抗菌聚合物纳米纤维的研究进展孙娟,姚琛,李新松*(东南大学化学化工学院,生物材料和药物释放实验室,南京210018)摘要:静电纺丝技术是制备功能聚合物纳米纤维的一种简单而有效的方法。
由电纺纳米纤维堆砌而成的无纺织物具有巨大的比表面积,赋予其广泛的应用前景。
通过在电纺聚合物纳米纤维中添加各类抗菌剂或对其表面进行化学改性,制备具有优异抗菌性能的新型功能聚合物纳米材料,将进一步拓展电纺纳米纤维在生物医学、过滤、精密制造等领域的应用。
本文基于抗菌纳米纤维的分类进行总结,介绍国内外抗菌聚合物纳米纤维的研究现状,并对抗菌纳米纤维的未来发展进行了探讨。
关键词:聚合物纳米纤维;抗菌;静电纺丝引言随着社会和经济的发展,人类对生存环境和生活质量的要求越来越高,特别是健康意识不断增强。
自然界中存在着大量的微生物,常常引起各种材料的分解、变质和腐败,带来重大的经济损失。
而致病微生物的广泛分布,由材料携带而引发的细菌性感染,更是严重威胁着人类健康。
因此,具有抗菌功能的材料的研究和开发越来越受到研究人员的重视。
静电纺丝是通过在聚合物溶液中施加外电场来制备纳米纤维的一种有效纺丝技术。
静电纺丝技术制得的纤维直径范围一般在几十纳米至几微米之间,由电纺纤维堆砌构成的无纺织物具有巨大的比表面积。
进一步通过各种物理化学手段,可以赋予电纺纳米纤维特殊的结构和功能。
因此,电纺纳米纤维不仅可以用作高效过滤材料,而且在传感器、高性能光电材料、防护材料、纳米复合材料,特别是在生物医学领域有着广泛的应用前景[1~3]。
通过将抗菌剂和纳米纤维以物理或化学方法复合制备具有抗菌功能纳米纤维材料,是近年来电纺纳米纤维研究和开发的热点。
抗菌剂和纳米纤维的结合不仅有利于抗菌剂的传输、释放和吸收,而且有利于空气的透过,并阻碍空气中灰尘、细菌的通过,还可以吸附微生物,从而达到更高的抗菌效果。
本文从抗菌剂的分类出发,介绍制备抗菌电纺聚合物纳米纤维的方法,归纳了抗菌纳米纤维的研究进展。
1无机抗菌剂复合纳米纤维无机抗菌剂具有良好的持久性、广谱抗菌性等特点,其中,银和银离子的抗菌效果最为显著[4,5]。
Son 等[6]以质量分数比为80/20的丙酮和水作为混合溶剂,按不同比例将AgNO3加入到质量分数为10%醋酸纤维素溶液中,通过静电纺丝制备纳米纤维膜。
在紫外光照射作用下,纤维上的银离子通过光致还原形成3~16nm的银纳米粒子,并评价了其对革兰氏阴性菌(大肠杆菌、克雷伯氏杆菌、绿脓杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)的抗菌效果。
载银抗菌纳米纤维主要依靠纤维中游离出的银离子发挥抗菌作用,银离子和细菌细胞接触后,通过静电相互作用吸附在带负电荷的细胞壁上,取代细胞膜表面阳离子的位置,与蛋白质或其他阴离子基团结合,破坏细胞膜的结构和功能,导致细胞内容物溢出,达到抗菌目的[7~9]。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50573011,50673019,50903016);作者简介:孙娟,硕士研究生,从事电纺法制备功能纳米纤维及其应用研究;*通讯联系人:E2mail:lixs@.Jeon等[10]将聚己内酯(PCL)和聚氨酯(PU)与不同浓度的AgNO3进行复合电纺。
由于AgNO3的加入增加了聚合物射流的电荷密度,复合纤维直径随着银含量的增加而减小。
采用的溶剂二甲基甲酰胺(DMF)作为还原剂,将溶液中的A gNO3部分还原成银纳米粒子,并分散在聚合物溶液中。
进一步将电纺纳米纤维在100e下热处理24h,发现纤维中银纳米粒子的直径及其分布明显增大(如图1所示)。
