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負(fù)載葡萄籽多酚海藻酸鈉凍干凝膠的制備負(fù)載葡萄籽多酚海藻酸鈉凍干凝膠的制備

2024-10-17 00:00:00趙圣蘭陳嘉許月瑩柳忠佳郭寧馮肖亞
功能高分子學(xué)報(bào) 2024年1期
關(guān)鍵詞:抗菌

摘 要: 以海藻酸鈉(SA)、葡萄籽提取物(GSE)、Fe3+為原料,經(jīng)過兩次冷凍干燥得到凍干凝膠SA/GSE/Fe3+(SGF(0.75)),并通過體外實(shí)驗(yàn)探究SGF(0.75) 凍干凝膠的孔隙率、吸水率、光熱特性、抗菌性能、生物相容性及止血性能。結(jié)果表明,SGF(0.75) 的孔隙率約37%,吸水率約1 500%。在近紅外激光照射下,SGF(0.75) 可以殺死近90% 的金黃色葡萄球菌和91% 的大腸桿菌。止血性能實(shí)驗(yàn)表明,與紗布相比, SGF(0.75) 失血量和止血時間分別減少了31% 和66%。SGF(0.75)凍干凝膠止血能力強(qiáng),抗菌效果好,且生物相容性好,安全性高,能促進(jìn)傷口組織的愈合。

關(guān)鍵詞: 海藻酸鈉;葡萄籽提取物;光熱療法;抗菌;凍干凝膠

中圖分類號: R945 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

作為人體與外界環(huán)境接觸的第一道防線,皮膚容易受到外界環(huán)境的破壞而產(chǎn)生創(chuàng)傷[1]。一般情況下,對于小的創(chuàng)傷,皮膚本身會有自愈功能。較嚴(yán)重的創(chuàng)傷則需要包扎,協(xié)助傷口愈合[2, 3]。傷口愈合是一個復(fù)雜的過程,包括止血、炎癥、增殖和重塑等一系列過程[4]。其中,影響傷口愈合的首要因素是傷口處滲出的生物液是否能夠及時有效地被清除。傷口敷料可以覆蓋在傷口表面吸收滲出的生物液,促進(jìn)傷口快速愈合[5]。因此,多種人工合成類型和天然材料類型的傷口敷料應(yīng)運(yùn)而生[6-8]。海藻酸鈉(SA)是從天然植物褐藻中提取的一種高分子化合物,其具有生物相容性好、安全無毒、可生物降解且來源廣泛、價格低廉等優(yōu)勢[9,10]。SA 制成的傷口敷料能吸收傷口滲出的生物液,為傷口提供干燥環(huán)境,促進(jìn)傷口修復(fù),并能促進(jìn)肉芽組織形成和傷口愈合。因此,SA 被廣泛用于傷口敷料[11]。然而,SA 不具有抗菌活性,而傷口愈合過程往往出現(xiàn)細(xì)菌感染,細(xì)菌感染可導(dǎo)致傷口部位出現(xiàn)炎癥、潰爛等不良反應(yīng),抑制傷口愈合,甚至導(dǎo)致死亡[12, 13]??股赜捎谄涓咝?、光譜抗菌等特點(diǎn)被廣泛用于預(yù)防傷口細(xì)菌感染。然而,抗生素過度使用產(chǎn)生的耐藥性已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類健康[14]。因此,為了避免耐藥性,亟需開發(fā)非抗生素方式發(fā)揮抗菌作用的傷口抗菌敷料。

葡萄籽提取物(GSE)是從葡萄籽中提取分離得到的一類多酚類混合物質(zhì),主要成分包括原花青素、白藜蘆醇、兒茶素、表兒茶素、表兒茶素沒食子酸酯、沒食子酸、槲皮素、黃酮醇、和黃烷-3-醇等[15]。GSE 是公認(rèn)的抗氧化劑,其抗氧化能力是維生素E 的20 倍,是維生素C 的50 倍[16]。另外,它還具有強(qiáng)大的抗炎[17]、抗腫瘤[18]、促進(jìn)傷口愈合及組織修復(fù)的功效[19]。研究表明,GSE 還具有一定的廣譜抗菌活性,特別是對人類致病微生物如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、弗氏檸檬酸桿菌、凝固葡萄球菌和植物致病真菌等具有一定的殺菌效果[20, 21]。另外,GSE 安全無毒、無副作用,被美國食品藥品監(jiān)督管理局視為安全食品[22]?;谶@些特點(diǎn),GSE具有作為安全的天然抑菌劑應(yīng)用的潛能。

