静电纺壳聚糖纳米纤维膜的抗菌性能.pdf

2023年10 月第5 期专题与论述静电纺壳聚糖纳米纤维膜的抗菌性能郑心怡，邓丽珊，雷静秋,余景红，李庭晓（上海工程技术大学纺织服装学院，上海2 0 16 2 0）摘要：壳聚糖具有良好的生物相容性、降解性及抗菌性，被广泛运用于生物医学。静电纺丝纳米纤维膜具有较小的孔隙以及较高的比表面积，能够抵挡外界对创口的感染，结构与细胞质基质相似，可以有效促进伤口愈合。文章概述不同种类抗菌剂对壳聚糖纳米纤维膜抗菌性的影响，分析了从壳聚糖脱乙酰度与粘度、壳聚糖浓度对壳聚糖改性等方面提升壳聚糖纳米纤维敷料抗菌性的方法。关键词：纳米纤维膜；静电纺丝；壳聚糖；抗菌Doi:10.3969/j.issn.2095-0101.2023.05.040中图分类号：TQ340.64文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-0 10 1(2 0 2 3)0 5-0 13 4-0 4新型医用敷料是一种通过贴附于伤口上，促进伤口愈合的材料。若伤口出现细菌感染，会引起伤口化脓等问题使得伤口无法愈合，细菌感染严重时甚至会扩散到全身引发血液中毒,危及生命。新型医用敷料能够为伤口愈合提供一个优良的微环境，具备抗感染、止血、吸收创面组织渗出物等功能；能够在创口愈合之前，为创口提供物理屏障，加速伤口愈合；能够为伤口提供湿润环境，避免换药时伤口再次损伤。新型医用敷料不仅能够减少换药的次数，良好的抗菌性能也可以减少外部细菌感染的风险,可有效降低伤口感染率。抗菌是医用敷料的基础要求之一，壳聚糖作为唯一天然碱性多糖，本身自带良好抗菌性，来源丰富且具有良好的生物相容性、降解性和无毒性,应用在创口表面时能促进血小板凝聚,增强止血效果。在众多制备抗菌敷料的技术中,纳米纤维材料具有直径小、比表面积高、吸附能力强等特点。与传统敷料相比，纳米纤维膜作为医用敷料可以加速创面修复进程且不易与伤口粘连。研究表明，纳米纤维膜的微孔结构使其透气性透水性均优于其他新型材料，壳聚糖又具有天然的抗菌性与良好的生物相容性，因此壳聚糖纳米纤维膜是制作生物医疗用敷料的优良材料之一。静电纺丝常用于制作纳米纤维材料，但壳聚糖内收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 5基金项目：上海工程技术大学大学生创新活动计划资助项目(CX2209001)第一作者：郑心怡（2 0 0 2 一）,女，福建福州人,本科生在读，研究方向为静电纺丝。通信作者：李庭晓（19 8 8 一），河南南阳人，专任教师，研究方向为功能性纤维材料成型与结构设计,。离子基团的排斥力较大，即使低浓度的壳聚糖也难纺出理想的静电纺丝膜，而壳聚糖静电纺丝膜的抗菌性与静电纺丝液中壳聚糖的浓度有着直接关系，因此壳聚糖纳米纤维膜在运用于医用敷料时，需进一步提升其抗菌性。因此，本文综述了壳聚糖纳米纤维膜在医用敷料方面的应用，从脱乙酰度、静电纺丝液中壳聚糖浓度、对壳聚糖进行改性、在静电纺丝液中再添加其他抗菌剂等角度，分析了可以有效提升壳聚糖纳米纤维膜抗菌性的方法,对提升壳聚糖纳米纤维敷料的抗菌性具有借鉴意义。1传统医用敷料与新型纳米纤维敷料目前国内市场仍然以传统医用敷料为主。传统医用敷料一般由天然植物纤维构成，例如脱脂棉纱布、凡士林纱布和棉垫等。传统医用敷料可以处理简单的伤口，吸收伤口创面的渗出液，阻隔外界细菌微生物，但是不能保持创面处于湿润的环境，在吸收力强的情况下会与伤口粘连，引起肉芽组织的二次创伤，而且屏障效果较差，换药工作量大，对伤口的愈合帮助不大。目前在生物医疗研究以及生产中有多种新型医用敷料，如薄膜类、水胶体、水凝胶、泡沫类敷料等,其结构及优缺点如图1所示。其中纳米纤维敷料借助纳米纤维特性具有更高的比表面积，拥有大量相互连接的小孔和较好延展性，空隙小则让它在抗菌的同时进行气体交换，有效孔隙率提高了渗透速率和污染物戒除率，能够快速吸收创口上渗出的部分组织液，保证伤口湿润使后续不容易留疤。