基于氧化细菌纳米纤维素的可生物降解的抗菌纳米复合材料，用于快速止血和伤口愈合外文翻译资料

 2022-08-08 10:51:17

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基于氧化细菌纳米纤维素的可生物降解的抗菌纳米复合材料，用于快速止血和伤口愈合

摘要：开发具有高吸血率的可生物降解和抗菌的止血材料以阻止深部不可压缩伤口的内部出血仍然是一个挑战。在这项研究中，一种新型的止血纳米复合材料（OBC / COL / CS）是通过将氧化细菌纤维素（OBC）和壳聚糖（CS）与胶原蛋白（COL）偶联而制得的，即在OBC与CS（OBC）的静电自组装过程中/ CS），则通过阳离子CS和阴离子OBC的静电吸引将COL巧妙地附着为功能成分。预期引入胶原蛋白将提供功能特性，例如止血作用增强和伤口愈合促进，从而获得新的功能复合材料。这项研究是首次使用大鼠肝损伤模型评估OBC，OBC / CS和OBC / COL / CS复合材料在快速内部止血中的性能。据我们所知，这也是第一个报道OBC在体内具有比商业止血氧化的再生植物纤维素（ORC）更快的生物降解能力的研究。 OBC / COL / CS纳米复合材料在体内具有适当的机械强度，广谱抗菌特性和出色的生物降解性。此外，在体内证实了该复合物的优异止血功效。 OBC / COL / CS除具有超快的止血功能外，还具有更强的促凝性能和凝血功能，更高的红细胞和血小板粘附性以及更低的失血量，优于止血的ORC产品Surgicel纱布。结果表明，OBC / COL / CS是一种快速，有效的促凝剂，具有良好的抗菌性能，具有用作控制内部出血的可吸收止血剂的巨大潜力。

关键词：氧化细菌纳米纤维素，壳聚糖，胶原蛋白，快速止血，可吸收的生物材料，伤口愈合

  1. 简介

创伤导致的失控出血是平民和军人发病和死亡的主要原因，占全世界所有创伤死亡的30％以上，其中大多数发生在进行紧急治疗之前1,2，尽早停止干预出血在重大创伤的生存以及最佳康复中起着决定性的作用。因此，对于紧急创伤情况，能够迅速停止出血的功能材料的开发变得至关重要。理想的止血剂应具有以下特点：止血效率高，临床安全性好，价格便宜且重量轻（特别是在战场上使用）。4各种材料，包括交联白蛋白，5沸石，6纤维蛋白，7基于明胶8的止血剂已被批准，它们在控制出血方面均具有出色的功效。但是，建议将这些材料用于身体的外表面。迫切需要有效的止血剂生物材料，这些材料可用于因内出血而引起快速止血并改善内部安全性的内伤病例9。

市场上有许多用于外科手术内部止血的产品，包括由改性胶原蛋白，凝血酶，可吸收明胶，纤维蛋白和藻酸钙制成的产品。但是，由于缺乏可用性，成本问题或潜在的感染风险，这些产品尚未在临床上得到广泛应用。10氧化再生纤维素（ORC）是用于内部出血控制的最广泛使用的可吸收局部止血剂在进行神经外科手术时，无论是腹腔镜，腹腔内，口腔内还是颅内穹。[11]。ORC都可以放置在无法分离出特定出血点的出血空间中，然后通常留在原位溶解。 ORC仅通过接触激活即可刺激血小板凝集和凝血，尽管其确切的作用方式尚不清楚。12Surgicel纱布是由Johnson＆Johnson Medical Limited的Ethicon Inc.生产的ORC制剂，也是使用最广泛的可吸收止血材料之一。大量的临床证据表明，Surgicel纱布可迅速促进血液凝结，并在控制脑外科手术中的出血方面有效。此外，其羧酸基团产生的低pH值可能会阻止许多细菌菌株的存活13。

尽管控制内部出血有许多优点和独特的性能，但ORC还表现出一些固有的缺点，因此有时不足以应对特定的损伤，从而限制了其临床应用。 例如，由ORC中的羧酸基团引起的创伤性损伤周围的局部酸性环境是不可避免的，但并不能帮助伤口愈合。14此外，ORC的抗菌特性非常有限，耐酸细菌或真菌感染并非如此。 15此外，体内植入的ORC具有相对较差的生物降解性，需要长达8周的时间才能完全吸收。16临床上已经报道了许多与这些缺陷相关的副作用，例如异物反应和诱发的肿瘤样反应。 高血压脑内出血出血清创术后的病灶。17因此，迫切需要一种比ORC更适合临床应用的材料。

