国际聚合物科学杂志

PDF
国际聚合物科学杂志/2020/文章
特殊的问题

基于功能聚合物的药物传递系统

查看此特殊问题

研究文章|开放访问

体积 2020 |文章ID. 9875290. | https://doi.org/10.1155/2020/9875290

O. Nadtoka,P.Virych,N.Kutsevol 负载亚甲基蓝的水凝胶:吸附-解吸和抗菌光活化研究“,国际聚合物科学杂志 卷。2020 文章ID.9875290. 6. 页面 2020 https://doi.org/10.1155/2020/9875290

负载亚甲基蓝的水凝胶:吸附-解吸和抗菌光活化研究

学术编辑:胡安李
已收到 07年2月2020年
公认 09年4月20日
发表 2020年4月27日

摘要

制备了不同交联密度的葡聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶作为光活化抗菌材料。通过估算MB溶液吸收最大值的变化,研究了水凝胶的吸附/解吸特性。MB在水凝胶中的吸附/解吸速率取决于水凝胶的结构。对光辐照材料的抗菌性能进行了测试金黄色葡萄球菌.结果表明,在亚甲基蓝色存在下水凝胶的照射能够消除细菌菌株。

1.介绍

细菌感染通常发生在烧伤,伤口和许多外科手术中[1].微生物在病理的发展和维持中起着至关重要的作用,在伤口愈合或生物力学制备过程中微生物的清除对治疗的成功至关重要。为了消除或减少细菌定植,采用了包括使用高剂量抗生素在内的方法。这种抗生素在很大程度上是成功的,但也可能导致细菌产生耐抗生素菌株。一种消除不同表面细菌的新方法是使用光激活抗菌剂(LAAA) [23.].

光活化的抗微生物剂在兴奋时用适当波长的光,即用红光,产生单向氧和/或基团,对细菌具有高度细胞毒性[4.5.].使用LAAAs治疗或预防感染性疾病被称为光动力疗法(PDT) [6.].

LaAAS通常是无机或有机染料,如亚甲蓝(MB)。封装在聚合物中的LaAAs已经显示出对广泛的致病细菌表现出抗微生物活性[7.-9.].用于将LaAA封装成用于医疗应用的弹性体的方法包括将聚合物浸入含有能够溶胀基质的溶剂的LaAA溶液中;在此阶段期间,溶液穿入承载LaAA的弹性体中。

水凝胶是一种具有三维聚合物网络的可遇水膨胀材料,具有固体的力学性质和液体的扩散输送性质。它们有微孔和弹性,这提供了它们的保水和膨胀能力。这些特性使水凝胶成为生物医学应用的有前途的材料[10.].近年来,以多糖为基础的水凝胶由于其独特的溶解度、生物降解性、生物相容性和无毒性等特点,在给药系统和敷料材料中受到了广泛的关注[11.].

在我们最近的研究中,我们报告了一类聚丙烯酰胺水凝胶[12.]是由PAA的星形支链共聚物与多糖交联而得到的。结果表明,葡聚糖接枝聚丙烯酰胺(D20-PAA)水凝胶与线性聚丙烯酰胺水凝胶相比具有一定的优越性。D20-PAA水凝胶可以被设计成在水介质中具有最佳的水或生物流体含量,良好的力学性能,形状稳定,柔软程度与周围软组织相似。考虑到水凝胶用于创面敷料的实际情况,本工作尝试制备水凝胶/MB复合材料并研究其抗菌光动力效应。单色可见光在 由于其对人组织的最小负面影响和刺激再生过程的能力而使用13.].

2.材料和方法

2.1。水凝胶合成

葡聚糖 - 移植物 - 聚丙烯酰胺(D20-PAA-X)水凝胶(图1)与不同浓度的交联剂( ;0.4和0.6重量。%)。水凝胶的合成在我们以前的工作中有描述[12.].作为前体,我们使用Sigma-Aldrich使用丙烯酰胺(AA)。葡聚糖(D20)与 g/mol,铈(IV)硝酸铵,N,N -从Fluka购买亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和亚甲基蓝(MB)。所有供应的试剂都是分析级的,它们被使用而无需进一步纯化。所有带水凝胶的程序都在去离子水中进行。