通过对制作材料的优化可以赋予纳米纤维膜特定的功能，例如吸液导湿、抗菌等。纳米纤维医用敷料不仅具有传统医用敷料的特点，还弥补了传统敷料的缺陷，在加快伤口恢复方面有着显著优势。1342023年10 月专题与论述第5 期优势：聚电解质,在静电纺丝过程中，会使得聚合物离子基优势：纳米纤维敷料:模拟ECM结构优势：透气性好功能吸湿性良好吸水性好不足：透气性好吸湿速度慢比表面积高泡沫类水凝胶优势：优势：吸湿性好不足：易于创面分离透气性差水胶体】图1不同类型新型医用敷料优缺点2壳聚糖纳米纤维膜在医用敷料方面的应用壳聚糖自身不但可以作为抗菌剂，还可以作为纳米纤维敷料的载药载体，通过同轴静电纺丝等方法形成具有包芯结构的纳米纤维敷料，能有效对药物进行控释并且发挥本身的抗菌作用。所制成的医用敷料与传统的伤口敷料相比，不只是简单的遮盖伤口，在防止伤口脱水、抑菌与促进愈合方面具有突出优势。2.1壳聚糖纳米纤维膜敷料的制备方法壳聚糖纳米纤维膜通常使用静电纺丝来制备。一般静电纺丝装置主要由高压电源、注射泵与注射器、纤维接收器3 个部分组成。将纺丝液置入注射管，在强电场的作用下，纺丝射流迅速拉伸，随着溶剂蒸发在接收器上得到纳米纤维。共混静电纺丝法只需要将纺丝液注人一个注射器中，而使用同轴静电纺丝技术则需要将壳、芯对应的2 种纺丝液分别注人2 个注射器中，同时推进，得到截面类似同心圆的纳米纤维。制作壳聚糖纳米纤维敷料时，也可以在配置纺丝液时加入所需功能药物或者抗菌剂，利用共混静电纺丝与同轴静电纺丝制备不同结构的纳米纤维，如图2 所示,可以达到双重抗菌特性。静电纺得到的纳米纤维直径分布较为均匀，纳米纤维膜的结构能够很好地模拟细胞外基质的结构,在伤口区吸收渗出液并保存有益的液体与蛋白质，促进细胞增殖，加速伤口愈合。(a)中共混静电纺丝装置示意图共混纳米纤维形貌及其结构图(b)西芯层纺丝液壳层纺丝液同轴静电纺丝装置示意图图2 共混(a)及同轴(b)静电纺丝装置示意图及其纤维形貌与结构壳聚糖能够溶于酸性条件，由于壳聚糖中氨基的存在，在酸性条件下溶解的壳聚糖容易质子化，变成吸水性好生物相容性好为创面提供湿润弹性好环境不足：吸湿性差薄膜类同轴纳米纤维形貌及其结构图团之间的排斥力增加，容易形成珠状颗粒物。分子间作用力大，聚合物难以从针头处喷射出来，因此含有壳聚糖的静电纺丝液可纺性较差，纯CS纺丝液通常很难制备出连续纤维。为此常常加人聚乙烯醇(PVA）、聚环氧乙烷(PEO)等助纺剂,通过氢键与壳聚糖的相互作用，降低静电斥力和表面张力，以此来获得理想的电纺丝溶液，提高壳聚糖纺丝液的可纺性能，在一定程度上解决了静电纺丝工艺制备含有天然聚合物的纳米纤维纺丝困难的问题。2.2壳聚糖抗菌原理壳聚糖以及壳聚糖的衍生物均具有广谱抗菌性。有研究表明壳聚糖以及壳聚糖的衍生物对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌以及白色念珠菌有抑菌效果，两者都属于非溶出型抗菌剂,需要与微生物接触才能生效，因此抗菌效果较为持久。壳聚糖对不同种类的细菌攻击机制不同，抑菌方式也与壳聚糖分子量有关，短链壳聚糖可以穿透质膜和细胞壁，而较长的分子链可以包裹细菌,进而阻止细胞与外界介质的交换。目前壳聚糖抑菌的机理主要分为以下4 种。(1)壳聚糖线型分子链上的胺基侧基能够在酸性条件下生成正电荷，而正电荷能与细菌细胞壁中的金属离子竞争，与蛋白质中带负电的部分结合，细菌表面正负电荷分布不均匀，导致膜穿孔和通透性改变从而使细菌失去活性 2。(2)壳聚糖中未酸化的氨基与金属离子结合产生螯合效应,让金属离子（例如Ca2+)发生位移,最终使得与细菌生长相关的微量金属不稳定，从而抑制微生物的整体生长。