仿生图案化对多糖类止血敷料抗菌性能影响的研究

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在野外及战场条件下,感染是出血伤口常见的并发症之一。多糖类敷料,如壳聚糖敷料等,具有优良的止血性能,被用作院前安全有效的出血控制辅助物,但相对有限的抗菌能力制约着它们的使用。自然界生物体以各种精细、高度可重复的方式产生了无数纳米、微观和宏观尺度上的功能界面,展现出抗细菌粘附、自清洁等生物特征,如鲨鱼皮、蝶翅等,给仿生工程设计带来很多灵感。为进一步提高多糖类敷料的抗菌等性能,避免化学修饰及抗菌剂添加带来的潜在风险,本文分别采用模具印迹法和原位3D打印法,制备出两类仿生图案化功能敷料,并进行了系统的理化表征及生物学性能评价。在模具印迹法中,通过模拟鲨鱼皮表面形貌特征,构建出鲨鱼皮仿生图案模型。根据现有加工精度及壳聚糖/甘油溶胶特性,确定图案模型参数,并使用精雕机减材制造方式加工模具,通过等材制造方式制备出系列壳聚糖/甘油仿生图案化膜。分别采用扫描电子显微镜、傅立叶变换红外光谱、力学性能、水蒸气透过率、吸液行为、溶解度和动态接触角等测试手段对膜的表面形貌、化学结构和物理特性进行了表征。随后,进行了一系列的体内外生物学检测,包括抗菌性能、凝血性能、溶血反应、细胞毒性和污染伤口愈合评价。结果表明:与平面膜相比,仿生图案化膜具有更强的吸水能力(30 min最高可达自身干重的26.6倍)、中等拉伸强度(8.5-14.7 MPa)、适当的水蒸气透过率(1740.6-2429.9 g m-2 d-1)、高抑菌率(对金黄色葡萄球菌ATCC 6538为84.9%-98.6%,对大肠杆菌ATCC 8739为84.6%-99.6%)、良好的促凝效果(体外全血凝固时间为63.3-75.7 s)、低溶血率(小于0.5%)和低细胞毒性(细胞活性为84.2%-98.4%),并能有效促进大鼠体内污染伤口的早期愈合。以0.4%甘油浓度(壳聚糖与甘油质量比为10:1)的图案膜效果最佳。低浓度甘油的添加有利于膜在液体中形状保持,以保证膜的功能稳定性。图案化能有效增加膜的表面积,充分发挥了壳聚糖分子链中活性氨基的作用,提升了膜的抗菌等性能。在原位3D打印法中,通过模拟蝶翅表面形貌特征,构建出蝶翅仿生图案模型。根据壳聚糖/甘油溶胶的流变性,确定适合3D打印的生物墨水组成及打印参数。按照仿生图案模型规划3D打印路径,并运用G-code指令对打印路径进行编程。在现有商品化敷料表面进行壳聚糖增材制造,得到仿蝶翅图案化复合敷料。分别采用扫描电子显微镜、水蒸气透过率、溶胀度、溶解度等测试手段对敷料的表面形貌和物理特性进行了表征。随后,进行了一系列的体内外生物学检测,包括抗菌性能、凝血性能、溶血反应、细胞毒性和污染伤口愈合评价。结果表明:与原始敷料和壳聚糖平面修饰敷料相比,仿生图案化敷料具有更高的溶胀度(30 min可达自身干重的10.1倍)、适当的水蒸气透过率(953.1 g m-2 d-1)、较高抑菌率(对金黄色葡萄球菌ATCC 6538为82.3%,对大肠杆菌ATCC 8739为80.6%)、良好的促凝效果(体外全血凝固时间为70.3 s)、低溶血率(小于0.5%)和低细胞毒性(细胞活性为103.7%),能更好地抑制大鼠体内污染创面炎症的发生,更有利于皮肤组织重塑。通过壳聚糖图案化修饰纤维素基敷料,充分发挥了两种多糖类物质在止血、抗菌等方面的协同作用,提高了敷料的整体性能。综上,对多糖类敷料表面进行仿鲨鱼皮/蝶翅图案化物理改性,不仅提高了敷料的抗菌性,还能发挥良好的促凝效果和有效的污染伤口愈合能力。此外,该工艺还具有操作简单、成本低廉、便于大规模生产等优点。这类仿生图案化多糖类敷料可作为皮肤伤口愈合合适的候选敷料,对现有敷料的改进具有一定的指导意义,并为开发其他仿生界面拓展潜在应用提供借鉴思路。
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