通过自由基聚合使用可以在交联剂MBA存在下作为引发剂的自由基聚合制备D20-G-PAA-х水凝胶[14.] (数字1).将计算量的葡聚糖(0.02 mM)在25℃下溶于25 mL蒸馏水中。用氩气鼓泡吹扫20 min,加入引发剂CAN (0.03 mmol)。在2分钟内,将0.05 mol的AA和每100 g AA单体的MBA分别倒入反应混合物中,分别为0.28、0.4、0.6 g。形成的水凝胶样品在24小时内从烧瓶中取出,用蒸馏水洗涤以去除未反应的单体。最后,将凝胶在室温下干燥。

2.2。残留丙烯酰胺的测定

为了控制水凝胶中残留AA的量,使用高效液相色谱(HPLC)。用二极管阵列检测器的水联盟HPLC系统分析水提取物。柱状核炎C18( 设置在20°C的温度。检测在波长为210nm的波长下进行。甲醇/再蒸馏水的比例90/10的混合物  用作流动阶段,流速为1毫升-1.通过制备一系列已知浓度的溶液,建立了测定AA含量的校准曲线。

2.3.亚甲基蓝负载水凝胶的制备

通过饱和亚甲基蓝水溶液中的膨胀水凝胶,将亚甲基蓝加载到水凝胶中。染料浓度分别为0.0001和0.001 wt。%.的样本 将固化的水凝胶立方体(约1g)浸入MB溶液中12小时。交联共聚物网络内部结构及染料化学结构如图所示2

2.4。UV-Vis光谱

在吸光度模式(范围为200-1000nm)的λ55uV-Vis分光光度计(PerkinElmer,Ca)中测量吸光度,在亚甲基蓝色的吸收最大值( [15.])。在这种情况下,吸光度越大,染料浓度就越高。染料在溶液中的浓度不超过 wt。%,防止染料的二聚化和外观的额外最大吸收。使用具有1cm路径长度的石英比皿来获取所有光谱。

2.5.染料吸附与解吸的动态研究

通过估计Mb溶液的吸收变化进行染料扩散到水凝胶中的动态研究。

为此,将直径为7 mm的水凝胶样品放入亚甲基蓝水溶液( wt。%)。所有实验中水凝胶和溶液的质量比为1:4。在10分钟内,测量非吸收染料溶液的吸光度。进一步测量在10分钟的时间间隔中进行150分钟,直到达到溶液中染料的平衡浓度。通过校准曲线测定非吸收染料的浓度,结束了水凝胶吸收的染料量(表1).


样本 (最低-1 (最低-1 (wt。%) (wt。%)

d20开头- paa - 0.2 0.10 0.40 4.16 1.46
D20-PAA-0.4 0.08 0.35 3.64 1.59
d20开头- paa - 0.6 0.07 0.33 2.94 1.61

Mb进入水凝胶的扩散速率和水凝胶; 在吸附水凝胶中平衡MB浓度; 吸附时溶液中平衡的MB浓度。

类似地研究了亚甲基蓝色的扩散。在这种情况下,将用MB的水凝胶样品置于蒸馏水中。所有实验中的Mb水凝胶和水的大量比例为1:4。所有水凝胶中的染料初始浓度是 wt。%.在10分钟内,测量解吸染料溶液的光密度。进一步测量在10分钟的时间间隔中进行150分钟,直到达到溶液中染料的平衡浓度。通过校准曲线测定解吸染料的浓度。

为了分析染料的吸附和解吸速率(V),计算溶液中染料浓度的第一种衍生物。为此目的,实验依赖性在对数坐标中线性化:时间(LN 更小的吸光度(ln 按线性规律拟合;所得到的依赖斜率与染料扩散速率相对应。对线性范围的轻微偏差不超过实验允许的误差。

2.6。抗菌研究

LED(Photonics Plus,Cherkasy,乌克兰)带有波长的激光发射器( 为660 nm。100mw激光照射20、30和40分钟,能量密度为21 J/cm2,31.5 j / cm2,42.1 j / cm2, 分别。