图1含2%(wt)AgNO3的8%(wt)P CL2P U溶液电纺纳米纤维T EM图(a)未处理;(b)100e热处理24hF igur e1TEM images of the PCL2PU nanofibers electr ospun fr om8%(wt)PCL2PU solutions containing2%(wt)of AgNO3(a)before and(b)after being annealed at100e for24h采用单一的银离子还原方法,如紫外还原、加入还原剂等,银离子的还原效率通常较低。
Lala等[11]以还原剂DMF作为溶剂,对含AgNO3的聚丙烯腈(PAN)溶液进行电纺,得到部分还原的银纳米粒子均匀分散的纤维膜,进一步经紫外光照射,促进其余银离子的还原。
通过溶剂DMF和紫外照射的协同作用,提高了纤维中银离子的还原效率,并在很大程度上避免了银粒子的积聚效应。
抗菌实验结果表明,这种载银PAN纤维杀菌效果显著。
Jin等[12]以聚乙烯醇(PVA)作为还原剂,通过回流使PVA溶液中的Ag+部分还原为银粒子后采用静电纺丝制得载银PVA纳米纤维,并在随后的退火过程中进一步将包埋在纤维中的Ag+还原。
PVA羟基氧原子上的未共用电子对能够与A g+和Ag粒子相结合,阻止了Ag 粒子的成核生长,使Ag粒子均匀、稳定地分散在纳米纤维表面和内部。
Rujitanaroj等[13]对含银明胶纳米纤维进行老化处理,并采用戊二醛对其交联。
明胶纤维的直径在230~280nm之间,纤维中银粒子呈球形分布,直径约11~20nm,且随着老化时间的延长而增大。
明胶作为抗菌剂的载体,对卤化银粒子具有保护作用,能阻止卤化银粒子聚集。
明胶复合纤维抗菌实验结果显示,纤维对革兰氏阴性菌(大肠杆菌、绿脓杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)都具有很强的杀灭效果。
Melaiye等[14]用一价银咪唑类配合物进行静电纺丝制得纳米纤维膜,能将培养皿中的金黄色葡萄球菌完全杀灭,其抗菌效率与015%AgN O3相当,但银含量仅为后者的八分之一。
这种纳米纤维膜对大肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌、黑曲霉菌和酵母菌都有良好的杀灭效果。
此外由于络合物释放银离子的速率缓慢而平稳,使得纤维膜能在相当长的一段时间内保持良好的抗菌效果。
Duan等[15]将载银磷酸锆纳米颗粒(nano AgZ)均匀分散的三氟乙醇悬浮液加入到聚己内酯(PCL)溶液中,电纺制得抗菌剂质量分数为1%的纳米纤维。
这种复合抗菌纳米纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到99.27%和98.44%。
TiO2作为光催化性无机抗菌剂,稳定性高,抗菌性能优异。
韩晓建等[16]以钛酸丁酯作为TiO2的前驱体制备了载T iO2聚碳酸酯(PC)纤维膜。
通过对(510~1010)@105cfu/mL的大肠杆菌细菌稀释液抗菌结果表明,当PC与钛酸丁酯质量比为7B3时,复合纤维的抗菌率达到87%。
他们随后[17]又利用静电纺丝法,采用TiO2凝胶制备了聚丙烯腈(PAN)/T iO2纤维。
对金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果表明,当PAN溶液和TiO2凝胶的质量比为315B1时,复合纤维对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到82%。
银系抗菌剂对各种细菌的抗菌性能较好,但光敏效应很强,易氧化变色;纳米T iO2只有在光照条件下才能发挥抗菌活性,纯纳米T iO2光催化效率较低。
为了进一步拓展应用,研究者通过将两种或两种以上无机抗菌剂复合,以实现协同高效抗菌作用。
