含纳米银的抗菌凝胶和敷料的制备与表征

摘要

纳米银通常指粒径小于100 nm的金属银单质。由于纳米银的表面效应，同等浓度下其抑菌能力要明显好于大颗粒的银单质。此外，纳米尺度的银单质比银离子具有更好的抑菌效果。在医疗领域使用的过程中，银单质不会像抗生素那样，会因为细菌的耐药性而导致药效丧失。正因如此，纳米银在医疗卫生领域的应用成为了近年来研究的热点。目前，已有纳米银抗菌纤维、纳米银抗菌凝胶和纳米银抗菌敷料等医疗产品相继问世。其应用范围包括了痤疮、前列腺炎、癣、妇科疾病以及烧伤、创伤等的治疗。但有研究对当今中国市场上销售的纳米银医疗产品的体外细胞毒性进行了评测，结果发现，绝大多数的含纳米银医疗器械产品都具有Ⅲ级及以上的细胞毒性，生物相容性较差。对此，本研究的目的是制备出具有较低细胞毒性且具有一定抑菌能力的纳米银医疗产品，其中主要研究方向为纳米银凝胶，次要研究方向为纳米银敷料。
　　凝胶和敷料可用于皮肤Ⅱ度烧伤中体液渗出期的治疗。这主要得益于凝胶和敷料的以下六个特性:①具有良好的生物相容性;②能吸收创面的渗出液;③能保持创面的湿润，从而促进肉芽组织的生长和伤口的愈合;④具有抑菌活性并能阻止外部细菌所带来的感染;⑤能较好地黏附在创面上;⑥具有一定的机械强度。在皮肤Ⅱ度烧伤的体液渗出期中，创面会分泌出大量的体液，临床上除了输液以补充丢失的体液外，还需要及时清理分泌出的体液，因为在潮湿的环境下，富有营养物质的分泌物会孳生大量细菌，从而导致创面的感染，进而影响创口的恢复甚至患者的生命安全。另外，创面由于没有皮肤的保护，用药时，药物的有效成分和其他分子量较小的成分都会随着受损的皮肤进入创口的细胞和人体的血液循环。如果药物的成分中有较高细胞毒性的成分，则在治疗的同时，会对患者造成二次伤害。因此，制备出一种有效抗感染且具有良好生物相容性的凝胶和敷料，对于患者的预后和转归将大有裨益。
　　通常含纳米银的凝胶和敷料的细胞毒性来源主要有两方面:一是纳米银，二是凝胶和敷料本身的基质。对于同一浓度的纳米银来说，纳米银的尺寸越小，其抑菌能力也越强，但同时其体外细胞毒性也越大。与前面类似，纳米银的浓度越高，其抑菌能力也越强，同时其体外细胞毒性也越大。所以在本研究中，采用了光引发法制备纳米银，并使用泊洛沙姆407作为分散剂，使其纳米银尺寸处于一个中等的水平，以均衡其抑菌能力与体外细胞毒性水平。对于凝胶和敷料的基质来说，交联剂（如戊二醛）的引入常是其体外细胞毒性的主要来源。所以本研究采用了物理交联法，通过静电作用、氢键作用和分子链的相互缠绕等物理作用，形成具有三维网络结构的凝胶和敷料。从而避免了有毒交联剂的使用带来的毒性增大的问题。本研究以壳聚糖作为凝胶的主要基质，因为壳聚糖具有以下特性:①通过调节pH的方式，可以形成凝胶;②壳聚糖为天然高分子几丁质经脱乙酰化后形成的，材料来源广泛，且在自然条件下可降解;③壳聚糖本身具有一定的抑菌能力。此外，通过在基质中添加泊洛沙姆407，使得基质具有更好地吸收水分的能力。
　　本研究通过光引发法制备纳米银，并对其进行了紫外可见吸收光谱(UV-vis)试验、X射线粉末衍射(XRD)试验以及扫描电镜(SEM)试验，以分别分析纳米银溶液的吸收光谱特性、纳米银颗粒的物性和纳米银颗粒的微观形貌。通过物理交联法制备含纳米银的凝胶和敷料，并对凝胶进行了pH测试、溶胀率试验、扫描电镜试验、粘度测试、抑菌圈试验以及体外细胞毒性试验，以分别分析其酸碱特性、吸水能力、微观形貌、粘度大小、抑菌能力以及生物相容性;对敷料进行了扫描电镜试验、拉力测试、溶胀率试验以及抑菌圈试验，以分别分析其微观形貌、力学特性、吸水能力以及抑菌能力。
　　在制备纳米银时，本研究在蒸馏水和超纯水两种溶剂中，各分别加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和泊洛沙姆407两种分散剂对纳米银进行分散，即制备了蒸馏水-PVP、蒸馏水-泊洛沙姆、超纯水-PVP、超纯水-泊洛沙姆四组样品。将以上四组样品分别进行了紫外可见吸收光谱测试，结果显示，四组样品的最大吸光度所对应的波长，即最大吸收波长分别为442 nm、431 nm、431 nm和414nm。由于最大吸收波长与纳米银的平均粒径呈正比，所以以上结果表明了泊洛沙姆-超纯水组的平均粒径最小。同时以上结果表明，在同种溶剂中，泊洛沙姆相比于PVP具有更好地减小纳米银平均粒径的作用;在同种分散剂中，在超纯水中制备出的纳米银的平均粒径要比在蒸馏水中的小。根据相关文献的报道，当最大吸收波长为416 nm左右时，所对应的纳米银平均粒径为60 nm，粒径大小中等，因此本研究选取了平均粒径更小的超纯水组进行了扫描电镜试验。通过扫描电镜测试，证实了超纯水-泊洛沙姆组的平均粒径（粒径分布为45-85 nm）要比超纯水-PVP组（粒径分布为50-120 nm）的小，同时也表明了超纯水-泊洛沙姆组相比于超纯水-PVP组具有更窄的粒径分布。最后，为了证实所制备的颗粒为纳米银，本研究对超纯水-泊洛沙姆组制备的样品进行了X射线粉末衍射试验。根据X射线粉末衍射图谱，通过jade5.0软件与图谱库中的图谱进行配对，结果证实了所制备的样品为纳米银。
