材料

目前,主要的抗菌金屬是納米Ag,納米Ag對(duì)細(xì)菌、酵母菌、真菌等都具有較強(qiáng)的抗菌性,其抗菌機(jī)理為表面高活性的Ag或Ag離子可使菌體的蛋白酶失活,破壞細(xì)胞膜的滲透性,導(dǎo)致細(xì)胞死亡[5]。但是由于納米Ag團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致Ag在聚合物中分散不均勻。因此,需要對(duì)Ag或載體進(jìn)行表面改性處理。Sun Z Y等[6]研究了載Ag的PLA多孔纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。結(jié)果表明,多孔結(jié)構(gòu)能促進(jìn)Ag離子的釋放,增強(qiáng)抗菌效果。因此含Ag離子的PLA多孔纖維可作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的強(qiáng)抗菌傷口敷料。

1.2 PLA/納米二氧化鈦(nano-Ti O2)抗菌復(fù)合材料

nano-Ti O2主要是通過(guò)光催化作用來(lái)滅菌。尹興等[7]采用溶液流延法制備了nano-Ti O2/PLA抗菌薄膜。當(dāng)nano-Ti O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí),抗菌薄膜對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率為90.27%。王雪芳等[8]采用靜電紡絲技術(shù)制備了Ti O2/PLA復(fù)合納米纖維薄膜。研究表明,在光催化條件下,當(dāng)Ti O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí),纖維薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達(dá)到92.90%和92.20%。尹忠琳[9]以異丙醇鈦為原料,采用溶膠-凝膠法制備出PLA/Ti O2抗菌復(fù)合薄膜。在紫外光照下,Ti O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí),復(fù)合薄膜對(duì)大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的抑制作用最強(qiáng)；Ti O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí),對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用最強(qiáng)。

1.3 PLA/金屬氧化物抗菌復(fù)合材料

Ki m I等[10]采用溶液澆鑄法制備了PLA/Zn O抗菌薄膜。其中,Zn O質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3.0%時(shí),抗菌薄膜對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)具有完全抑制作用。帶正電荷的Zn O表面與帶負(fù)電荷的細(xì)菌膜表面之間強(qiáng)烈相互作用導(dǎo)致了活性氧的產(chǎn)生,最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡。Swaroop C等[11]采用溶液澆鑄法將PLA與聚乙二醇(PEG)和Mg O納米粒子結(jié)合。與純PLA薄膜相比,PEG和Mg O的摻入顯著提高了抗菌效果。研究表明,PLA/PEG/Mg O薄膜處理24 h后約有47%的細(xì)菌死亡。

1.4 PLA/石墨烯抗菌復(fù)合材料

石墨烯由于其二維納米結(jié)構(gòu),使其能夠通過(guò)穿透或從細(xì)胞膜中提取磷脂而破壞細(xì)菌[12]。Paulo A等[13]通過(guò)熔融共混法制備了PLA/氧化石墨烯(GO)/熱還原GO(Tr GO)復(fù)合材料。同時(shí)添加GO和Tr GO的PLA復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的黏附和增殖具有抑制作用。研究表明PLA/GO衍生物復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2 PLA/有機(jī)抗菌復(fù)合材料

2.1 PLA/殼聚糖(CS)抗菌復(fù)合材料

CS已經(jīng)被認(rèn)為是一種生物相容、生物可降解、低毒性的材料,是藥物輸送系統(tǒng)良好的候選材料,除了在生理?xiàng)l件下具有生物可降解的特性外,CS還具有活性胺基和羥基,這為改性、接枝反應(yīng)和離子相互作用提供了可能性[14],CS具有良好的交聯(lián)結(jié)構(gòu),可以用于包裹藥物[15]。為了獲得殺菌活性,需要對(duì)CS或PLA進(jìn)行化學(xué)改性,以使其疏水性和親水性更接近[16]。Har diansyah A等[17]采用靜電紡絲技術(shù)制備PLA/CS納米纖維,當(dāng)CS與PLA的質(zhì)量比為4∶1時(shí),PLA納米纖維對(duì)大腸桿菌的最低抑菌濃度(MIC)為0.015 g/mL。Li H等[18]采用靜電紡絲技術(shù)制備了抗菌PLA/CS復(fù)合纖維,復(fù)合纖維具有良好的多孔結(jié)構(gòu),CS納米顆粒均勻分布在整個(gè)纖維中,對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.40%和99.50%。Gu X H等[19]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備PLA/聚碳酸丁二醇酯(PBC)/CS復(fù)合薄膜,研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性較高,并且抗菌活性隨CS增加而顯著增加。

2.2 PLA/其他有機(jī)抗菌復(fù)合材料

Liu Y W等[20]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備PLA/CS/肉桂精油(CEO)纖維,研究表明,該纖維實(shí)現(xiàn)了CEO的緩釋,添加CEO可以提高PLA/CS/CEO纖維的抗菌性能,當(dāng)CS/CEO的體積比為1.5∶1.0時(shí),抗菌效果最好。高琳[21]利用納米纖維素(CNF)吸附竹紅菌素(HA)制備HA/CNF抗菌涂層,并涂覆于等離子體處理的PLA薄膜表面,制備具有優(yōu)異抗菌性能的HA/CNF/PLA抗菌薄膜。結(jié)果表明,在HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%時(shí),抗菌薄膜抑菌率為95.00%。