Wu等[18]将羟基磷灰石(H AP,细菌吸附材料)、AgBr(可见光催化的抗菌剂)、纳米TiO2(紫外光催化的抗菌剂)及纳米Ag(广谱型抗菌剂)同时加入到聚乙烯吡咯烷酮(PVP)电纺溶液中,通过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验发现,可见光条件下H AP/ AgBr/T iO2/纳米Ag复合PVP纤维20min杀菌率即可达到99.9%,而相同条件下的H AP/AgBr/ TiO2/纳米Ag粉末混合物则需要40min才能达到相同的杀菌率,复合纤维经紫外光射照后杀菌时间可以减少几分钟,无光照条件下,50min杀菌效率就接近99199%。
基于四种活性成分的协同作用,这种复合纤维膜在紫外光和可见光照射下,甚至在无光照条件下都表现出优良的抗菌性能。
2有机抗菌剂复合纳米纤维有机抗菌剂作用速度快,通过化学反应破坏细胞膜,使蛋白质变性、代谢受阻、杀菌能力强。
Kim 等[19]将苄基三乙基氯化铵(BT EAC)加入到聚碳酸酯(PC)/氯仿溶液中,电纺制得直径约1L m的PC纤维。
BT EA C的加入增加了聚合物溶液的电导率,有利于制得连续均一、直径较小的纳米纤维,得到的纳米纤维因能释放出季铵盐型阳离子抗菌剂而具有良好的抗菌活性。
这种纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌以及克雷伯氏杆菌作用18h后杀菌率可达到9919%以上。
Chen等[20]以醋酸纤维素(CA)为基材,添加抗菌剂双氯苯双胍己烷(CH X,俗称洗必太),以有机钛酸盐作为交联剂,制备的抗菌纳米纤维对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)都显示出良好的抗菌效果。
Kim等[21]将亲水性抗生素头孢西丁钠(Mefoxin)分别加入到丙交酯2乙交酯共聚物(PLGA)以及PLGA、聚乙二醇2聚乳酸嵌段共聚物、聚乳酸的混合物(PLGA/PEG2b2PLA/PLA)溶液中,制得两种载药复合纳米纤维。
药物释放结果表明,PLGA载药纳米纤维显示Mefoxin的突释现象,而PLGA/PEG2b2 PLA/PLA纤维中,由于两亲性嵌段共聚物PEG2b2PLA的引入减少了起始阶段Mefoxin的突释,在一周时间内显示出持续的药物释放效果,对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到90%以上,在防止术后粘连和感染方面有着潜在的应用前景。
T hakur等[22]采用双喷头电纺系统制备释放两种药物的纳米纤维支架,由其中一个喷头制备含麻醉剂盐酸利多卡因(Lidocaine hydrochloride,LH)的聚2L2乳酸(PLLA)纳米纤维,另一喷头制备含抗生素莫匹罗星(Mupirocin)的PLLA纳米纤维。
这种方法可以让LH在PLLA纤维中结晶,Mupirocin处于PLLA基体的非晶部分,从而有效阻止了Mupir ocin与LH共存时的结晶行为。
药物释放实验结果表明,PLLA纳米纤维中的LH在开始的1h内突释80%,利于达到快速止痛效果,而Mupirocin的释放时间超过72h,使纳米纤维显示出持久稳定的抗菌性能。
双喷头电纺系统与单喷头装置制备的PLLA纤维中LH的释放曲线类似,前1h突释80%,随后的71h里再缓慢释放约10%的LH。
而双喷头电纺系统制备的PLLA纤维中Mupirocin的释放速率明显低于单喷头装置制备的纤维中Mupirocin的释放速率,药物72h累积释放量分别为12%和36%。
他们认为,从药物释放情况来看,双喷头电纺系统在创伤修复材料的制备方面将比传统单喷头电纺装置更具优势。
3高分子抗菌剂复合纳米纤维壳聚糖作为一种天然高分子抗菌剂,其抗菌活性已经被国内外学者证明并报道。
由于壳聚糖溶解度小,机械性能差且溶液粘度高,使得纯壳聚糖水溶液较难电纺。