电纺聚乙烯醇纤维结合抗菌凝胶用于酶控活性氧释放的研究

材料学 化学 高分子化学 有机高分子材料 生命科学 生物工程 生物化学 微生物学
抗菌 电纺 过氧化氢 聚乙烯醇 活性氧 组织工程 伤口敷料

抗菌凝胶结合电纺聚乙烯醇纤维用于酶控活性氧释放的研究

学术背景

皮肤是人体抵御感染的第一道防线，而伤口的出现会破坏这一屏障，增加感染风险。随着抗生素耐药性的增加，开发新型抗菌疗法变得尤为重要。传统的抗生素疗法不仅可能导致耐药性，还可能引发副作用，如细胞和器官毒性、过敏反应以及对肠道微生物组的负面影响。因此，局部抗菌治疗成为了一种更优的选择，尤其是将抗菌剂整合到伤口敷料中，以提高其有效性并减少毒性。

近年来，活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）如过氧化氢（H2O2）因其抗菌特性而受到关注。ROS不仅能够杀死病原体，还在伤口愈合的各个阶段发挥重要作用。然而，如何实现ROS的持续释放并确保其在伤口局部的有效浓度，仍然是一个挑战。为此，研究人员开发了一种名为RO-101®的抗菌凝胶，它能够通过酶促反应在伤口局部释放H2O2。然而，凝胶的直接应用在临床环境中存在一些问题，如难以保持与伤口的直接接触、短期抗菌作用等。

为了解决这些问题，研究人员尝试将RO-101®凝胶整合到电纺聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）纤维中，以制备一种能够持续释放H2O2的抗菌伤口敷料。电纺技术能够制备出具有高比表面积和孔隙率的纳米纤维，这些特性使其成为理想的药物递送载体。此外，PVA具有良好的生物相容性和水溶性，适合用于组织工程和伤口敷料。

论文来源

这篇论文由Joel Yupanqui Mieles、Cian Vyas、Evangelos Daskalakis等研究人员共同完成，他们分别来自英国曼彻斯特大学机械、航空航天与土木工程系、新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院等机构。论文于2024年11月7日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00312-3。

研究流程与结果

1. 电纺PVA/RO-101纤维的制备

研究人员首先制备了PVA溶液，并将其与RO-101®凝胶混合，形成均匀的聚合物溶液。为了改善纤维的均匀性，研究人员还加入了表面活性剂Triton-X 100。随后，使用垂直电纺系统制备了PVA/RO-101纤维。通过调节RO-101®的浓度，研究人员制备了不同比例的PVA/RO-101纤维，分别为PVA RO20、PVA RO30、PVA RO40和PVA RO50。

2. 纤维的形态与化学结构表征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员发现所有纤维均呈现出光滑且均匀的形态，直径在200-500纳米之间。随着RO-101®浓度的增加，纤维直径逐渐增大。核磁共振（NMR）光谱分析进一步证实了RO-101®凝胶成功整合到了PVA纤维中，且其化学结构在电纺过程中未发生显著变化。

3. H2O2释放性能评估

研究人员使用Amplex® Red试剂盒测定了PVA/RO-101纤维的H2O2释放性能。结果显示，PVA/RO-40纤维在24小时内释放的H2O2浓度超过1 mmol/(g·ml)，且随着RO-101®浓度的增加，H2O2的释放量显著增加。此外，研究人员还评估了不同灭菌方法（紫外线和γ射线）对H2O2释放的影响，发现γ射线灭菌对H2O2释放的影响较小，而紫外线灭菌则显著降低了H2O2的释放量。

4. 抗菌性能测试

研究人员通过琼脂扩散实验和24小时杀菌实验评估了PVA/RO-101纤维的抗菌性能。结果显示，PVA/RO-40纤维对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如铜绿假单胞菌）均表现出显著的抗菌活性，能够将菌落形成单位（CFU）减少1个对数单位。此外，PVA/RO-101纤维还能够有效抑制生物膜的形成，尤其是对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等耐药菌株。

5. 细胞相容性测试

为了评估PVA/RO-101纤维的生物相容性，研究人员进行了成纤维细胞活力和增殖实验。结果显示，低浓度的RO-101®（如PVA RO20）对细胞活力和增殖无显著影响，表现出良好的细胞相容性。然而，随着RO-101®浓度的增加，细胞活力和增殖率逐渐下降，表明高浓度的RO-101®可能对细胞产生毒性。

结论与意义

这项研究成功地将RO-101®抗菌凝胶整合到PVA电纺纤维中，制备出了一种能够持续释放H2O2的抗菌伤口敷料。该敷料不仅具有良好的抗菌性能，还能够有效抑制生物膜的形成，尤其对耐药菌株表现出显著的抑制作用。此外，PVA/RO-101纤维还具有良好的细胞相容性，适合用于伤口愈合和组织工程应用。

这项研究的科学价值在于提供了一种新型的抗菌伤口敷料制备方法，通过电纺技术实现了ROS的持续释放，解决了传统凝胶敷料在临床应用中的局限性。此外，研究还揭示了不同灭菌方法对H2O2释放性能的影响，为未来抗菌敷料的开发提供了重要参考。

研究亮点

  1. 创新性抗菌敷料：通过电纺技术将RO-101®凝胶整合到PVA纤维中，实现了H2O2的持续释放，解决了传统凝胶敷料的局限性。
  2. 抗菌性能优异：PVA/RO-101纤维对多种细菌（包括耐药菌株）表现出显著的抗菌活性，并能够抑制生物膜的形成。
  3. 良好的细胞相容性：低浓度的RO-101®对细胞活力和增殖无显著影响，适合用于伤口愈合和组织工程应用。
  4. 灭菌方法的影响：研究揭示了不同灭菌方法对H2O2释放性能的影响，为未来抗菌敷料的开发提供了重要参考。

这项研究为抗菌伤口敷料的开发提供了新的思路，具有重要的临床应用前景。