CN117959480A - 一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料及制备方法，制备方法部分包括以下步骤：S1用于将醋酸纤维素纺丝液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维的步骤；S2用于对醋酸纤维素纳米纤维预处理的步骤。S3用于壳聚糖衍生物溶液制备的步骤；S4用于抗菌敷料前驱体制备的步骤；S5用于抗菌敷料前驱体后处理的步骤。本发明所公开的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料及制备方法，呈现出结构简单、机械性能良好、吸液能力强、抗菌效果优异的特点，能预防和降低患者伤口严重性感染的风险。
Description
技术领域
本发明涉及医用敷料技术领域，具体涉及一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料及制备方法。
背景技术
皮肤是人体的第一道防线，一旦受到损伤将会导致渗出液、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌感染，需要及时预防和治疗伤口。抗菌敷料作为一种重要的医疗材料，阻碍细菌和空气漂浮物进入伤口，护理组织生长微环境，促进伤口愈合，已经在伤口治疗方面广泛应用。传统的抗菌敷料多为纱布类、抗生素辅助类和添加纳米银抗菌剂的伤口敷料，这些敷料具有良好的抗菌性，促进感染伤口愈合和组织再生。现有技术中，这些抗菌敷料的制备技术情报已公开。
但是，发明人经研究发现，目前的抗菌敷料在临床应用中，吸收渗出液效果差，产生耐药性，纳米粒子过量使用导致细胞毒性。进一步的，在伤口治疗过程中，抗菌成分随渗出液流失，降低抗菌治疗效果；同时，制备过程复杂，机械性能不好，成本昂贵，造成患者治疗困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料及制备方法，抗菌敷料三维多孔结构，吸水性优化，不产生抗耐药性，良好的细胞相容性，利于伤口微环境护理；同时，有效解决抗菌敷料吸收渗出液效果差，抗菌成分流失，机械性能低的问题。
本发明技术方案如下：
一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，包括以下步骤：
S1采用溶剂配制醋酸纤维素原液，将醋酸纤维素原液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维膜；
S2采用NaOH乙醇溶液对醋酸纤维素纳米纤维预处理，水解并干燥，制备纤维素纳米纤维膜；
S3制备浓度为1~5%的壳聚糖季铵盐溶液和0.5~5%的纤维素纳米纤维，壳聚糖季铵盐和纤维素纳米纤维的质量比为（1~3）:（0.1~5）的抗菌敷料前驱体的步骤；
S4将抗菌敷料前驱体冷冻干燥后处理；
完成壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备。
优选地，所述醋酸纤维素原液由占比为10~18%的醋酸纤维素、占比82~90%的溶剂混合制成。
优选地，所述步骤S1中，溶剂为二甲基亚砜和丙酮的混合溶液，二甲基亚砜和丙酮的体积比为1:（0.2~5）。
优选地，所述步骤S1用于将醋酸纤维素原液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维的步骤，包括：
S11：采用静电纺丝电压：15~25 kV，收集距离：15~20 cm，灌注速度：0.5~2.0 mL/h，温度22~30℃，相对湿度：35~65%的环境下，分别使用2~10根注射器对醋酸纤维素原液进行并排纺丝的步骤；
S12：每间隔1~3小时，对注射器内醋酸纤维素原液补充和清理针尖阻塞物，校准纺丝机参数，继续进行纺丝，制的醋酸纤维素纳米纤维膜的步骤。
优选地，所述步骤S2，干燥条件为：时间24~72 h， 温度25~45℃，压强1~101 kPa。
优选地，所述醋酸纤维素纳米纤维膜采用浓度为0.01~0.10 mol/L的NaOH乙醇溶液水解3~10天并干燥，制备纤维素纳米纤维膜。
进一步优选地，所述步骤S3：抗菌敷料前驱体由浓度为1~5%的壳聚糖季铵盐溶液和0.5~5%的纤维素纳米纤维，S3中壳聚糖季铵盐和纤维素纳米纤维的质量比为1:（0.1~5），通过均质机高速粉碎和重新自组装制备而成。