　　在制备纳米银凝胶时，根据0、3、6、12、18、24μg/ml的纳米银浓度梯度制备了六组纳米银凝胶样品，并分别进行了抑菌圈试验与体外细胞毒性试验。抑菌圈试验结果表明，0、3、6μg/ml的三组对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有一定的抑制能力且其抑菌能力无明显差异，此外，随着浓度的上升，纳米银的抑菌能力也有明显的上升。而到18、24μg/ml的浓度时，抑菌圈的大小无明显差异。另外，无论哪个纳米银浓度梯度的凝胶样品，其对金黄色葡萄球菌的抑制效果均好于对大肠杆菌的抑制。体外细胞毒性试验结果表明，纳米银浓度为0、3、6μg/ml的三组均具有1级的细胞毒性分级（相对增值率RGR介于80％和99％，分别为88.1％、82.5％、81.4％），而纳米银浓度为12、18、24μg/ml的三组均具有2级的细胞毒性分级（相对增值率RGR介于50％和79％，分别为72.9％、61.5％、52.2％）。通过平衡抑菌能力和体外细胞毒性，本研究选取了纳米银浓度为12μg/ml样品配方作为最优配方。为了试验泊洛沙姆的加入对凝胶特性的影响，接下来分别制备了壳聚糖凝胶和壳聚糖-泊洛沙姆干凝胶，并进行了扫描电镜试验和溶胀率试验。扫描电镜试验结果表明，壳聚糖干凝胶的断面较为平滑平整，而壳聚糖-泊洛沙姆干凝胶的断面具有较多孔洞结构，且孔洞大小小于20μm。由此可知，在壳聚糖的凝胶体系中，泊洛沙姆的引入会改变凝胶内部的微观结构，使其变得更蓬松。因此我们推测，泊洛沙姆分子与壳聚糖分子的相互作用，会促使孔洞的形成。另外，根据壳聚糖与壳聚糖-泊洛沙姆的扫描电镜图片，可大致判断，壳聚糖-泊洛沙姆凝胶的溶胀性要比壳聚糖凝胶的溶胀性好。溶胀率试验的结果证实了，无论在PBS溶液(pH=7.3)或者生理盐水溶液中，壳聚糖-泊洛沙姆凝胶的吸水能力均比壳聚糖凝胶要好。最后，将壳聚糖-泊洛沙姆凝胶样品分别进行了pH测试与粘度测试。pH测试结果表明，凝胶的pH在5.8-6.1之间，呈弱酸性，适合创口弱酸性的pH环境。粘度测试结果表明，当转子转速为1.0 r/min时，粘度为21.115 Pa·s，粘度适中，且随着转子转速的增加，凝胶的表观粘度越来越小。且转子速度越大，爬杆效应越明显，因此所制备的凝胶为非牛顿流体。
　　在制备纳米银敷料时，为了试验泊洛沙姆含量与甘油含量对壳聚糖-泊洛沙姆敷料吸水能力与力学性能的影响，本研究以泊洛沙姆浓度和甘油浓度作为变量，分别制备了泊洛沙姆浓度为0‰、2‰、4‰、6‰和8‰的五组和甘油浓度为2％、4％、6％、8％和10％的五组，并分别进行了溶胀率试验和拉力测试（包括拉伸强度和断裂伸长率）。溶胀率试验结果表明，经过24小时的浸泡后，在PBS溶液中，4‰与6‰泊洛沙姆组和2％甘油组具有更好地吸水能力，最大溶胀率分别可超过100％、100％和200％;而在生理盐水溶液中，8‰泊洛沙姆组和2％甘油组具有更好的吸水能力，最大溶胀率分别可超过100％和130％。在拉力测试中，所制备的敷料的拉伸强度在2‰～8‰的浓度范围内与泊洛沙姆含量成正比，而在2％～10％的浓度范围内与甘油含量成反比。与拉伸强度不同，敷料的断裂伸长率在4‰的泊洛沙姆浓度时达到最大，而在2％～10％的浓度范围内与甘油浓度含量成正比。此外，为了测试泊洛沙姆的添加是否会对敷料的微观结构产生影响，本研究还选取了泊洛沙姆的5组样品进行了测试。结果发现，在敷料的断面SEM测试中，泊洛沙姆的加入，会使凝胶断面出现孔洞，孔洞的最大直径小于10μm。通过观察敷料的微观结构，也直观解释了溶胀率试验中添加泊洛沙姆组的吸水特性要好于不添加泊洛沙姆组这一现象。最后，为了测试泊洛沙姆的添加是否会对敷料的抑菌能力产生影响，本研究选取了泊洛沙姆的5组样品进行了测试。结果发现，所制备的样品在不同菌种中基本上均出现明显的抑菌圈。其中0‰和2‰泊洛沙姆组样品在不同菌种中的抑菌圈大小的差值较大，均为2.5 mm，而其他三组差值较小，均小于或等于1 mm。通过平衡敷料的吸水能力、力学性能以及抑菌能力，本研究选取了6‰的泊洛沙姆浓度与2％甘油浓度作为壳聚糖-泊洛沙姆敷料的最佳浓度。

