多功能纳米纤维膜及其富集细菌、检测和抑菌性能研究

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研究目的:耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的感染率不断增加,已成为医院和社区感染最重要的病原菌之一,给公共卫生带来严峻挑战。开发新型抑菌剂和抑菌材料对于有效控制感染是十分必要的。本研究选择耐药金黄色葡萄球菌株ATCC43300为模式菌,通过研究聚合物纳米纤维膜的结构、组成和形貌,分析纤维膜对细菌的粘附性能,载入抗菌制剂制备一种多功能纳米纤维膜,用于耐药菌的抑制、伤口渗出液管理和即时监测,为MRSA的感染控制提供技术支持。研究方法:1.采用静电纺丝技术分别制备纯聚合物纳米纤维膜和复合纳米纤维膜,并通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和水接触角测试仪等对纤维膜进行表征。2.利用细菌粘附实验探索不同聚合物膜基质材料对纳米纤维膜粘附和富集病原菌效果的影响。3.参照美国国家临床实验室标准化委员会颁布的方案(CLSI M100、CLSI2008 M27-A3),进行多金属氧酸盐(P2W18)和抗生素苯唑西林(OXA)的体外单独及联合抑菌实验。采用琼脂扩散法、吸收法、活死细胞染色法和时间动力学等研究载入P2W18和OXA的复合纳米纤维膜的体外抗MRSA活性。4.采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和高效液相色谱仪分别测定复合纳米纤维膜中P2W18和OXA的释放情况。5.采用CIE LAB颜色坐标分析酚红(PSP)在水溶液中和复合到纤维膜中时的p H指示性能,并分析纤维膜显色的重复性及稳定性。6.利用视频采集分析双层纳米纤维膜中液体的单向渗透现象,评价纤维膜的液体引流效果。7.选择SPF级ICR雄性小鼠(28~30 g)作为体内实验对象,在其后背造成10 mm的圆形全层伤口并施加MRSA菌液(10~8 CFU/m L)作为感染模型,以伤口面积、H&E染色、Masson染色、小鼠体重、伤口床细菌、创面的愈合情况等作为观察指标,评价多功能纳米纤维膜的体内抑菌性能。8.选择人角质形成细胞Ha Ca T细胞作为受试细胞,采用MTT法评价纤维膜的细胞毒性;采用溶血实验评价纳米纤维膜的血液相容性;小鼠脏器组织学分析来评价纤维膜的体内安全性;采集小鼠外周血进行血清生化分析,评价纤维膜的生物安全性。研究结果:1.成功制备聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)和聚乳酸(PLA)聚合物纳米纤维,三种纤维均为白色,直径分别为607.22±28.74 nm、976.49±85.41nm、382.9±29.77 nm。以PLA基底的OXA/PLA、P2W18/PLA和OXA/P2W18/PLA纤维膜表现出疏水性,直径分别为455.03±57.00 nm、451.80±31.64 nm和425.49±53.56 nm;以PAN为基底的PSP/PAN纳米纤维呈红色,具有亲水性,5%PSP/PAN、11%PSP/PAN和25%PSP/PAN的直径分别为508.61±34.41 nm、431.23±19.21 nm和516.65±44.30 nm。2.PLA纳米纤维粘附金葡菌的效果优于PAN和PS纳米纤维。同时,延长孵育时间有利于纤维膜与病原菌的粘附。3.体外抑菌实验结果表明P2W18和OXA对MRSA的最低抑菌浓度(MIC)分别为大于64μg/m L和大于16μg/m L;而当二者联合用药,P2W18浓度为1、2、3、4μg/m L,OXA的MIC分别为8、0.5、0.125、0.125μg/m L;P2W18浓度达到2μg/m L时,联合抑菌指数(FIC)为0.10。4.纤维膜抑菌实验结果表明,PLA和OXA/PLA纤维膜未见抑菌带,P2W18/PLA纤维膜的抑菌带宽度为0.68 mm,OXA/P2W18/PLA纤维膜的抑制带宽度为3.45 mm。PLA、OXA/PLA、P2W18/PLA和OXA/P2W18/PLA的抑菌率分别为18.52、41.19、94.02和99.71%。对照组、PLA组和OXA/PLA组的细菌生长较快,P2W18/PLA组和OXA/P2W18/PLA组在9 h内无细菌生长,而9 h后只有OXA/P2W18/PLA纤维膜能抑制MRSA生长。对照组几乎没有发现死亡细菌,OXA/PLA和P2W18/PLA组中观察到少量死亡细胞,而OXA/P2W18/PLA组几乎没有MRSA细胞存活。5.OXA/P2W18/PLA纤维的药物释放结果表明,P2W18和OXA在24 h的累计释药率分别达到60.51%和71.42%。6.PSP/PAN纤维膜在p H 5.5-8.5下具有良好的显色能力。5%、11%和25%的PSP/PAN纤维膜的LAB值逐渐接近PSP在水溶液中的颜色和LAB值。-20℃、4℃和40℃温度条件对纤维膜p H指示效能没有影响,并且PSP/PAN纳米纤维的颜色变化可逆。7.以3 mm孔径的金属收集器,PSP/PAN纤维膜和OXA/P2W18/PLA可以形成稳定的复合膜结构,可以在20 s内将水滴从疏水层OXA/P2W18/PLA完全排出到亲水PSP/PAN层。8.体内实验结果表明,OXA/P2W18/PLA组和PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA组的创面愈合显著高于其他组(p<0.05)。对照组、PLA组、OXA/PLA组和P2W18/PLA组表皮中可见大量炎症细胞,而OXA/P2W18/PLA组和PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA组的炎症水平较低。PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA组可见深色成熟胶原纤维,其余各组的胶原纤维为浅色。第1天各组细菌数在5.5-14.0×10~6 CFU范围内,而第10天时,PLA组、OXA/PLA组、P2W18/PLA组的MRSA细胞数均大于6.5×10~5CFU,OXA/P2W18/PLA组和PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA组的MRSA菌落数小于1.0×10~5 CFU。9.细胞毒性结果表明,PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA纤维膜作用24、48、72 h后,Ha Ca T细胞存活率分别为93.86%±4.79%,103.83%±8.99%,96.75%±1.08%。对照组、PLA组、OXA/PLA组、P2W18/PLA组、OXA/P2W18/PLA组和PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA组处理的红细胞溶血率分别为9.27%±0.13%、6.77%±0.07%、7.20%±0.26%、7.41%±0.19%、8.00%±0.13%和10.29%±1.21%。组织分析结果表明,各组纤维处理小鼠的心、肝、脾、肺、肾均未见严重的器官损伤、组织学异常或炎症病变。纤维膜处理小鼠的血清指标与对照组相比均无显著差异(p>0.05)。研究结论:1.通过静电纺丝技术成功制备得到PAN、PS、PLA纳米纤维以及PLA基和PAN基的复合纳米纤维膜,所有纤维形貌光滑均匀,具有良好的可纺性。PLA纳米纤维对细菌有出色的富集和粘附能力。2.P2W18和OXA联合用药可以增强对MRSA的敏感性,OXA/P2W18共纺得到的OXA/P2W18/PLA纤维膜具有优异的抗MRSA活性。3.PSP/PAN纤维膜在不同p H范围内发生明显颜色变化,具有良好的重复性和稳定性,可用于伤口愈合的原位检测。双层PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA纤维膜具备将液体主动泵出到外侧的组织液管理能力。4.PSP/PAN/OXA/P2W18/PLA纤维膜在体内实验中展现出出色的抑菌、检测和泵出液体的能力,可以有效促进创面感染的愈合并表现出良好的生物相容性。
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