优选地，所述步骤S4：前驱体后处理是将前驱体注入模板，-30~-70℃环境冷冻干燥24~72 h。
一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料，采用所述制备方法制得。 本发明的有益效果：
1）使得抗菌敷料具备高机械性能，吸收渗出液速率提高，不产生耐药性，良好的细胞相容性，利于伤口微环境护理；同时，有效解决抗菌敷料吸收渗出液效果差，抗菌成分流失，机械性能低的问题。
2）经检验，本发明的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的液滴吸收速率可达0.45~0.65秒，抗压缩强度高达163.97~191.17 kPa，壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的吸水性能和机械性能良好，利于伤口表面微环境维护和愈合。
3）经检验，本发明的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的大肠杆菌抑菌率为96.14~96.86%，金黄色葡萄球菌抑菌率为96.73~96.99%，细胞毒性等级为0级，细胞活性可达99%，呈现优异的抗菌能力和细胞相容性，适用于感染创面，有利于伤口的愈合。
本发明的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备工艺简单，安全性能好，成本低，效果显著，适合于外科创伤患者治疗。
附图说明
图1为本发明所提供方法中的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的微观结构图；(a)-(b) 壳聚糖季铵盐（QCS）气凝胶不同倍数的SEM 图；(c)-(d) 壳聚糖季铵盐/纤维素纳米纤维（QCS/CNF）气凝胶不同倍数的SEM 图。
图3是气凝胶的接触角数据分析；
图4为本发明实施例1和实施例2的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的机械性能图；（图a压缩应力-应变曲线；图b气凝胶的压缩强度）。
图5气凝胶的抗菌性能（a：气凝胶的抗菌效果图像；b：壳聚糖季铵盐气凝胶处理的抗菌率；c：壳聚糖季铵盐/纤维素纳米纤维气凝胶的抗菌率）
图6为本发明实施例1和实施例2的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料在不同时间下的细胞毒性图（Blank：空白对照细胞培养；QCS：壳聚糖季铵盐气凝胶；QCS/CNF：壳聚糖季铵盐/纤维素纳米纤维气凝胶）
图7为本发明实施例3的SEM 图；
图8为本发明实施例1和实施例2的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的表面水扩散的测试方法。
具体实施方式
为更加明确对本发明的目的、技术方案和效果的理解，结合本发明实施例中的附图进行清晰、完全地描述。
实施例1
所述抗菌敷料由前驱体浓度3%壳聚糖季铵盐溶液制成。
进一步，所述前驱体后处理是将前驱体注入模板，-50℃环境下，采用冷冻干燥技术48 h制得抗菌敷料，即壳聚糖季铵盐（QCS）气凝胶。
细菌液共培养进行抗菌测试、细胞毒性、以及进行吸水和机械性能评估。
该条件下抗菌敷料呈三维多孔，抗菌性能优异，细胞毒性低，吸水和机械性能较差。
实施例2
如图1所示，本实例所提供的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料制备技术方法，包括以下步骤：
S1用于将醋酸纤维素纺丝液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维的步骤；
S2用于对醋酸纤维素纳米纤维预处理的步骤；
S3用于抗菌敷料前驱体制备的步骤；
S4用于抗菌敷料前驱体后处理的步骤。
进一步，所述醋酸纤维素纺丝液由占比为14%的醋酸纤维素、占比86%的溶剂，经24小时搅拌混合制成。
进一步，所述溶剂为二甲基亚砜和丙酮的混合溶液，质量比为2：3。
进一步，所述S1用于将醋酸纤维素纺丝液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维的步骤，包括：
S11采用静电纺丝电压：18 kV，收集距离:17 cm，灌注速度：1.2 mL/h，温度26℃，相对湿度：48%的环境下，分别使用六根注射器对醋酸纤维素纺丝液进行并排纺丝的步骤。