在悬浮液中研究了红光激活的亚甲基蓝的抗微生物活性S.金黄色葡萄球菌(10.5. CFU/mL). A suspension ofS.金黄色葡萄球菌(10.-5 CFU/mL) was prepared in a nonagar Müller-Hinton medium. 3.8 mL aliquots of the suspension were placed in tubes; then, 0.2 mL methylene blue solution of 0.02% wt. % was added into suspension and incubated at 37°C throughout the experiment. Both suspension ofS.金黄色葡萄球菌和暂停S.金黄色葡萄球菌用100 mW激光(660 nm)照射亚甲基蓝3分钟,产生0-18 J/cm的能量密度3..将每个测试与对照进行比较,因为每1-3小时,细菌繁殖和它们的数量加倍。相对于对照样品,在CFU死亡的%中评价了杀菌效果。

负载亚甲基蓝(0.0005 wt.)水凝胶的抗菌活性。%)在悬浮中S.金黄色葡萄球菌(10.5.研究了CFU / ml)。将水凝胶样品置于水凝胶的质量比中的细菌悬浮液中: 120 min后,溶液中MB的平衡浓度为 wt。%.进一步用光(660nm,100mW)照射,间隔为20分钟,能量密度为6 j / cm3.进行了。相对于对照样品,在CFU死亡的%中评价了杀菌效果。

应用盘扩散方法研究水凝胶的抗菌活性。野生菌株金黄色葡萄球菌作为革兰氏阳性菌模型。在电培养基“蛋黄盐琼脂”上获得野生菌株[16.].选择的菌株在固体培养基上对光和亚甲基蓝的作用进行了敏感性试验。一种细菌的悬液(约为105.CFU/mL),然后在培养皿中均匀涂于Müller-Hinton琼脂上。

培养皿分为4个区,以下分别称为1、2、3和4:对照(1)、光照射(2)、亚甲基蓝饱和水凝胶(3)、亚甲基蓝饱和水凝胶和光照射(4)。将水凝胶样品及其与MB的复合材料切成5毫米的正方形,放置在有琼脂的培养皿中。然后,对扇区(2)和扇区(4)进行光照( ).将琼脂平板置于37℃的孵育烘箱中,并留下24小时。

通过分析生长延迟的直径来评估MB负载水凝胶的抗微生物活性[17.].在用吖啶橙染色悬浮液的悬浮液染色后,在姜黄腔中进行菌落形成单位(CFU)的测定,以吖啶橙,最终染料浓度为0.001wt。%[18.].用吖啶橙在530 nm波长下发光测定CFU。

所有实验都进行了3个重复,并报告了平均值。

3。结果与讨论

3.1.吸附/解吸动力学研究

通过改变置于水凝胶的MB溶液的吸收最大值,研究了亚甲基蓝色进入水凝胶样品的扩散速率。溶液吸光度的降低表明染料浓度降低,因此,水凝胶中浓度的增加(图3(一个)).

数字3 (b)表示亚甲基蓝从饱和水凝胶中扩散到水中。在这种情况下,染料在溶液中最大吸光度处的吸光度的增加对应于其在溶液中的浓度的增加。所有样品在130 ~ 150 min内均达到染料从水凝胶中解吸的平衡状态。

平衡状态下,MB在水凝胶中的浓度如表所示1.显然,水凝胶的交联度降低和亚甲基蓝色进入水凝胶的扩散速率增加。它是由更高的网格尺寸引起的,因为它在[12.].水凝胶中染料的平衡浓度高于溶液中,这表明染料分子和聚合物基质的分子间相互作用由于极性官能团和水凝胶的局部体积的离子相互作用。在扩散后,水凝胶的较低交联密度导致较高浓度的染料进入聚合物基质。

数字3 (b)显示扩散过程对水凝胶中交联浓度的强依赖性。水凝胶外释放的MB释放速率是样品D20-PAA-0.2的最低交联密度,其对应于网络中的最大网格尺寸。

因此,水凝胶的吸附/解吸性是调节细菌培养基中活性物质的治疗浓度的重要因素。它允许为生物医学应用创建新颖的材料,例如伤口敷料。因此,我们使用水凝胶D20-PAA-0.2具有最佳扩散性能的抗菌研究。

3.2.抗菌研究
3.2.1之上。光激活MB在菌悬液中的抑菌活性

红外光(660 nm)的抑菌效果研究S.金黄色葡萄球菌在细菌悬浮液中表明没有杀菌作用(图4.).这是由于光量的低能量以及细菌细胞中的光敏剂靶标。还发现亚甲蓝以浓度为0.0001重量%。细菌悬浮液中的%不显示相对于细菌菌株的杀菌性质。然后,红光照射和MB为0.0001重量%。合并%并引起CFU的20%,辐射剂量为约2J / cm3..能量密度的增加至6 j / cm3.导致60%的CFU失活。进一步增加辐射剂量并不会增加杀菌活性。这可能是由于适应S.金黄色葡萄球菌培养到所创造的条件或缺乏氧气或染料溶液中。

