皮芯复合纳米纤维的制备及其在生物膜清除与识别中的应用

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慢性伤口被广泛认为是一种无声的流行病,无法通过正常和有序的修复过程使皮肤及时的达到功能及解剖上的完整状态,伤口愈合过程停滞导致持续数月甚至数年无法愈合。统计显示,全球约3%的人在一生中会被慢性伤口困扰,美国每年因慢性伤口导致的医疗保健费用超过200亿美元,不仅给大量病患带来了身体、心理及经济上的负担,也使公共卫生系统不堪重负。慢性伤口诱因复杂,细菌感染导致的细菌生物膜(Bacterial biofilm,BBF)定植、繁殖和侵袭性生长就是其中的关键诱因之一。BBF是多种细菌及胞外基质聚合物的聚集体,对抗生素的耐受性较浮游菌提高了10~1000倍,使得细菌免于宿主免疫的攻击并为细菌生长提供长期温床,导致伤口迁延难愈,创面pH在碱性化波动。研究表明,几乎所有细菌都能产生BBF,慢性伤口上有生物膜的比例高达80%。因此,有效应对BBF感染是治疗慢性伤口的关键。目前,临床主要采用各种物理(清创、超声、负压治疗等)、化学(纳米粒子、季铵盐等药物)及生物(噬菌体等)方法去除BBF,然而上述方法因存在对伤口造成机械伤害、有潜在细胞毒性、治疗效果有限等问题而使治疗效果不理想。与此同时,考虑到慢性伤口在感染初期指征不易察觉,尤其是在敷料的覆盖下鉴别困难,只有在出现严重症状时,才会就医进行伤口干预,但此时往往已形成不可挽回的后果。因此,需要对BBF进行及时、便捷且无伤害的监测。针对现有BBF感染应对方法的不足,本课题设计了一种具有皮芯结构的纳米纤维,以生物可降解聚乙醇酸(Polyglycolic acid,PGA)作为皮层基材,通过在纤维表面层层自组装引入抗菌肽—聚赖氨酸(Poly-L-lysine,ε-PL),这类阳离子多肽因具有广谱高效杀菌活性,不容易产生耐药性而成为了替代抗生素的“希望之星”。同时在PGA纤维主体中负载天然姜黄素从而达到协同增效抗菌效应。芯层的设计上考虑到伤口愈合中创面酸碱性会逐渐向酸性转变,选取茜素染料作为伤口pH的响应物质,以尼龙6(Polyamide 6,PA6)作为基材进行纺丝,从而实现对生物膜去除与识别的双重功能。主要研究内容和研究结果如下:1.依托电纺技术分别探究了皮层聚合物PGA与芯层聚合物PA6纯纺时的聚合物浓度对纤维形貌的影响,最终选取15 wt%的PGA和25 wt%PA6作为皮/芯基材进行探究。其中,皮层PGA纤维在负载姜黄素后可对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞杆菌产生一定抑制作用,茜素负载于芯层PA6纤维后仍具有裸眼可视的pH响应性。2.基于前述探索参数,利用同轴静电纺丝技术探究了可稳定形成(姜黄素/PGA)@(茜素/PA6)纳米纤维膜的制备参数,最终确定以0.12/0.10作为皮芯纺丝速比时,可形成皮层厚度为190 nm、芯层直径为677 nm的纤维。3.随后,利用层层自组装法对皮芯纳米纤维膜表面进行ε-PL涂覆,将pH为5、浓度为1 mg/m L的海藻酸钠与pH为3、浓度为2mg/m L的ε-PL交替吸附于皮芯纤维表面。结果表明,组装层数越多,抗BBF效果越好,当层数达到15层时,抗BBF率可以达到98%以上。4.最后,为验证芯层纤维对创面pH环境的响应性,将皮芯纤维膜置于不同pH(pH=6、7.4、8.7)的模拟体液中进行体外降解,结果证实历经降解过程后的芯层纤维仍可对创面pH产生裸眼可视化的颜色响应。
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