2.3 PLA/無(wú)機(jī)/有機(jī)抗菌復(fù)合材料

天然抗菌因子的抗菌效果要略差于無(wú)機(jī)抗菌因子[22],因此將無(wú)機(jī)抗菌因子與有機(jī)抗菌因子聯(lián)用會(huì)使整體的抗菌效果得到提升。Ah med J等[23]通過(guò)溶液澆鑄法制備了PLA/PEG/聚己內(nèi)酯(PCL)/Zn O/丁香精油復(fù)合薄膜。研究表明,丁香酚(丁香精油中的活性化合物)與Zn O之間存在協(xié)同作用,載有丁香精油的薄膜顯示出顯著的抗微生物活性,這可能是丁香精油在薄膜表面的揮發(fā)性物質(zhì)快速釋放到富含納米粒子薄膜上而造成的。Sonseca A等[24]通過(guò)簡(jiǎn)單綠色合成方法得到CS介導(dǎo)的Ag納米粒子(Ag CH-NPs),研究表明,與原始基質(zhì)相比,PLA/低聚乳酸/Ag CH-NPs納米復(fù)合材料表現(xiàn)出抗革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌的抗菌活性。Ag殺菌作用和CS陽(yáng)離子作用相結(jié)合的雙重作用機(jī)制可能是納米復(fù)合材料增強(qiáng)抗菌性能的潛在機(jī)制。

3 抗菌藥物載體

PLA因其在人體內(nèi)可降解,常用作抗菌藥物的載體。Mevl ut B等[25]合成了3種不同的杯芳烴衍生物,并作為宿主分子與客體分子氯霉素(CA M)進(jìn)行包合。利用靜電紡絲技術(shù)成功制備了含CA M包合物的PLA和聚乙烯醇(PVA)納米纖維支架。在納米纖維支架中加入CA M/杯芳烴包合物增加了纖維網(wǎng)對(duì)革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌的抗菌性能。此外,還進(jìn)行了釋放和熱分解試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PLA基納米纖維支架上的CA M釋放速度慢且持續(xù)。因此,兼具CA M緩釋和熱穩(wěn)定性的抗菌纖維材料有望成為醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛在候選材料。陳樂(lè)樂(lè)等[26]利用靜電紡絲技術(shù)制備了氫溴酸高烏甲素/Zn O/PLA/PCL載藥微納米纖維薄膜,研究表明,當(dāng)Zn O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí),復(fù)合微納米纖維薄膜具有最佳抗菌性能和良好的藥物緩釋性能。

4 PLA/羥基磷灰石復(fù)合材料

人體骨骼的主要成分為羥基磷灰石,因此將PLA與羥基磷灰石復(fù)合制備可移植的生物材料被廣泛研究。由于應(yīng)用在人體上,除了要求材料具有一定的力學(xué)性能外,重要是復(fù)合材料的抗菌性能。Tan W等[27]采用選擇性激光燒結(jié)法制備了聚左旋乳酸(PLLA)/納米羥基磷灰石/二甲雙胍(MET)納米復(fù)合支架,該納米復(fù)合支架釋藥時(shí)間較長(zhǎng),因?yàn)镸ET顆粒包裹在PLLA中,隨著PLLA降解,被包裹的MET顆粒緩慢釋放到體液中。此外,該支架的體外試驗(yàn)顯示出良好的抑瘤特性。因該納米復(fù)合支架具有抑瘤和骨修復(fù)雙重功能,為腫瘤誘導(dǎo)骨缺損治療提供了一種有前景的新方法。Li G等[28]首先用多巴胺處理脫膠蠶絲纖維(DSF),并利用聚多巴胺的強(qiáng)還原性將Ag離子還原成Ag納米粒子,制備載有納米Ag顆粒的脫膠蠶絲纖維(ADSF),并制備了具有抗菌性能的ADSF/納米羥基磷灰石/PLA多孔支架,研究發(fā)現(xiàn),該多孔支架具有良好的生物活性、生物相容性和抗菌性能。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)機(jī)抗菌因子在復(fù)合材料中的含量是影響抗菌效果的主要因素,含量過(guò)高反而會(huì)使抗菌效果減弱。目前,含有無(wú)機(jī)抗菌因子的復(fù)合材料主要應(yīng)用于包裝材料方面。當(dāng)加入其他抗菌因子時(shí),不同的抗菌因子發(fā)生協(xié)同作用會(huì)使復(fù)合材料的抗菌效果增強(qiáng),特別是無(wú)機(jī)抗菌因子與有機(jī)抗菌因子的聯(lián)用,兩者雙重抗菌機(jī)制會(huì)使整體的抗菌效果得到提升,互補(bǔ)2種抗菌因子的缺陷,可以在這方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究。采用3D打印技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)可以避免有毒性試劑的影響,使用這2種制備技術(shù)將會(huì)成為一種趨勢(shì)?？咕幬镙d體的研究可以從丙交酯與藥物聚合入手制備效果更佳的載體,隨著以PLA為抗菌藥物載體的深入研究,將會(huì)使抗菌藥物有更廣泛的應(yīng)用。PLA/羥基磷灰石復(fù)合材料作為人工骨的基體,除了達(dá)到骨骼所需的力學(xué)性能外,重要是PLA的降解速率是否能與新生骨的生長(zhǎng)速率一致以及材料的抗菌效果,這2個(gè)方面也是限制PLA/羥基磷灰石復(fù)合材料應(yīng)用的主要問(wèn)題,這也是研究的方向與重點(diǎn)?？咕幬镙d體以及人工骨材料方面將成為PLA抗菌材料的主要研究方向。