多種抗菌特性相結(jié)合從而增強(qiáng)抗菌療效對感染型傷口的治療意義重大。光熱療法(PTT) 是利用光熱轉(zhuǎn)換劑吸收近紅外光后,將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能,通過熱損傷殺死細(xì)菌的治療方法[23, 24],因其不易耐藥、無創(chuàng)性、局部發(fā)揮作用、快速高效的殺菌效果引起了廣泛關(guān)注[25]。金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(MPN) 由多酚化合物和金屬離子通過配位螯合作用在水溶液中快速自組裝形成[26]。MPN 中的金屬離子與多酚的配位使MPN 在近紅外區(qū)有相對較寬的吸收帶[27]。MPN 具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率,且光熱穩(wěn)定性好,可以作為光熱轉(zhuǎn)換材料,用于光熱治療。另外,多酚還具有很強(qiáng)的黏附性,可以在不同基底上黏附,MPN 可以在不同材料上構(gòu)建薄膜或涂層[26]。

Fe3+離子具有來源廣泛、獲取方便和對人體無毒副作用等特點(diǎn),相比其他金屬,F(xiàn)e3+離子在制備MPN 方面被廣泛應(yīng)用[28]。基于此,本研究以天然物質(zhì)SA、GSE、Fe3+離子為原料制備了一種化學(xué)光熱聯(lián)合抗菌的傷口敷料,即SA/GSE/Fe3+(SGF) 凍干凝膠。其中,SA 可以與Fe3+離子交聯(lián)得到海綿狀骨架,這種骨架具有良好吸收能力,可以吸收傷口滲出的生物液,為傷口提供干燥環(huán)境,促進(jìn)傷口修復(fù),并能促進(jìn)肉芽組織形成和傷口愈合。另外,GSE 具有殺菌、抗炎、促進(jìn)傷口愈合及組織修復(fù)的效果。同時,作為多酚類化合物,GSE 還可以與Fe3+離子配位自組裝成MPN 通過光熱作用抗菌,這種化學(xué)作用與光熱作用聯(lián)合殺菌可以協(xié)同提高殺菌效果。本文將天然敷料SA 與非抗生素抗菌劑GSE 結(jié)合,并聯(lián)合光熱作用發(fā)揮抗菌效果,在不添加抗生素的前提下避免創(chuàng)傷感染發(fā)炎,避免了細(xì)菌耐藥性,在傷口敷料中具有潛在的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

GSE:阿拉丁生化科技有限公司(中國,上海);海藻酸鈉(SA):重均分子量:9×104,麥克林生化科技有限公司(中國,上海);三氯化鐵六水合物(FeCl3·6H2O):天津希恩思生化科技有限公司(中國,天津);LB 液體培養(yǎng)基(干粉):北京索拉比奧生物科技有限公司(中國,上海);DMEM 高糖培養(yǎng)基:Gibco 公司;金黃色葡萄球菌(S.aureus, ATCC 25923)、大腸桿菌(E. coli, ATCC 25922):廣州微生物研究所;L929 小鼠成纖維細(xì)胞:中國科學(xué)院的細(xì)胞庫;無水乙醇:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無菌生理鹽水:w=0.9%,廣東科倫藥業(yè)有限公司;超純水:實(shí)驗(yàn)室自制。所有的溶劑和試劑均為分析純。

SPF 級BALB/c 雌性小鼠18~20 g:廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心(許可證編號SYXK(粵)2020-0147)。實(shí)驗(yàn)所用動物均在廣東醫(yī)科大學(xué)動物中心SPF 級動物房中飼養(yǎng)。所有動物實(shí)驗(yàn)均經(jīng)廣東醫(yī)科大學(xué)動物倫理委員會批準(zhǔn)并按照廣東醫(yī)科大學(xué)動物護(hù)理和使用委員會的指導(dǎo)方針進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

掃描電子顯微鏡(SEM):日本JEOL 公司JSM-IT500 型;多功能酶標(biāo)儀:美國BioTek 公司Synergy HI 型;紫外-可見分光光度計(jì):日本島津公司UV-2600 型;超聲波清洗儀:昆山市超聲儀器有限公司;恒溫干燥箱:上海善志儀器設(shè)備有限公司;渦旋振蕩器:美國Scientific Industries 公司Vortex-Genie 2 型;冷凍干燥機(jī):北京松源華光科技發(fā)展有限公司LGJ-10 型;紅外熱成像儀:美國 FLIR 公司FLIR E4 型。

