多组分（壳聚糖/纳米银/聚乙烯醇）系统的抗菌伤口敷料纳米纤维垫外文翻译资料

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Carbohydrate Polymers 100 （2014） 166–178

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Carbohydrate Polymers

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多组分（壳聚糖/纳米银/聚乙烯醇）系统的抗菌伤口敷料纳米纤维垫Abdelrahman M. Abdelgawada，lowast;， Samuel M. Hudsona， Orlando J. Rojasb

a Fiber and Polymer Science Program， College of Textiles， North Carolina State University， Campus Box 8301， NC， USA

b Department of Forest Biomaterials and Chemical and Biomolecular Engineering， North Carolina State University， Campus Box 8005， NC， USA

文章信息

摘要

Article history:

Received 1 August 2012

Received in revised form 6 November 2012 Accepted 13 December 2012

Available online 29 December 2012

Keywords:

Silver nanoparticles Chitosan Electrospinning Antimicrobial Polyvinyl alcohol

当前已经开发了抗菌应用的新型混合纳米材料。本文介绍了一条生产抗菌纳米纤维垫的绿色途径，即装载包裹在葡萄糖还原后的壳聚糖内的银纳米粒子（Ag-NPs，25nm直径）。纳米纤维垫由与聚乙烯醇共混的基于壳聚糖的Ag-NPs的胶体分散体系获得。通过静电纺丝和与戊二醛交联获得纳米纤维（150nm平均直径和窄的尺寸分布）。通过原子吸收光谱研究交联对银释放的影响。通过活细胞计数研究抗菌活性；比较装载银的垫和具有不同交联度的对照样品（壳聚糖/ PVA）在减少或停止需氧细菌的生长中的有效性。结果表明，将壳聚糖与Ag-NPs结合，具有优异的性能和协同的抗菌效果。copy; 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

  1. 前言

纳米材料和纳米结构可以为水处理、能量转换、催化和医学领域的技术和环境问题提供解决方案（Dahl，2007；Hutchison，2008）。纳米级产品需求的增加必须伴随着绿色合成方法。绿色化学和绿色化学过程正在与科学和工业的最新发展相结合，试图减少危险废物的产生（Anstas，1998）。相关原则旨在尽量减少不安全产品的使用，并在使用环境安全的溶剂和无毒化学品的同时最大限度地提高过程效率。

与宏观或大块材料相比，纳米颗粒（NPs）的尺寸，表面和形态赋予它们独特的物理和化学性质（Kamyar，2010）。NPs和纳米材料的新应用正在迅速出现；例如，Ag-NPs作为抗菌医用纺织品和伤口敷料材料已经引起了广泛的研究（Choi，2008；Hebeish，2011；Rujitanaroj，2008；Sharma，2009）。通常记载，Ag-NPs可以附着于细胞壁，干扰其通透性和膜间交换。Ag-NPs还可以穿透细胞内部，通过与包含DNA和蛋白质在内的含磷、含硫生物分子相互作用而导致损伤。

另一种可能的机理是Ag-NPs释放银离子（Sambhy，2006）。通常，银不会对活哺乳动物细胞产生不利影响，并且不易被微生物

lowast; Corresponding author at: 3114 College of Textiles， North Carolina State Univer- sity， Campus Box 8301， NC， USA. Tel.: 1 919 8028027.

E-mail address: aabdelg@ncsu.edu （A.M. Abdelgawad）.

抵抗。因此，银已经以各种形式掺入不同的材料中，并用于烧伤敷料中以防止微生物污染（Brett，2006）。

迄今报告的大部分Ag-NPs的合成方法依赖于使用有机溶剂和有毒还原剂，这些物质反应活性高，并构成潜在环境和生物风险，包括肼（Sakai，2009），N，N-二甲基甲酰胺（Pastoriza-Santos，2002）和硼氢化钠（Van Hyning，2001）。此外，使用有机聚合物模板被认为是合成Ag-NPs最有效的替代方法之一（Boˇzanirsquo;，2011；Konwarh，2011）。除了生产具有受控尺寸，形状和分布的稳定且良好分散的NPs之外，有机聚合物还能合并自身的固有性质与金属NPs的性质。早期的汇报涉及了生物聚合物如壳聚糖（Huang，2004），肝素（Yanli，2008）和可溶性淀粉（Vigneshwaran，2006）作为制备Ag-NPs的还原和稳定剂。