3.2.2。用MB载荷的水凝胶中的水凝胶抗菌活性

将亚甲基蓝色从水凝胶中扩散的研究表明,在短时间内显示染料进入环境中的逐渐释放。这使得长时间允许在致病细菌的悬浮液中提供所需的活性物质的浓度。考虑到得到的结果,研究了用亚甲基蓝色的水凝胶材料与可见光照射组合的杀菌作用。最低交联密度和最高扩散速率的D20-PA-0.2分离为MB容器。首先,显示纯水凝胶等各个组分,6J / cm处的光照射3.,亚甲基蓝没有细菌悬浮液中的抗菌能力(图5.).同时,水凝胶复合D20-PAA-0.2 / MB和光照射的复杂作用导致损失初始量的CFU的60%,随着水凝胶的溶液在40分钟的溶液中孵育。

3.2.3。负载MB水凝胶在固体介质上的抗菌活性研究

上述细菌悬浮液中的抗菌研究结果表明复合材料的基于交联水凝胶的抗菌效果,并通过红光照射激活。由于这种复合材料是水凝胶敷料的有希望的材料,因此研究其在表面上的抗菌性质是有趣的。已知抗菌疗效是由若干因素引起的,例如光活性抗微生物剂的性质,它们的扩散速率和浓度,水凝胶性质和细菌菌株。

水凝胶D20-PAA-0.2的杀菌活性以低浓度为MB负载 wt。%对野生金黄色葡萄球菌用圆盘扩散法对应变进行了研究(图6.).从图中可以看出6.,载MB的水凝胶辐照 wt。%,不同光能密度(660 nm)对其杀菌活性无明显影响。当MB的浓度增加到 wt。%时,杀菌活性增加,对辐射剂量的依赖性出现。

因此,用亚甲基蓝作为光活性抗微生物剂负载的水凝胶复合材料并用红光(660nm)照射,抑制和固体培养基上均具有杀菌作用。它使它们成为伤口敷料的有希望的材料和光动力治疗的应用。

4。结论

合成了不同交联密度的混合交联水凝胶接枝聚丙烯酰胺,为生物医学应用提供了新一代有前景的材料。亚甲基蓝是光激活抗菌剂的通用模型。研究了染料在水凝胶中的吸附/解吸过程。交联密度最低的样品,吸附的MB在水凝胶中的释放速率较高。在悬浮和固体介质中,以亚甲基蓝为光激活抗菌剂,在红光照射下测定了水凝胶复合材料对野生菌株的抗菌活性S.金黄色葡萄球菌.对两个实验注册了高抗微生物功效。因此,制备的水凝胶复合材料可用作伤口敷料和光动力疗法的有希望的材料。

数据可用性

用于支持本研究结果的[吸附/解吸动力学研究]数据包括在文章中。用于支持本研究结果的[抗菌研究]数据可根据要求从通讯作者处获得。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考