1.3 SA/Fe3+(SF) 和SGF 凍干凝膠的制備

分別用超純水配制SA 和GSE 的水溶液,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%。將兩者以不同比例混合(w(SA) = 1%,ρ(GSE) = 0, 0.5, 0.75, 1.0 g/L),常溫下磁力攪拌20 min 使其混合均勻。取上述混合液4 mL 加入6 孔板中使其于4 ℃ 消除氣泡。隨后在?20 ℃ 條件下冷凍干燥12 h, 得到預(yù)制凍干凝膠。取5 mL、300 mmol/L 的FeCl3·6H2O 加入預(yù)制凍干凝膠中,靜置交聯(lián)30 min。隨后用去離子水多次清洗至無色,洗去殘留的鐵離子溶液。最后在?20 ℃ 條件下冷凍干燥12 h 得到SGF。用打孔器制成直徑為0.8 cm 的凍干凝膠圓片以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。SF 的合成過程中沒有加GSE,其余步驟與上述實(shí)驗(yàn)一樣。

SGF(x)表示GSE 的質(zhì)量濃度為x g/L。

1.4 吸水性測試

將凍干凝膠樣品裁成?8 mm×2 mm 的圓片,記錄其初始質(zhì)量 m1。然后,將凍干凝膠浸入 37 ℃ 的超純水中,浸泡30 min 使其達(dá)到溶脹平衡,樣品的飽和質(zhì)量記為m2。吸水率(WWAR)計(jì)算公式如下:

WWAR =(m2 -m1/m1)×100% (1)

1.5 孔隙率(P)測試

將凍干凝膠裁成?8 mm×2 mm 的圓片,初始質(zhì)量記為 m1,并通過基底面積和厚度計(jì)算得到其體積(V)。

在減壓條件下把凍干凝膠樣品浸入無水乙醇中,浸泡30 min 使其達(dá)到飽和。最后,取出凍干凝膠樣品并除去其表面殘留的乙醇,記錄飽和的凍干凝膠樣品的質(zhì)量m2??紫堵剩≒)計(jì)算公式如下:

P =(m2 -m1/ρEtOH ×V)×100% (2)

式 (2) 中 EtOH = 0:789 3 g=cm3。

1.6 光熱性能測試

將凍干凝膠裁成?8 mm×2 mm 的圓片放入 1.5 mL 的尖底離心管中,并加入 1 mL 超純水。隨后用激光(808 nm,1 W/cm2)照射10 min。在照射過程中用紅外熱成像儀拍攝不同時間點(diǎn)的熱圖像,時間間隔為30 s。讀取不同時間點(diǎn)熱圖像中的溫度,并根據(jù)溫度變化評估凍干凝膠樣品的光熱性能。

通過“開-關(guān)-開”激光的方法探究凍干凝膠樣品在連續(xù)激光開關(guān)交替下光熱轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。冷卻過程通過關(guān)閉光源讓樣品自然冷卻到室溫。用紅外熱成像儀記錄升溫-降溫過程。

1.7 體外抗菌性能測試

采用平板計(jì)數(shù)法考察凍干凝膠樣品對傷口感染后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能。

將金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的單個菌落分別懸浮在LB 液體培養(yǎng)基中,然后在37 ℃ 條件下以轉(zhuǎn)速220 r/min 振蕩孵育12 h,使其處于對數(shù)生長期。隨后通過離心獲得對數(shù)生長細(xì)菌,并將其重新懸浮在新鮮LB 培養(yǎng)基中。

將細(xì)菌懸浮液(0.5 mL,108 CFU/mL)加入含有凍干凝膠樣品(?8 mm×2 mm)的 48 孔板中。其中對照組只含有細(xì)菌懸浮液(0.5 mL,108 CFU/mL)。在近紅外照射(NIR)或不照射(Dark)的情況下處理樣品,其中近紅外組用激光(808 nm,1 W/cm2)照射10 min。隨后向每個孔中加入0.5 mL LB 培養(yǎng)基并將平板放在37 ℃ 下培養(yǎng)12 h。通過測量懸浮液在600 nm 處的吸光度(OD600)評估細(xì)菌的生存能力??咕剩≧A)按式(3)計(jì)算:

RA =(ODsample -ODcontrol/ODcontrol)×100% (3)