壳聚糖是一种由天然存在的几丁质衍生的多糖，由于存在活性氨基和羟基团，表现出独特的聚阳离子，螯合和成膜性质。壳聚糖是一种常见的生物聚合物，具有革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的抗菌活性，已经应用于许多研究（Rabea，2003）。然而，它对细菌的作用机制仍然未完全被理解。一些假设表明聚阳离子壳聚糖可以与细胞表面上的阴离子基团相互作用，从而导致膜通透性的增加，甚至可能破坏膜结构，并促进细胞蛋白的渗漏。另一种机制涉及到微量元素或必需营养物形成壳聚糖螯合物，导致抑制酶的活性（Rabea，2003；Limand Hudson，2004）。到目前为止，已报道壳聚糖有助于金属纳米颗粒的合成，主要是金和银纳米颗粒（Dongwei Weia，2009）。然而据我们所知，只有少数研究考虑使用壳聚糖-金属纳米复合材料作为抗菌伤口敷料材料（Hang，2010；Zhuanga，2010）。

0144-8617/$ – see front matter copy; 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.12.043

据报道，静电纺丝垫具有作为伤口敷料的巨大潜力（Pillai，2009；Zhou，2006）。静电纺丝是一种用于使用不同材料的带电射流来制造纤维的方法，包括直径从几微米到几百纳米的聚合物。因为电纺（e-spun）纳米纤维具有高孔隙率和非常小的孔径，它们具有比铸膜更大的特定表面积（Jia，2007）。很少有报告通过不同的抗微生物机制的组合来设计复合材料，尤其是基于壳聚糖纳米纤维和Ag-NPs的高效抗菌伤口敷料纳米复合材料（Hang，2010）。大多数制备方法依赖于Ag-NPs在静电纺丝过程中的原位还原（Hang，2010）或随后对纳米片应用热处理（Rujitanaroj，2008）。此外，这些方法适用于低银浓度，不适用于经济的大规模生产。

本工作的目的是将嵌入在壳聚糖中的Ag-NPs与聚乙烯醇（PVA）组合以通过绿色方法产生用于伤口敷料的抗微生物纳米纤维垫，该方法包括两个步骤：（1）以高产率制备Ag-NPs和用绿色还原剂尽可能高浓度的包封壳聚糖，（2）壳聚糖-Ag-NPs/PVA共混物的静电纺丝。为了改善混合体系的可纺性，壳聚糖/Ag-NPs的胶体溶液与PVA将以不同的比例混合。进行纳米纤维的化学交联以保持纤维的完整和形态，并控制活性成分从垫中的释放。具有最高壳聚糖/Ag-NPs含量的纤维垫会针对大肠杆菌进行测试，大肠杆菌被认为是最广泛的创伤烧伤感染性细菌之一。

  1. 实验

壳聚糖，CS（Mv=300kDa和85％脱乙酰度）来自VansonTRCompany（USA）。聚乙烯醇，硝酸银（AgNO3），葡萄糖，冰醋酸和戊二醛溶液（25％）均为实验室级试剂，来自FisherScientific（USA）。所有实验中使用双蒸水。

2.1. 壳聚糖基Ag-NPs

Ag-NPs通过简单的化学还原硝酸银得到，以葡萄糖和壳聚糖作为还原和保护聚合物。在三颈烧瓶中，100mL壳聚糖溶液（0.5-3％）溶解在醋酸水溶液（2％）中，并将冷凝器连接到烧瓶的一个颈部。反应加热至所需温度（25℃至95℃），用油浴调节。将给定质量（0.045-0.72g）的金属前驱体硝酸银（AgNO3）溶解在少量的蒸馏水（2mL）中。使用10mL塑料注射器将银盐溶液添加至壳聚糖溶液中，或使用自动注射器以恒定速率逐滴添加。将该溶液连续搅拌（磁力搅拌器）5分钟，以确保金属前驱体在聚合物溶液中的均匀分布。还原剂葡萄糖的浓度基于与金属前驱体浓度的摩尔比（1:0-1:10）计算。将所需量的葡萄糖溶解在3mL蒸馏水中，然后经由自动注射泵以1。5mL/h的恒定速率经2小时时间逐滴加到反应介质中。反应保持在给定时间的搅拌中（3-12小时）。随后，将反应容器冷却至室温。将壳聚糖Ag-NPs置于冰箱中以停止任何进一步的银还原。