(3)高分子量壳聚糖通过离子键形成网状膜能将细菌包裹起来，阻碍细胞对外界营养物质的吸收，阻碍细胞代谢，并建立一个内部渗透压,最终细胞会因缺乏营养而死亡。(4)低分子量的壳聚糖穿透细胞,与细胞内带阴离子的物质结合，阻碍DNA聚合酶、DNA的复制，损害细菌生理活动导致细胞死亡。革兰氏阴性菌细胞壁（肽聚糖）较薄主要是壳聚糖抗菌机理(4)起到主导作用,而革兰氏阳性菌细胞壁比较厚,并且表面的磷壁酸含有磷酸基团会与壳聚糖结合，则是壳聚糖抗菌机理(2)起到了主导作用，可以从抗菌机理看出壳聚糖抗菌效果与壳聚糖的浓度、分子量、脱乙酰度、环境的pH值等因素均有关。3不同方面对壳聚糖纳米纤维敷料抗菌性能的影响3.1脱乙酰度与粘度对壳聚糖纳米纤维膜抗菌性的影响不同脱乙酰度的壳聚糖抗菌效果不同。Eun JuJung使用了6 种不同脱乙酰度的酸溶性壳聚糖,抗菌1352023年10 月第5 期结果表明脱乙酰度越高，壳聚糖抗菌活性越强，而低粘度的壳聚糖抗菌活性最强。而杨梅4 研究发现脱乙酰度的大小与壳聚糖的粘度有关，壳聚糖自身分子量大,分子间作用力强，在与PVA混纺后CS中的键合与阳离子行为阻碍了电纺过程的顺利进行。在相同比例的CS/PVA纳米纤维膜中，脱乙酰度较低的更容易产生纺锤体纳米纤维。脱乙酰度越高，壳聚糖的分子量则越小，粘度也随之减小。过高的粘度电压将不足以克服溶液的粘度，过低则又会因为聚合物链缠绕不够而形成串珠。因此，虽然低粘度的壳聚糖更具有抗菌活性，但考虑到其成丝性及纤维形貌，静电纺丝中更倾向选择中粘度壳聚糖。3.2壳聚糖改性对纳米纤维膜抗菌性的影响结构、化学性质和附着在聚合物骨架上的取代基是影响抗菌活性的重要因素。因此，可以通过对壳聚糖改性来提高其抗菌性，而改性同时也可以解决壳聚糖可纺性较差的问题。具有抗菌性能的壳聚糖衍生物中最常见的官能团有季氨酰、胍基、羧烷基、羟基烷基、含巯基和疏水基团，如长烷基链、取代苯基和苄基环，最为广泛的则是羧甲基壳聚糖。壳聚糖在经过羧甲基处理后,增大了其在水中的溶解度，并且保留了原本壳聚糖的优势，但在溶解过程中仍然在一定程度上受pH值影响。而壳聚糖季铵盐则是因为其骨架上带有强正电荷，自已所具备的阳离子和正电性对比未改性壳聚糖有很大增强,因此壳聚糖季铵盐也具备了优良的溶解性,并且能在更为宽泛的pH值下发挥其抗菌性能。3.3壳聚糖浓度对纳米纤维膜抗菌性的影响尽管壳聚糖拥有良好生物相容性以及较好抗菌性，但仍有可纺性差、溶解度不高等缺陷，加入相关助纺剂来辅助静电纺丝是常用的方法之一，而混合溶液中壳聚糖浓度对纳米纤维膜抗菌性能影响较大。李选 5以不同比例壳聚糖、胶原蛋白、聚乙烯氧化物为原料来纺丝，分析纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的抗菌性能，实验证明无壳聚糖的纳米纤维膜无抗菌性，当壳聚糖的比例高于6 5%时，静电纺丝膜的抑菌效果达到9 0%。因此，在可成丝的条件下，可以适当提高壳聚糖浓度来增加纳米纤维膜的抗菌性。3.4抗菌剂对壳聚糖纳米纤维膜抗菌性的影响由于静电纺丝使用纯壳聚糖可纺性低，因此大部分研究者均选择与其他材料共混纺丝，但这会使抗菌成分在静电纺丝膜中占比减小，而壳聚糖本身溶出性不强，因此在进行静电纺丝时，通常需要适当加入其他抗菌剂来增强其抗菌效果。例如可以直接在静电纺丝液中加入左氧氟沙星、抗生素类等医药抗菌抗菌剂，同时也可以加入具有抗菌效应的有机、无机物质，许多自然界物质也可以同壳聚糖配合（如表1所示），起到增强纳米纤维膜的抗菌性能的作用。专题与论述表1不同抗菌物质与壳聚糖共纺的研究抗菌物质抗菌物质分类纳米二氧化钛间无机物质纳米银纳米氧化锌8蜂蜜自然界提茶树油脂质体取物质柠檬香脂和爵萝精油川大蒜油2庆大霉素3医药用抗左氧氟沙星4菌剂盐酸环丙沙星和盐酸莫西沙星23.4.1无机物质在壳聚糖纳米纤维膜中的应用通过在壳聚糖纳米纤维中注人无机纳米颗粒，可以改善壳聚糖纳米纤维的创面处理和抗菌性能，金属纳米颗粒的渗人对各种医用纺织品的功能都具有增益效果，常用于增强抗菌活性的无机物质有纳米二氧化钛、纳米银口、纳米氧化锌8 等。