细菌纳米纤维素（BNC）是由细菌诸如木尿杆菌（Komagataeibacter xylinus）合成的主要多糖。与植物纤维素（ORC的起始原料）相比，BNC具有许多独特的特性，包括三维纳米纤维网络，高比表面积，高纯度和出色的生物相容性。18壳聚糖（CS）是带正电荷的多糖脱乙酰基和纯化后从几丁质中获得，具有广谱抗菌活性，良好的生物相容性，生物降解性和止血能力。19,20胶原蛋白（COL）是一种广泛分布于细胞外基质中的生物材料，具有良好的止血能力，低抗原性21,22在本研究中，由BNC制备了氧化细菌纳米纤维素（OBC），以克服ORC的固有缺点，特别是其降解性差。由于BNC在纯度，纳米纤维结构及其比表面积方面超过了植物纤维素，我们假设与组织液接触后，OBC较ORC可能具有更好的降解性，因此有可能成为更好的止血剂。因此，通过在存在COL的情况下通过静电吸引以微妙的方式通过静电吸引通过物理交联将阳离子型CS与阴离子型OBC偶联，从而创造性地设计和制造了OBC / COL / CS复合材料。如上所述，通过结合CS和COL可以克服关于OBC的抗菌性质或酸度的任何缺点，由于它们的独特性质，CS和COL还改善了止血能力并有益于伤口愈合。尽管OBC / CS复合材料的制造已有报道，但其形式为厚度为0.13 mm的薄膜23，并且尚未在生物医学应用中进行评估，尤其是在体内。还报道了许多其他与OBC相关的研究，例如其通过吸附与羟基磷灰石结合用于骨组织工程，24在OBC上原位合成银纳米粒子，释放出银离子用于伤口敷料，25以及与藻酸盐和藻酸盐的结合。通过吸附的醋酸锌用于抗菌应用。26尚无关于止血应用中OBC和OBC / CS的研究。这项研究是首次使用大鼠肝损伤模型评估OBC，OBC / CS和OBC / COL / CS复合材料在快速内部止血中的性能。据我们所知，这也是第一个报道OBC的体内生物降解性优于商业止血氧化的再生植物纤维素（ORC）的报道。更重要的是，在OBC / CS的自组装过程中，COL通过阳离子CS和阴离子OBC的静电吸引被巧妙地整合为功能成分。与未修饰的OBC和Surgicel纱布相比，OBC / COL / CS纳米复合材料表现出明显更高的止血能力，抗菌性能以及改善的生物相容性和生物降解性。使用大鼠肝脏创伤模型评估体内失血量和止血时间，以研究复合海绵的止血作用。

2．材料和方法

2.1材料

细菌纳米纤维素的生产方法是：在静态培养物中于30°C孵育K. xylinum ATCC 23770 10天，然后于80°C在0.5％（w / v）NaOH水溶液中孵育2 h，以去除细菌细胞和其他成分，最后用去离子水冲洗直到pH呈中性。壳聚糖（平均分子量：20000 Da；脱乙酰度：约90％），2,2,6,6-四甲基吡啶-1-氧基（TEMPO）（AR级），NaClO溶液（AR级），NaClO2（AR级） ），酪蛋白的蛋白one（AR级）和大豆酪蛋白消化的卵磷脂聚山梨酯（SCDLP）基础肉汤培养基（BR级）购自国药控股化学试剂有限公司（中国上海）。胶原蛋白（来自鱼皮）是从源业生物技术有限公司（中国上海）获得的。 Surgicel可吸收止血剂（商业氧化再生纤维素）购自Johnson＆Johnson Medical Co.，Ltd.（新泽西州新不伦瑞克省）。小鼠皮肤成纤维细胞（L929）获自中国科学院生物化学与细胞生物学研究所（中国上海）。 Dulbecco的改良Eagle培养基（DMEM），胎牛血清（FBS）和胰蛋白酶-EDTA（TE）均购自Life Technologies Corporation（纽约州格兰德岛）。青霉素/链霉素抗生素和Cell Counting Kit-8（CCK-8）测定法是从Beyotime Biotechnology Co.，Ltd.（中国上海）获得的。除非另有说明，否则所有其他化学品均为分析纯。干净等级的Sprague-Dawley（SD）大鼠（150-200 g）购自上海SLAC实验动物有限公司（中国上海）。所有动物实验均按照道德标准进行，使用的实验方案符合《实验动物的护理和使用指南》（中国科学技术部，2006）。