S12每间隔2小时，对注射器内纺丝液补充和清理针尖阻塞物，校准纺丝机参数，继续进行纺丝，制的醋酸纤维素纳米纤维膜的步骤。
进一步，所述S2用于对醋酸纤维素纳米纤维预处理的步骤，为采用将醋酸纤维素纳米纤维膜真空干燥40 h，控制温度为42℃，压强为98 kPa。
进一步，所述醋酸纤维素纳米纤维膜采用浓度为碱性乙醇溶液水解7天并干燥，制备纤维素纳米纤维膜。
优选地，所述醋酸纤维素纳米纤维膜采用浓度为0.05 mol/L的NaOH乙醇溶液水解8天并干燥，制备纤维素纳米纤维膜。
进一步，所述抗菌敷料前驱体由浓度3%壳聚糖季铵盐溶液和纤维素纳米纤维，壳聚糖季铵盐和纤维素纳米纤维的质量比为1:3，通过粉碎均质制备而成。
进一步，所述前驱体后处理是将前驱体注入模板，-50℃环境下，采用冷冻干燥技术48 h制得抗菌敷料，即壳聚糖季铵盐/纤维素纳米纤维（QCS/CNF）气凝胶。
进一步，与细菌液共培养进行抗菌测试、细胞毒性、以及进行吸水和机械性能评估。
该条件下抗菌敷料呈三维多孔，抗菌性能优异，细胞毒性低，吸水和机械性能明显。
由图2可知，纳米纤维气凝胶内存在丰富的孔道结构，而且这些丰富的孔道结构将为后续伤口渗出液的吸收过程提供充足的水分输送通道。由于纳米纤维的存在，QCS/CNF气凝胶的孔道结构由非封闭式组装成封闭式孔道，可以观察到孔径较大（200 µm 左右），并且由纳米纤维作为结构支架连接、填充和支撑孔道内部和孔道之间。而在图 (d)中，纳米纤维全部衔入气凝胶孔道内壁，更高效果地增强气凝胶稳定性，而且，孔径增大有助于水分的吸收、储存与交换。
图3测试方法：将醋酸纤维素膜和水解后的纤维素纳米纤维膜，以及气凝胶部分样品粘贴到载玻片上，利用液滴形状分析系统的接触角测试仪，检测这些样品在常温下的水滴接触角，分析其亲疏水性，液滴体积为 1.0 µL。
由图3可知，添加纤维素纳米纤维的 QCS/CNF 纳米纤维气凝胶具有超润湿性和超亲水性，仅用 0.45 秒即可将接触角由 180°减少到 0°，比 QCS 气凝胶的 15.11 秒快进32 倍。这是由于纤维素纳米纤维的存在能够极大地提高气凝胶的亲水性，也与前面电镜气凝胶孔道结构的分析结果相照应。这种超润湿性和超亲水性有利于吸收伤口表面的渗出液，并保持伤口微环境的洁净，从而有助于伤口后期的组织愈合。
图4测试方法：使用万能拉伸试验机测试每种气凝胶样品的抗压缩性能。使用注射器将纳米纤维气凝胶前驱体注入直径10mm，高度10mm的圆形孔板中，除泡后并通过冻干机冷冻干燥制作压缩试验的样品。然后将凝胶化的样品取出修剪边角保持上下平整，放到万能拉伸试验机上等待压缩测试。调试设备完好，设置以10mm/min的速度向下压缩，压缩形变程度60%。
由图4可知，气凝胶的抗压强度随应变的增加而增大。压缩过程可以分为两个阶段：应变在10%之前孔道内壁受力弯曲抵抗压缩；应变在10%之后孔道无法承更大压力，孔道结构遭到破环导致孔道之间相互挤压，此时由孔道内壁纳米纤维支架抵御外力，使其形变缓慢发生。此外，与QCS气凝胶的压缩强度相比（74.84±6.34 KPa），QCS/CNF 纳米纤维气凝胶表现出优异的机械特性，当应变达到60%时 QCS/CNF的抗压缩强度高达177.92±13.95KPa。因此，由于纳米纤维的加入，大大提高了气凝胶的机械性能，使其表现出独特的孔道纤维强化结构。
图5测试方法：细菌以 1×105 CFU mL− 1的密度重新悬浮在 0.9%生理盐水中，并将气凝胶裁剪成 10 × 2 × 2 mm3圆片，放入盛有4 mL 细菌悬浮液的无菌试管中，以及无添加样品的菌液试管。然后放置到 37 ℃的摇床中孵育 24 h。将抑菌后的细菌悬浮液（100 µL）均匀地接种在含有固体培养基中。在 37 ℃生化培养箱中孵育 24 h 后，计数细菌菌落，并使用数码相机获取图像。图5可知，气凝胶有高效的杀菌性能，抗菌能力高达 95%左右。
图6测试方法：通过利用荧光倒置显微镜对 L929 成纤维细胞在气凝胶浸提液培养基中不同培养状态下的形态、数量和活性进行观察。通过荧光显微镜观察到的活细胞呈绿色，死细胞呈红色，结果见图6。
由图6可知，24 h时，细胞基本适应培养基环境，部分细胞已经展开生长，还有一部分细胞呈现圆形状；48 h时，细胞增殖迁移、形态完整、细胞质分布均匀，出现明显的梭子形状。48 h的荧光显微图像显示，细胞代谢活跃度增强，呈现出持续的增殖和迁移现象，甚至细胞堆积，且细胞死亡率较低。
实施例3
以实施例2为基础，0.05 mol/L的NaOH乙醇溶液改为0.05 mol/L的NaOH水溶液，得到气凝胶（图7）。