目录

摘要

第一章 综述

1．1 关于纳米银

1．2 关于抗菌凝胶

1．2．1 凝胶剂的分类

1．2．2 水凝胶的制备方法

1．2．3 抗菌水凝胶的制备与应用

1．3 关于抗菌敷料

1．4 本课题的目的与创新性

第二章 试剂、仪器与软件

2．1 试剂

2．2 仪器

2．3 软件

第三章 纳米银的制备与表征

3．1 纳米银的制备

3．1．1 纳米银的制备的预实验

3．1．2 纳米银制备的正式试验

3．2 纳米银的表征

3．2．1 紫外可见吸收光谱试验

3．2．2 扫描电镜试验

3．2．3 X射线粉末衍射试验

3．3 纳米银的表征结果

3．3．1 紫外可见吸收光谱试验结果

3．3．2 扫描电镜试验结果

3．3．3 X射线粉末衍射试验结果

3．4 关于纳米银表征结果的讨论

3．5 附图

第四章 纳米银抗菌凝胶的制备与表征

4．1 纳米银抗菌凝胶的制备

4．1．1 纳米银抗菌凝胶制备的预实验

4．1．2 纳米银抗菌凝胶制备的正式试验

4．2 纳米银抗菌凝胶的表征

4．2．1 抑菌圈试验

4．2．2 细胞毒性试验

4．2．3 扫描电镜试验

4．2．4 溶胀率试验

4．2．5 pH测试

4．2．6 粘度测试

4．3 纳米银抗菌凝胶的表征结果

4．3．1 抑菌圈试验结果

4．3．2 体外细胞毒性试验结果

4．3．3 扫描电镜试验结果

4．3．4 溶胀率试验结果

4．3．5 pH测试结果

4．3．6 粘度测试结果

4．4 关于纳米银抗菌凝胶表征结果的讨论

4．5 附图

第五章 纳米银抗菌敷料的制备与表征

5．1 纳米银抗菌敷料的制备

5．1．1 以泊洛沙姆为变量的纳米银抗菌敷料的制备

5．1．2 以甘油为变量的纳米银抗菌敷料的制备

5．2 纳米银抗菌敷料的表征

5．2．1 敷料断面的扫描电镜测试

5．2．2 溶胀率测试

5．2．3 拉力测试

5．2．4 抑菌圈试验

5．3 纳米银抗菌敷料的表征结果

5．3．1 敷料断面的扫描电镜测试结果

5．3．2 溶胀率试验结果

5．3．3 拉力测试结果

5．3．4 抑菌圈试验结果

5．4 关于纳米银抗菌敷料表征结果的讨论

5．5 附图

第六章 总结与展望

6．1 论文主要研究内容总结

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间成果

致谢

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