隨后將孔板中的細(xì)菌菌液用無菌生理鹽水稀釋10 000 倍,取10 μL 稀釋的菌液涂在固體瓊脂板上,在37 ℃下培養(yǎng)12 h。最后,觀察固體瓊脂板上的菌落數(shù)(CFU)。每組3 個平行實(shí)驗(yàn)。

1.8 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

通過CCK8 法來評估SGF 凍干凝膠的生物安全性。將L929 細(xì)胞接種到96 孔板中,密度為每孔5 000 個,加入DMEM 完全培養(yǎng)基并放入φ(CO2)=5% 的恒溫培養(yǎng)箱中共孵育24 h。待細(xì)胞貼壁生長后除去舊培養(yǎng)基并用PBS 洗滌2 次。加入用DMEM 完全培養(yǎng)基配制的0.5 g/L 的SF 和SGF(0.75)凍干凝膠混懸液,繼續(xù)孵育24 h。去除舊培養(yǎng)基后用PBS 洗滌2 次去除游離物質(zhì),然后每孔加入含CCK8(φ=10%)細(xì)胞培養(yǎng)基100 μL,避光孵育1 h 后,取90 μL 培養(yǎng)基上清液于另一96 孔板中,用酶標(biāo)儀檢測各孔在450 nm 波長處的吸光度(OD)。細(xì)胞存活率(Cv)計(jì)算公式如下:

Cv =(ODsample -ODblank/ODcontrol -ODblank)×100% (4)

1.9 溶血實(shí)驗(yàn)

取BALB/c 小鼠的新鮮血液1 mL 于含有肝素鈉的抗凝管中,向其中加入9 mL 無菌生理鹽水,搖勻后以750 r/min 的轉(zhuǎn)速離心10 min,棄去上清液,得到壓積紅細(xì)胞,并用無菌生理鹽水反復(fù)洗滌至上清液無色。最后用無菌生理鹽水將所得的壓積紅細(xì)胞稀釋成φ=4% 的紅細(xì)胞懸浮液,進(jìn)行溶血實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組為500 μL 的φ=4% 沉積紅細(xì)胞與500 μL 無菌生理鹽水配制的1 g/L 的SF 或SGF(0.75)混懸液,陽性組為φ=4% 沉積紅細(xì)胞和等體積的水,陰性組為φ=4% 沉積紅細(xì)胞和等體積的生理鹽水;混勻后置于37 ℃ 恒溫培養(yǎng)箱中孵育2 h,隨后以5 000 r/min 離心10 min。最終取200 μL 上清液于96 孔板中,室溫下靜置30 min,使其中血紅蛋白充分氧化成氧合血蛋白,用酶標(biāo)儀檢測540 nm 波長處的吸光度。溶血率(RH)通過式(5)計(jì)算:

RH =(ODsample -ODnegative/ODpositive -ODnegative)×100% (5)

1.10 止血實(shí)驗(yàn)

通過BALB/c 小鼠切尾實(shí)驗(yàn)考察SGF 的止血性能。實(shí)驗(yàn)分為4 組, 包括對照組、紗布組、SF 組和SGF(0.75)組,每組3 只BALB/c 小鼠。切掉BALB/c 小鼠長度30% 的尾巴,立即用紗布、SF 和SGF(0.75)快速包裹,對照組不進(jìn)行處理。記錄每只小鼠的失血量和止血時間,以評估SGF 的止血能力。

1.11 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行3 個平行實(shí)驗(yàn),其值表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SGF 凍干凝膠的合成和表征

將SA 或GSE 和SA 的混合物冷凍干燥獲得中間體。隨后將其浸入鐵離子溶液中并再次冷凍干燥以得到最終產(chǎn)物。凍干凝膠的外觀如圖1(a)所示,當(dāng)添加GSE 和Fe3+離子時,凍干凝膠的顏色從橙色變?yōu)辄S褐色,且隨著GSE 量的增加,凍干凝膠的黃褐色逐漸加深,這主要是由于添加的GSE/Fe3+復(fù)合物是黃褐色的。凍干凝膠的SEM 照片如圖1(b)所示,SF 和SGF 具有相似的疏松片狀結(jié)構(gòu),且具有互連的孔。因此,多孔支架賦予了凍干凝膠極高的吸水能力和更大的孔隙率。