  1. W. Kim,W.Zhu,G.L.Hengricks等人,“一类新的合成类黄蛋白抗生素,有效针对细菌持久性,”自然,卷。556,没有。7699,pp。103-107,2018。视图:出版商网站|谷歌学者
  2. P. S. Zolfaghari,S.Placker,M. Singer等,“使用光活化的抗微生物剂的体内杀死金黄色葡萄球菌”,“BMC微生物学,第9卷,第5期。1,第27页,2009。视图:出版商网站|谷歌学者
  3. M.Wilson,T.伯恩斯和J. pratten,“使用光活化的抗微生物剂杀死生物膜中的链球菌血管,”抗菌化疗杂志,卷。37,不。2,pp。377-381,1996。视图:出版商网站|谷歌学者
  4. K.页面,M. Wilson和I. P. Parkin,“抗微生物表面及其在减少无生命环境中在医院收购感染的发病时的作用”,“材料化学杂志,卷。19,没有。23,pp。3819-3831,2009。视图:出版商网站|谷歌学者
  5. V. DEDRAENE,J.PRATTEN和M. Wilson,“含甲苯胺蓝和玫瑰瓣的醋酸纤维素是当暴露于白光时有效的抗微生物涂层”应用和环境微生物学第72卷第2期6、2006年。视图:出版商网站|谷歌学者
  6. R. A. Hsi, D. I. Rosenthal, E. Glatstein,“光动力疗法在癌症治疗中的应用”,药物(第57卷)5,第725-734页,1999。视图:出版商网站|谷歌学者
  7. S.Perni,P.Prokopovich,C. Piccirillo,J.Pratten,I。P. Parkin和M. Wilson,“甲苯胺蓝的聚合物在用红色激光照射时表现出有效的杀菌活性”材料化学杂志,卷。19,没有。18,pp。2715-2723,2009。视图:出版商网站|谷歌学者
  8. J. Gil-Tomás,S. Tubby,I. P. Parkin等,“致命的光敏性金黄色葡萄球菌使用甲苯氨基蓝o-Tiopronin-gold纳米粒子缀合物,“材料化学杂志,卷。17,不。35,pp。3739-3746,2007。视图:出版商网站|谷歌学者
  9. K.爱德华兹的《龙胆紫和亚甲基蓝抗菌泡沫》伤口护理进展,卷。5,不。1,pp。11-18,2016。视图:出版商网站|谷歌学者
  10. Q. Chai,Y. jiao和X. Yu,“水凝版生物医学应用:它们的特点和它们背后的机制,”凝胶,卷。3,不。1,p。2017年6日。视图:出版商网站|谷歌学者
  11. R. Parhi,“药品应用的交联水凝胶:审查,”先进的制药公报,第7卷,第5期4, pp. 515-530, 2017。视图:出版商网站|谷歌学者
  12. O. Nadtoka,N.Kutsevol,A. Naumenko和P.Virch,“水凝胶 - 银纳米粒子复合材料的光化学合成和表征”,化学中间体研究第45卷第5期8, pp. 4069-4080, 2019。视图:出版商网站|谷歌学者
  13. Y. Wang, Y. Y. Huang, Y. Wang, P. Lyu, and M. R. Hamblin, “Red (660 nm) or near-infrared (810 nm) photobiomodulation stimulates, while blue (415 nm), green (540 nm) light inhibits proliferation in human adipose- derived stem cells,”科学报告,第7卷,第5期1,第7781,2017条。视图:出版商网站|谷歌学者
  14. O. Nadtoka, N. Kutsevol, V. Krysa,和B. Krysa,“混合聚丙烯酰胺水凝胶的合成、性能和应用前景”,分子晶体和液晶,第672卷,第2期。2018年,第1 - 10页。视图:出版商网站|谷歌学者
  15. S. Perni, C. Piccirillo, A. Kafizas等人,“含有不同尺寸的亚甲基蓝和金纳米颗粒的光激活硅酮的抗菌活性,”群集科学杂志,卷。21,不。3,pp.207-438,2010。视图:出版商网站|谷歌学者
  16. L. M. Carantonis和M. S. Spink,《致病性葡萄球菌的选择性盐蛋琼脂培养基》,病理学杂志,第86卷,第86期1,页217-220,1963年。视图:出版商网站|谷歌学者
  17. M. Lehtopolku,P.Kotilainen,P.Puukka等,“盘扩散方法的不准确与琼脂稀释方法进行振动杆菌SPP的敏感性测试”相比,“临床微生物学杂志,第50卷,第5期。1,第52-56页,2012。视图:出版商网站|谷歌学者
  18. C. Camacho-Fernández,D.Hervás,A.Rivas-Sendra,M.P.Marín和J.M.Seguí-Simarro,“六种不同方法计算细胞密度”的比较“植物方法第14卷第2期1、2018年第30页。视图:出版商网站|谷歌学者

版权所有©2020 O. Nadtoka等人。这是一篇发布在创意公共归因许可证,允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制,但必须正确引用原作。


更多相关文章

PDF 下载引用 引用
下载其他格式更多的
订单印刷副本订单
意见322.
下载180
引用

相关文章

我们致力于尽可能快地分享与Covid-19相关的结果。我们将为已接受的研究文章提供无限的出版费用豁免,以及与Covid-19相关的报告和案例系列。评论文章被排除在此豁免政策之外。注册在这里作为评论员,帮助快速跟踪新的提交。