刘彤等的研究表明壳聚糖主要是通过与被作用物体接触发挥抗菌效果，而二氧化钛对于空气中游离的细菌也能发挥作用，与壳聚糖可起到协同抗菌作用。但是二氧化钛的抗菌作用需要光催化产生自由基才能拥有较强的抗菌效果，在使用条件上有一定的限制。徐雄立等7 加入纳米银制备纳米纤维，制成的纳米纤维膜抗菌活性得到了显著提高。LemkePhilipp等 15 将壳聚糖进行部分水解，产生更小的聚合物与低聚物的混合物，在抗菌方面发生了协同作用，又可以与醋酸铜此类铜的复合物结合，再次产生协同效应获得更好的抗菌效果。由此可见，混人无机物质的壳聚糖纳米纤维敷料抗菌性有所提高，但有部分成分如二氧化钛需要光催化等特定反应条件才能达到良好的抗菌活性。3.4.2有机物质在壳聚糖纳米纤维膜中的应用除了无机纳米颗粒,天然有机物质也可以用来增加壳聚糖纳米纤维的抗菌特性。自然界中常用于增加抗菌性的有机物质有蜂蜜 9 、茶树油脂质体 10 、植物精油如柠檬香脂与萝精油叫以及大蒜油2 等。虽混人有机物质的纺丝液通常可纺性不高，但能在一定程度上增强抗菌性。3.4.3医药用抗菌剂在壳聚糖纳米纤维膜中的应用添加医药用抗菌剂可以显著提高壳聚糖纳米纤维的抗菌能力，庆大霉素、左氧氟沙星、盐酸丙环沙星以及盐酸莫西沙星常常用作医疗抗菌药物,ShahlaMirzaeei等 4 采用静电纺丝制备了CS/PVA纳米纤维膜，加入左氧氟沙星进行眼部治疗，可以保持药物最低抑菌浓度在9 0%以上，时间最长可以达到9 5 h，主要136除壳聚糖外所需聚合物聚乙烯醇明胶/PVA、P V P聚乙烯醇聚乙烯醇聚环氧乙烷胶原蛋白水解物聚乙烯醇海藻酸钠聚乙烯醇聚环氧乙烷2023年10 月专题与论述第5 期是通过缓释的左氧氟沙星发挥抗菌效果。使用同轴静5李选.胶原/壳聚糖复合抗菌敷料膜的制备与表电纺丝法，壳聚糖也可以作为壳结构，抗菌剂包埋于征 D.上海：东华大学，2 0 17.芯层，在保证与创口接触发挥壳聚糖优势的同时，更6刘彤.基于CS/PVA静电纺复合纳米纤维的制好地达到稳定的药物控释。但是医用抗生素具有一定备及性能研究 D.北京：北京林业大学，2 0 2 0.的抗药性，生产使用时应当注意用量。7徐雄立，周美华.含纳米银的明胶/壳聚糖纳米纤维的制备及其抗菌性能研究.化工新型材料，2 0 10,4总结与展望38(2):23-25,71.本文从壳聚糖脱乙酰度与粘度、壳聚糖浓度对壳8Ahmed R,Tariq M,Ali I,et al.Novel electrospun聚糖改性等方面、不同种类抗菌剂对壳聚糖纳米纤维chitosan/polyvinyl alcohol/zinc oxide nanofibrous mats膜抗菌性的影响讨论了增强壳聚糖纳米纤维敷料抗with antibacterial and antioxidant properties for diabetic菌性的可行性及局限性。增强壳聚糖浓度与使用高脱wound healing J.International Journal of Biological乙酰度的壳聚糖可以增加壳聚糖纳米纤维敷料的抗Macromolecules,2018,120:385-393.菌性，但浓度与可纺性有关，无法提升过多。可以通过9Ambekar R S,Kandasubramanian B.Advancements改性得到具有更强抗菌性的,或者具有更优秀可纺性in nanofibers for wound dressing:A review J.European的壳聚糖衍生物。其中增强抗菌性的衍生物通常是Polymer Journal,2019,117:304-336.在聚合物骨架上加上一些阳离子基团，例如季铵盐、10Ge Y,Tang J,Fu H,et al.Characteristics,胍基等。