细菌纤维素基光敏抗菌材料的制备及其性能研究

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由于抗生素的滥用,耐药型细菌感染等疾病在全球蔓延,增加了健康风险和财政负担。光动力抗菌(aPDI)凭借广谱高效灭菌、不会使细菌产生耐药性等诸多优点,在消灭病菌、预防感染领域有很大的发展前景和实践意义。然而,光动力抗菌存在光敏剂不理想、可重复利用性差、对不同菌种存在抗菌差异等问题,阻碍了自身发展与应用。基于此,本课题将天然光敏剂竹红菌素(Hc)进行固定化处理,制备得细菌纤维素(BC)基光敏材料,对该材料的光动力抗菌能力进行评价并为抗菌能力的进一步提升提出方案。首先,利用桥联剂三聚氯氰(TCT)将天然光敏剂竹红菌素共价固载于细菌纤维素上,制备得竹红菌素-细菌纤维素(Hc-BC)纳米纤维膜。随后,测量竹红菌素在纤维素膜上的固载量以评价其固载效果;进行物理学(SEM、TGA、XRD)和光谱学(红外光谱、漫反射紫外光谱)表征,分析比较添加竹红菌素前后纤维膜的基本形貌、物理化学性能变化;检测纤维膜对小鼠成纤维细胞(L929)的细胞毒性以考察其对哺乳动物细胞的相容性。结果显示:竹红菌素固载量达到155 nmol/mg,固载效果良好;固载竹红菌素后,纤维素膜的疏水性有所提高,结晶度稍稍下降,热稳定性略有提高;浸提24 h后,Hc-BC膜无任何有害物质溶出,共价固定效果和生物相容性良好。其次,在光照/暗室条件下,测试竹红菌素固定化前后纤维膜对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)和大肠杆菌(革兰氏阴性菌)的抗菌效率,考察Hc-BC膜在不同条件(光照时间、浸泡时长、使用次数)下的光动力抗菌能力及耐用性。接着,评价光促/盐促协同作用下纤维膜对不同菌种的抗菌能力,探究碘化钾氧化产物促进抗菌的原理。结果表明:在氙灯(光强为65±5 m W/cm~2,波长为420~780 nm,光照30 min)照射下,Hc-BC膜对金球菌抗菌率达到了99.5+%,但对大肠杆菌几乎无杀菌作用;增加光照时长至60min,有利于Hc-BC膜提升抗菌效果,但对大肠杆菌来说仍不理想(49.5%);Hc-BC纤维膜上的光敏剂Hc不会溶出于缓冲液中,共价结合力可靠,但是纤维膜在使用四次后,对金球菌的杀菌率仅为43.2%,可重复利用性不佳。在抗菌过程中,添加浓度为20 m M的碘化钾(KI)水溶液后,Hc-BC膜对金球菌的抗菌率提升至99.999%,添加100 m M的KI后,对大肠杆菌的抗菌率提升至99.1%,其中促进抗菌作用的KI氧化产物主要是短寿命的碘自由基I·/I2·?。最后,将抗菌物质壳聚糖加入基材细菌纤维素中,制备得细菌纤维素/壳聚糖(BC/CH)复合抗菌材料,同样利用三聚氯氰将光敏剂竹红菌素共价负载于BC/CH纤维膜上,制备出具有光动力抗菌功能的纳米纤维膜。接着,对纤维膜进行物理学(SEM、TGA、XRD)和光谱学(红外光谱、漫反射紫外光谱)表征,分析壳聚糖和竹红菌素的加入对纤维膜形貌、结晶度、化学结构和热稳定性的影响,并研究了在光照/暗室条件下,纤维膜对金球菌和大肠杆菌的抗菌能力。结果表明:在基材中加入壳聚糖后,竹红菌素固载量提升至198 nmol/mg;固载竹红菌素后,纳米纤维膜表面变得不平整,结晶度和热稳定性略有降低。最为重要地,在暗室条件下,壳聚糖的抗菌作用赋予了纤维膜约90%的抗菌效果,可基本满足抑菌要求,在光照条件下,光敏剂竹红菌素与壳聚糖的协同抗菌作用使得纤维膜对金球菌的抗菌率提高到了99.9999%,抗大肠杆菌效率也达到了理想的99.49%;光照条件重复使用四次后,Hc-BC/CH膜对金球菌的杀菌率仍保持在85.42%,说明竹红菌素和壳聚糖的协同作用使得纤维膜的抗菌能力和重复利用性均有所提高,未来在抗菌领域具有良好的应用价值。
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