使用了三种不同的方法：（1）使用10mL注射器单次添加金属前驱体（AgNO3）至壳聚糖溶液，并使用自动注射泵在2小时内添加还原剂（葡萄糖）；（2）颠倒顺序，即在2小时内滴加金属前驱体，并且在反应开始时将还原剂加入壳聚糖溶液中；（3）一次性加入反应物，由此所有材料一次混合并且反应直到反应时间结束。影响降低效率和纳米颗粒稳定性以及形状和尺寸的因素在本文中讨论。

在环境气氛下使用电导率计（Orion162）测定PVA/CS-Ag-NPs和PVA/CS混合溶液的离子电导率。在25℃使用StressTechHR粘度计测量每种溶液的粘度。

2.2. 静电纺丝PVA/CS和PVA/CS/Ag-NPs

最佳壳聚糖基制备条件下制得的Ag-NPs被用于电纺纳米纤维垫。将PVA水溶液（8wt%）与壳聚糖基的Ag-NPs以各种重量比混合（PVA/CS-Ag-NPs）:100/0，95/5，90/10，85/15，80/20，70/30，60/40，50/50.以相同的混合比例制备PVA/CS样品，目的是评价Ag-NPs添加对可纺性和抗微生物活性的影响。

在典型的静电纺丝方法中，将每种制备的溶液装载到10mL塑料注射器中，其开口端连接到用作喷嘴的钝的22号不锈钢针头。使用GlassMan（WK系列）高压源通过将正极性的发射电极附着到喷嘴，并将其一个接地到集电器来对溶液充电。纺丝速度为3mu;L/min。在直径68cm的旋转收集器上缠绕的铝片上收集样品48小时。在针的尖端和收集器的外表面之间施加25kV的电势，接收距离20cm。

2.3. 纤维垫的交联

使用戊二醛（GA）进行含有Ag-NPs的PVA/CS和PVA/CS纤维垫的交联。将纤维垫（10cmtimes;30cm）用纸结合夹连接到钢框架上，并置于用40mLGA溶液的蒸气饱和的密封室中。将纳米纤维垫暴露于GA蒸汽给定的时间（30，60和120分钟），然后在70℃的真空炉中热处理24小时以增强交联反应并除去未反应的GA。

2.4. Ag-NPs检测和形态分析

用UV-vis测量确认Ag-NPs的形成，并以吸光度模式操作VarianUV-vis分光光度计。在测试期间，壳聚糖/银-NPs的体积保持恒定。FTIR用于研究壳聚糖的还原效果。将壳聚糖-Ag-NPs胶体溶液冷冻干燥，然后在Nico-letFTIR光谱仪中直接分析。在64次连续扫描后，以2cm-1的波数分辨率收集所有光谱。原子吸收分光光度计（AAS）用于测量壳聚糖-Ag-NPs样品中存在的银的实际量，并评估所装载的银的释放特性。

使用透射电子显微镜（TEM）检查纳米颗粒的形态。将一滴壳聚糖/银-NPs悬浮液沉积在碳涂覆的电子显微镜网格上，然后在烘箱中在真空下干燥24小时，以确保样品完全干燥。在80kV的加速电压下，操作HitachiHF2000TEM观察栅格。该仪器配备了能量分散光谱（EDS）以确认银金属的存在。此外，TEM被用来证实Ag-NPs在电纺纳米纤维中的存在。电纺丝过程中在铜网上收集少量的纳米纤维。电纺丝垫中纳米纤维的形态使用

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