光动力增强型纳米复合膜的制备及抗菌性能研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangshilei19850715
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传统抗菌方法引发的细菌耐药性问题越发严重,与之相关的感染性疾病极大地提高了医疗风险并加重了社会负担。相比而言,光动力治疗(Photodynamic therapy,PDT)作为一种不易引发细菌耐药性的非特异性抗菌策略受到广泛关注。一般来说,PDT需要紫外或可见光引发光敏剂产生细胞毒性的活性氧物质(Reactive oxygen species,ROS),然而,该波长范围的光穿透性比较弱,且紫外光直接照射人体会引起不必要的损伤,这些问题在一定程度上限制了其作用效果和应用范围。此外,ROS具有极短的释放距离(几十到几百纳米)和寿命(几微秒),极大地限制其杀菌效果。本文针对目前PDT抗菌中存在的问题提出了几个策略用于增强其抗菌效果和应用范围,并设计进行了一系列工作,主要如下:1.利用静电纺丝技术制备了一种功能性上转换纳米粒子(Upconversion nanoparticles,UCNPs)负载的纳米复合膜。该复合膜本身不具有杀菌性能,但是在近红外(Near-infrared,NIR)光的照射下,展现出有效的抗菌能力。复合膜中的UCNPs在NIR照射下可以使光敏剂活化,引发ROS的释放。抗菌实验结果证明,在NIR照射下,该复合膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出有效的杀灭效果。此外,该复合膜的杀菌性能在重复使用4次后依然保持其有效性。细胞毒性实验结果表明,该复合膜对哺乳动物细胞没有明显的细胞毒性。该纳米复合膜可潜在应用于抗细菌感染和伤口愈合等领域,为新型的光响应抗菌材料提供了一种新的设计思路。2.以具有生物可降解性能的玉米醇溶蛋白和聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)的混合物为聚合物基体,利用静电纺丝技术将其与功能化的光活性纳米粒子(MSNF@MB)共掺杂,由于功能化纳米粒子的表面能降低,在静电纺丝的过程中可实现MSNF@MB在纳米纤维表面的自驱动性聚集,得到具有明显增强光动力抗菌效果的纳米复合膜。得益于MSNF@MB纳米粒子的表面自聚集特性,在可见光(660 nm)照射下,所制备复合膜可以显著增加ROS的产率并具有明显增强的表面疏水性,最终实现高效的抗细菌粘附和PDT协同抗菌效果。该策略可以克服粉末状抗菌材料在使用过程中的不可控分散问题,突破纳米粒子掺杂基质中低ROS产量的限制,为提高复合材料的光动力抗菌效果提供了一种新的思路,具有潜在的应用价值。3.设计合成了一种由单一NIR光源引发兼具有PDT和光热治疗(Photothermal therapy,PTT)协同抗菌效果的纳米复合膜。首先,以UCNPs为内核,TiO2纳米粒子为外壳,合成了具有二级结构的纳米粒子(UCNPs@TiO2)。然后,将纳米级氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为光热试剂掺杂至UCNPs@TiO2纳米粒子中,得到UCNPs@TiO2@GO纳米复合物。最后,利用静电纺丝技术将UCNPs@TiO2@GO与聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)进行复合,得到纳米复合膜(UTG-PVDF)。在单一NIR(980 nm)照射下,该复合膜可以同时产生ROS和适当的光热效应,最终实现高效的PDT和PTT协同抗菌疗效。此外,该复合膜可以有效地抑制炎症反应并加速伤口愈合,在治疗伤口愈合过程中的感染性并发症方面具有巨大的应用潜力。4.设计合成了一种具有PDT和NO协同抗菌效果的纳米复合膜。实验中,首先合成了UCNPs和卟啉MOFs(Metal-organic frameworks,PCN224)二级结构纳米粒子(UCNP@PCN),在NIR引发下,实现从UCNPs到MOFs有效的荧光共振能量转移,进而触发ROS的产生。此外,通过静电相互作用,将L-精氨酸(LA)与UCNP@PCN复合,在ROS存在下,可以实现NO的可控释放。利用静电纺丝的方法将该纳米粒子与PVDF进行复合,得到复合纤维膜UCNP@PCN@LA-PVDF。在NIR照射下,该复合膜可以实现可控的PDT和NO协同抗菌作用,其中,具有相对较长传播距离的NO可以弥补ROS传输距离短,杀菌效力弱的缺陷,增强抗菌效果。此外,该复合膜可应用于体内真皮创伤的抗感染治疗,在治疗伤口耐药菌感染性疾病方面具有潜在的应用价值。
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