2.2 氧化细菌纳米纤维素的制备

如前所述，使用TEMPO氧化方法制备OBC。27简而言之，将0.1 g冻干的BNC浸入30 mL磷酸钠缓冲液（0.05 M，pH 6.86）中，然后放入分散均化器（标本模型工厂FJ-200- S，中国上海）在10000 rpm下旋转30分钟，以形成均匀的悬浮液。 然后将所得的BNC悬浮液与TEMPO（0.1mmol / g干燥的BNC）和NaClO 2（17mmol / g干燥的BNC）混合。 然后将0.2 mL体积的NaClO稀释在10 mL磷酸钠缓冲溶液中，然后立即添加到悬浮液中。 最后，将悬浮液密封并在50℃下磁力搅拌48小时，然后收获产物，并在冻干前通过用磷酸钠缓冲液离心3次洗涤。 然后将其存放，直到需要进行其他实验为止。

2.3 OBC / COL / CS纳米复合材料的制备

壳聚糖溶液（1％w / v）是通过将壳聚糖粉末溶解在1％v / v的乙酸水溶液中，然后搅拌直至形成澄清的浅黄色溶液而制得的。将冻干的OBC（0.1 g）和胶原粉（0.09 g）分散在4°C的30 mL去离子水中，然后搅拌以形成均匀的悬浮液。然后在剧烈搅拌下将壳聚糖溶液缓慢滴加到悬浮液中（图1）28（https://worldwide.espacenet.com）。先前的研究表明，保持较低的CS比例可得到具有更高抗拉强度的复合膜23，我们发现样品重量的比例为1：0.9：0.25（OBC：COL：CS）最适合最大负载的COL。因此，在本研究中使用了1：0.9：0.25（OBC：COL：CS）的比率。最后，在冷冻干燥之前，使用Tansoole渗析管（直径：7.5 mm；保留的分子量：10 kDa）将所得的悬浮液在蒸馏水中渗析24小时，直到需要进一步使用为止。还使用相同的程序制备了OBC / CS复合材料。

3．结果与讨论

3.1形态学和成分分析

通过FE-SEM对OBC，OBC / CS和OBC / COL / CS海绵的微观形貌进行了评估（图2）。这些图像表明，OBC由纳米纤维组成，其中一些已经聚集成团以形成更大的簇，从而在每个表面上形成缝隙结构。 OBC样品的表面非常粗糙，有许多断裂的纤维（放大200倍），表明BNC纤维在氧化过程中受到了破坏。然而，随着CS的耦合，OBC / CS样品的表面更紧密，更光滑，具有相互连接的大孔结构。 OBC / CS的光滑表面没有任何明显的聚集体形成，表明OBC和CS相容并成功结合。 OBC / COL / CS样品同样光滑，所有被检查材料的表面最致密，最光滑。此外，OBC纤维完全被CS和COL包覆，没有任何明显的聚集或沉淀，几乎看不到OBC的单根纤维，这表明OBC，CS和COL均已成功结合。

图2.不同放大倍率下不同样品的表面形态的SEM图像。

图3显示了OBC，COL，CS，OBC / CS和OBC / COL / CS复合材料的FTIR光谱，揭示了不同样品的表面组成。OBC样品中1728 cm-1处的峰与羧酸部分相关，确认羟基被成功氧化。33CS在1641-1646和1585 cm-1处具有两个特征吸收峰，对应于C=O拉伸键（酰胺I）和N-H弯曲振动（酰胺II）。34COL表现出特征性的蛋白质吸收峰：由于肽基团的C=O拉伸振动，酰胺I在1640 cm-1处，而酰胺II在1540 cm-1是由于N-H弯曲而引起的，由N-N拉伸振动引起.35在OBC / CS和OBC / COL / CS光谱中，酰胺和羧基峰均可见，表明共价交联反应在聚合物之间没有发生CS，COL和COL分子通过静电吸引而结合到OBC纳米结构中。

图3.（a）COL的FTIR光谱； （b）CS； （c）OBC； （d）OBC / CS； （e）OBC / COL / CS。

3.2溶胀比，机械性能和密度

制备的海绵的溶胀行为如图4所

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