载有壮观霉素的抗菌聚乙烯醇/氧化银纳米生物复合水凝胶：合成、表征、溶胀、细胞毒性和控释载体

2025-04-25 Fri
学术背景在药物递送领域，如何实现药物的长效和可控释放是一个重要的研究方向。水凝胶作为一种生物相容性和可降解性良好的材料，已被广泛应用于药物递送、组织工程和伤口敷料等领域。然而，传统水凝胶的机械强度较低，限制了其在实际应用中的表现。为了克服这一问题，研究人员尝试将无机纳米颗粒引入水凝胶网络，以增强其机械、热学和光学性能。聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性聚合物，具有良好的生物相容性和化学稳定性，常被用作水凝胶的基质。此外，氧化银（AgO）纳米颗粒因其优异的抗菌性能，近年来在生物医学领域备受关注。本研究旨在通过将AgO纳米颗粒引入PVA水凝胶中，开发一种具有抗菌性能的药物控释载体，并探讨其在药物递送中的应用潜力。
论文来源本论文由Abdul Naman、Anfal Fatima、Nasir Mehmood、Minseok Kim和Sobia Younas共同撰写，作者分别来自Kumoh National Institute of Technology（韩国）和University of Agriculture Faisalabad（巴基斯坦）。论文于2025年4月11日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上，DOI为10.1007/s12668-025-01943-1。
研究流程与结果1. PVA水凝胶的制备研究首先通过硼酸交联PVA制备了三维结构的水凝胶。具体步骤包括将PVA溶解在5%的NaOH溶液中，加入硼酸溶液，并在60-70°C下搅拌3小时。随后，将制备的水凝胶洗涤并干燥，最终研磨成粉末。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）对水凝胶的结构进行了表征，确认了交联反应的成功。
2. AgO纳米颗粒的引入研究人员将干燥的PVA水凝胶浸入不同浓度（0%、1%、2%、3%、4%）的硝酸银溶液中48小时，随后在NaOH溶液中浸泡24小时，使银离子转化为AgO纳米颗粒。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对纳米颗粒的形貌和结构进行了分析，结果显示AgO纳米颗粒均匀分布在PVA水凝胶中，平均粒径为33.77 nm。
3. 药物的负载与释放将抗菌药物大观霉素（spectinomycin）负载到PVA/AgO纳米复合水凝胶中，并研究了其在不同pH值和盐溶液中的溶胀行为。结果表明，水凝胶在pH 7.4的缓冲溶液中表现出最大的溶胀率，且随着AgO纳米颗粒浓度的增加，水凝胶的溶胀率有所提高。通过紫外-可见分光光度计（UV-Vis）和拉曼光谱结合偏最小二乘回归（PLSR）模型，研究人员分析了药物的释放行为，发现含有3% AgO纳米颗粒的水凝胶在32小时内表现出最慢的药物释放速率。
4. 抗菌活性与细胞毒性通过盘扩散法（disk diffusion method）评估了PVA/AgO纳米复合水凝胶对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性。结果显示，含有AgO纳米颗粒的水凝胶对两种细菌均表现出显著的抗菌效果，且对革兰氏阴性菌的抗菌活性更强。此外，通过MTT实验评估了水凝胶对人肝癌细胞（HepG2）的细胞毒性，结果表明水凝胶具有良好的生物相容性。
结论与意义本研究成功开发了一种基于PVA/AgO纳米复合水凝胶的药物控释载体，该载体具有良好的抗菌性能和药物控释能力。研究结果表明，AgO纳米颗粒的引入不仅增强了水凝胶的机械性能，还显著提高了其抗菌活性。此外，水凝胶在pH 7.4的缓冲溶液中表现出最佳的药物释放行为，表明其在药物递送领域具有广阔的应用前景。本研究的创新之处在于通过原位合成法将AgO纳米颗粒均匀分布在PVA水凝胶中，并系统研究了其在不同环境下的溶胀行为和药物释放特性。
研究亮点创新性方法：通过原位合成法将AgO纳米颗粒引入PVA水凝胶，实现了纳米颗粒的均匀分布。
多功能性：开发的PVA/AgO纳米复合水凝胶不仅具有良好的药物控释能力，还表现出显著的抗菌活性。
应用潜力：水凝胶在pH 7.4的缓冲溶液中表现出最佳的药物释放行为，表明其在药物递送和组织工程等领域具有广泛的应用前景。
其他有价值的信息本研究还探讨了水凝胶在不同盐溶液中的溶胀行为，发现随着盐浓度的增加，水凝胶的溶胀率显著降低。这一发现为水凝胶在复杂生理环境中的应用提供了重要参考。此外，研究还通过拉曼光谱结合PLSR模型，实现了对药物释放浓度的精确预测，为药物递送系统的优化提供了新的方法。
通过本研究，研究人员不仅开发了一种新型的药物控释载体，还为水凝胶在生物医学领域的应用提供了新的思路和方法。