实施例4
以实施例2为基础，水解8天的时间改为1天，其他同实施例2。
实施例5
以实施例2位基础，浓度3%壳聚糖季铵盐溶液改为5%羧甲基壳聚糖溶液，其他同实施例2。
通过图2和图7对比可知，氢氧化钠乙醇溶液有利于孔洞内部形成毛糙面，孔洞外部比较光滑，这样有利于水分在孔洞快速扩散开去，但是又不会影响孔洞的主体结构。相反氢氧化钠水溶液是孔洞外部也很毛躁，不利于水分的快速迁移。
在本发明敷料中，还考虑了针对烧伤伤口的特殊要求，烧伤伤口不能太亲水，反而不好恢复，要稍微有点亲水，最重要的是要透气，水分快速散去，这就需要材料可以把皮肤表面的水吸收，扩散到材料表面，既有助于皮肤保持清爽，又能加快水分蒸发。水分扩散之后，增加其蒸发面积，可以提高水分的蒸发速率。
纳米纤维膜表面水扩散的测试方法：将需要测试的纳米纤维膜裁剪成长宽为20x15 mm2的方片，然后将已经配置好的刚果红水溶液滴加一滴到纳米纤维膜表面，并使用摄像机记录水滴在纳米纤维膜上的扩散现象，结果见表1，其中实施例1和实施例2的实物见图8中样品a和b。
表1
由表1可知， 本发明实施例2的水分速度扩散速度最快，有利于烧伤伤口的恢复，而采用氢氧化钠水溶液预处理或者水解天数不够或不是采用壳聚糖季铵盐溶液组装的气溶胶就达不到快速扩散水分的效果。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1采用溶剂配制醋酸纤维素原液，将醋酸纤维素原液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维膜；
S2对醋酸纤维素纳米纤维水解并干燥，制备纤维素纳米纤维膜；
S3制备浓度为1~5%的壳聚糖季铵盐溶液和0.5~5%的纤维素纳米纤维，壳聚糖季铵盐溶液和纤维素纳米纤维制备得到抗菌敷料前驱体；
S4将抗菌敷料前驱体冷冻干燥后处理；
完成壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述醋酸纤维素原液由占比为10~18%的醋酸纤维素、占比82~90%的溶剂混合制成。
3.根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，溶剂为二甲基亚砜和丙酮的混合溶液，二甲基亚砜和丙酮的体积比为（1~3）:（0.2~5）。
4.根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1用于将醋酸纤维素原液通过静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维的步骤，包括：
S11：采用静电纺丝电压：15~25 kV，收集距离：15~20 cm，灌注速度：0.5~2.0 mL/h，温度22~30℃，相对湿度：35~65%的环境下，分别使用2~10根注射器对醋酸纤维素原液进行并排纺丝的步骤；
S12：每间隔1~3小时，对注射器内醋酸纤维素原纺丝液补充和清理针尖阻塞物，校准纺丝机参数，继续进行纺丝，制得醋酸纤维素纳米纤维膜的步骤。
5. 根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2，干燥条件为：时间24~72 h， 温度25~45℃，压强1~101 kPa。
6. 根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2，醋酸纤维素纳米纤维膜采用浓度为0.01~0.10 mol/L的NaOH乙醇溶液水解3~10天并干燥，制备纤维素纳米纤维膜。
7.根据权利要求6所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3：抗菌敷料前驱体由浓度为1~5%的壳聚糖季铵盐溶液和0.5~5%的纤维素纳米纤维，通过豆浆机、粉碎机或均质机仪器，进行粉碎和重新自组装制备而成，壳聚糖季铵盐和纤维素纳米纤维的质量比为1:（0.1~5）。
8. 根据权利要求1所述的壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4：前驱体后处理是将前驱体注入模板，-30~-70℃环境冷冻干燥24~72 h。
9.一种壳聚糖基纳米纤维抗菌敷料，其特征在于，采用权利要求1-8中任意一项的制备方法制得。
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