也可以通过加人其他抗菌剂达到增强抗菌Controlled-release and Antimicrobial Properties of Tea效果。Tree Oil Liposomes-incorporated Chitosan-based因此,研究者可以从壳聚糖本身抗菌机理角度出Electrospun Nanofiber Mats J.Fibers and Polymers,2019,发,通过对壳聚糖进行改性来增强抗菌性，但应当对20(4):698-708.其抗菌机理进行深入探究。也可以通过改变分子量、11Maria R,Carmen G,Liliana M,et al.Bioactive脱乙酰度来改善抗菌性。低分子量壳聚糖能够与一些Collagen Hydrolysate-Chitosan/Essential Oil Electrospun无机物质发生协同效应增强抗菌活性，这也是一个可Nanofibers Designed for Medical Wound Dressings JJ.以研究的方向。还可以通过同轴静电纺丝技术或是其Pharmaceutics,2021,13(11).他静电纺丝技术从纳米纤维本身的结构来增强长效12胡冰钰.壳聚糖基纳米纤维/泡沫复合敷料的抗菌效果。壳聚糖纳米纤维敷料的研究仍旧处于初始制备及性能研究 D.武汉：武汉纺织大学，2 0 2 0.阶段，相信在未来,壳聚糖纳米纤维敷料能够在生物13Bakhsheshi-Rad H,Hadisi Z,Ismail A,et al.In医学方面得到更加广泛的应用。vitro and in vivo evaluation of chitosan-alginate/gentamicin wound dressing nanofibrous with high参考文献antibacterial performance.Polymer Testing,2019,82.1崔聪晶.壳聚糖/聚己内酯纳米纤维膜用于皮肤14Mirzaeel S,Taghe S,Asare-addd K,et al Polyvinyl创面修复的研究 D.青岛：青岛大学,2 0 2 2.Alcohol/Chitosan Single-Layered and Polyvinyl Alcohol/2程凤.载药抗菌创伤敷料的制备与性能研究 D.Chitosan/Eudragit RL100 Multi-layered Electrospun上海：东华大学，2 0 15.Nanofibers as an Ocular Matrix for the Controlled3Jung J E,Youn K D,Lee H S,et al.AntibacterialRelease of Ofloxacin:an In Vitro and In Vivo Evaluationactivity of chitosans with different degrees of deacetylationJ.AAPS PharmSciTech,2021,22(5):170.and viscosities Jj.International Journal of Food Science&15Philipp L,Lena J,M.B M.Synergistic AntimicrobialTechnology,2010,45(4):676-682.Activities of Chitosan Mixtures and Chitosan-Copper4杨梅.静电纺壳聚糖/聚乙烯醇纳米纤维膜的制Combinations J.International Journal of Molecular备及性能研究 D.西安：西安工程大学，2 0 19.Sciences,2022,23(6).137