凍干凝膠的孔隙率和吸水率測試結(jié)果如圖2(a)所示,SF 和SGF 均具有相對較高的孔隙率,孔隙率均超過37%。由于相對較高的孔隙率和SA 優(yōu)異的親水性,所有的凍干凝膠都獲得了約1 500% 的高吸水率(圖2(b))。SGF 的高孔隙率和高吸水率使其非常適合作為創(chuàng)傷敷料。

2.2 SGF 凍干凝膠的光熱特性

SGF 的光熱轉(zhuǎn)換性能如圖3 所示。由于GSE 與Fe3+離子形成了MPN,明顯促進(jìn)了SGF 的光熱效應(yīng)。當(dāng)近紅外激光(808 nm,1 W/cm2)照射10 min 后,SGF 溫度至少升高了20 ℃。通過增加GSE 的用量,升高的溫度可以從20 ℃ 增加到29.2 ℃(圖3(b))。相比之下,SF 經(jīng)照射后溫度僅升高了5.6 ℃(圖3(a,b))。由于SGF(0.75)和SGF(1.0)經(jīng)近紅外激光照射10 min 后升高的溫度幾乎一樣。因此,下文選擇SGF(0.75)作為代表性樣品以進(jìn)一步闡明其光熱特性。凍干凝膠的光熱轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性見圖3(c),由圖可見,每次光照后,凍干凝膠的溫度都能升高22 ℃ 左右,說明在光照-冷卻交替的過程中,凍干凝膠的光熱轉(zhuǎn)換能力較為穩(wěn)定。

2.3 SGF 凍干凝膠的體外抗菌性能

SGF(0.75) 的光熱抗菌性能如圖4 所示,無論有無近紅外照射,SF 都只能清除少量大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,抗菌效果較弱。SGF 在近紅外光照射10 min 后,顯示出增強(qiáng)的抗菌效果,且隨著GSE 含量的增加,抗菌效果逐漸增加,SGF(0.75) 或SGF(1.0) 樣品的測試結(jié)果顯示,近90% 的金黃色葡萄球菌和91% 的大腸桿菌被殺死。這是由于SGF 中的GSE 與Fe3+離子形成的MPN 具有光熱抗菌特性。以上結(jié)果表明,SGF 具有優(yōu)異的光熱抗菌性能。

2.4 SGF 凍干凝膠的細(xì)胞生物相容性

SGF 對L929 細(xì)胞的細(xì)胞毒性如圖5(a)所示,當(dāng)凍干凝膠的質(zhì)量濃度為0.5 g/L 時,SF 和SGF(0.75)的細(xì)胞存活率分別為99.9% 和76%。表明SGF 具有良好的生物相容性。因此,SGF(0.75)是安全且不會對正常細(xì)胞產(chǎn)生不良影響的較佳選擇。

凍干凝膠的生物安全性如圖5(b)所示,當(dāng)凍干凝膠的質(zhì)量濃度為0.5 g/L 時,SF 和SGF 的溶血率分別為3.1% 和2.9%, 均未高于國際標(biāo)準(zhǔn)要求的5%。由此進(jìn)一步證明了SGF 良好的生物相容性和安全性。

2.5 SGF 凍干凝膠的止血性能

SGF 的止血能力如圖6(a)所示,與紗布相比,SA 的失血量少且止血時間短,這是由于SA 具有較高的吸水能力和較大的孔隙率,有利于吸收傷口處滲出的血液。另外,SGF(0.75)組的失血時間進(jìn)一步減少,這是由于GSE 與Fe3+離子形成的MPN 具有細(xì)胞黏附特性,有利于凍干凝膠的止血。與紗布相比,SGF(0.75)失血量減少了31%,止血時間減少了66%(圖6(b,c))??梢?,SGF(0.75)具有更強(qiáng)的止血能力,適合作為傷口敷料用于臨床。

3 結(jié) 論

(1)采用凍干法,以SA、GSE、Fe3+離子為原料制備了SGF(0.75) 凍干凝膠。

(2)SGF(0.75) 凍干凝膠具有良好的光熱性能,在近紅外光照射 10 min 后,其溫度能升高 29.2 ℃。

(3)SGF(0.75) 凍干凝膠抗菌效果好,止血性能強(qiáng),生物相容性好,有望用于傷口敷料。

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基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(81803723);湛江市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引育“領(lǐng)航計(jì)劃”(2020 LHJH005);廣東醫(yī)科大學(xué)博士學(xué)位人員科研啟動項(xiàng)目(B2019010)

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