Mit Baicalin beladene elektrogesponnene Polycaprolacton-Nanofasermembranen zur antibakteriellen Wundauflage

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10900 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund der Zunahme bakterieller Resistenzen werden antibakterielle Extrakte aus chinesischen Kräutern immer häufiger zur Wundversorgung eingesetzt. In dieser Arbeit wurde Baicalin, ein Extrakt aus dem chinesischen Kraut Scutellaria baicalensis, als antibakterielle Komponente in den hybriden Nanofasermembranen aus Poly(ε-caprolacton)/MXen (PCL/Ti3C2TX) für Wundauflagen verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwesenheit von Ti3C2TX zur Durchmesserreduzierung der elektrogesponnenen Nanofasern beitrug. Die PCL-Hybridmembran mit 3 Gew.-% Ti3C2TX-Nanoflocken und 5 Gew.-% Baicalin wies den kleinsten mittleren Durchmesser von 210 nm auf. Unterdessen zeigten die antibakteriellen Tests, dass die ternären PCL-Hybrid-Nanofasern, die Ti3C2TX und Baicalin enthalten, aufgrund der guten synergistischen Wirkung von Ti3C2TX-Naoflakes und Baicalin eine ausreichende antibakterielle Aktivität gegen das grampositive Bakterium S. aureus zeigten. Die Zugabe von Ti3C2TX-Nanoflocken und Baicalin könnte die Hydrophilie der Membranen deutlich verbessern, was zur Freisetzung von Baicalin aus den Nanofasern führen würde. Darüber hinaus bestätigte die Zytotoxizität der Nanofasern auf Myoblasten-L6-Zellen des Rattenskeletts deren gute Kompatibilität mit diesen PCL-basierten Nanofasermembranen. Diese Arbeit bietet eine praktikable Möglichkeit, antibakterielle Nanofasermembranen mithilfe der Extraktion chinesischer Kräuter für Wundauflagen herzustellen.

Die Haut ist die erste Barriere des menschlichen Körpers, um die inneren Organe vor Mikroorganismen oder anderen äußeren Gefahren zu schützen1. Allerdings ist die Haut sehr anfällig für Schäden durch Verletzungen oder Krankheiten. Hautwunden können sich leicht infizieren, was eine enorme Belastung für das Gesundheitssystem darstellt2. Herkömmliche Wundverbandmaterialien wie Zellulose, Seide, Alginat, Kollagen usw. haben keine Fähigkeit, die Ansiedlung von Bakterien zu hemmen oder das Wachstum von Mikroorganismen zu verhindern3,4,5. Daher besteht ein Bedarf an antibakteriellen Wundauflagen, um eine kutane Wundkontamination zu verhindern. In letzter Zeit haben elektrogesponnene Nanofasergerüste aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. hoher Sauerstoffpermittivität, hoher Zugfestigkeit, vielfältiger morphologischer Merkmale, einstellbarer Porosität und maßgeschneiderter Fähigkeit, große Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der Wundauflagen erregt6. Antibakterielle Inhaltsstoffe wie Antibiotika, Metalloxide und Aktivkohle-Nanopartikel werden in die Fasermatrix eingearbeitet, um die Heilung von Hautwunden zu unterstützen7,8.

Poly(ε-Caprolacton) (PCL) ist eine Art biologisch abbaubarer und biokompatibler aliphatischer linearer Polyester, der durch ringöffnende Polymerisation von ε-Caprolacton synthetisiert werden kann. PCL hat aufgrund seiner hohen Zähigkeit, biologischen Abbaubarkeit und Biokompatibilität große Aufmerksamkeit erhalten. Es wurde gezeigt, dass elektrogesponnene PCL-Nanofasergerüste für Wundauflagenanwendungen verwendet werden können9,10,11. Die nativen porösen Struktureigenschaften von PCL-Gerüsten können die Struktureigenschaften der extrazellulären Matrix (ECM) der Haut nachahmen und gleichzeitig eine hohe Sauerstoffdurchlässigkeit bieten. Um den PCL-Nanofasergerüsten antibakterielle Eigenschaften zu verleihen, wurden verschiedene Arten von Metalloxiden oder Metallen in die PCL-Matrizen eingeführt12. Zhu et al. fanden heraus, dass der Einbau von Silber- (Ag) und Magnesium- (Mg) Ionen in Gelatine/Polycaprolacton (GT/PCL) den Nanofasern eine antibakterielle Aktivität sowie eine proangiogenetische Funktion verleihen könnte, was sich positiv auf die Wundheilung der Haut auswirkte13. Ghiyasi und seine Kollegen entdeckten, dass die Hybridgerüste aus Urtica dioica, ZnO-Nanopartikeln und PCL eine gute antibakterielle Aktivität gegen E. coli und S. aureus hatten14. Darüber hinaus zeigte die Nanofaser des Hybridgerüsts in vivo-Tests eine gute Biokompatibilität und Zelladhäsion an Fibroblasten-L929-Zellen. Ekram et al. zeigten, dass die Anwesenheit von Zinkchlorid (ZnCl2) den Durchmesser der PCL/ZnCl2-Nanofasern verringerte und gleichzeitig die Abbaurate und die mechanischen Eigenschaften erhöhte15. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die antibakterielle Komposit-Nanofaser die Proliferation von Stammzellen erheblich steigert. Trcin et al. fanden heraus, dass die PCL-Gerüste, die TiO2-Nanopartikel enthalten, eine statistisch signifikante antimikrobielle Aktivität gegen verschiedene Arten von Bakterien bieten können16. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die PCL/TiO2-Gerüste mit einer maximalen Porosität von 93 % in der Lage sind, die Adhäsion und Proliferation limbaler Stammzellen zu unterstützen.

MXene ist eine neue Familie zweidimensionaler (2D) Materialien, die die Übergangsmetalle M (Ti, Cr, V, Nb und Mo usw.) mit großen Mengen an X (Carbide, Nitride oder Carbonitride) durch Entfernen der A- Element in der MAX-Phase17,18. MXen (Ti3C2TX) weist aufgrund seiner ultradünnen Struktur und einzigartigen physiochemischen Eigenschaften eine überlegene Biokompatibilität und antibakterielle Wirksamkeit sowohl gegen gramnegative als auch grampositive Bakterien auf als Graphenoxid19,20. Awasthi et al. fanden heraus, dass die Zugabe von MXene zu PCL-Nanofasern in vitro eine gute Biokompatibilität mit Ibroblasten- (NIH-3T3) und Präosteoblasten- (MC3T3-E1) Zelllinien aufrechterhielt21. Darüber hinaus trug das Vorhandensein von Ti3C2TX-Nanoblättern zur Verringerung des Durchmessers und zur Verbesserung der Morphologie von PCL/Ti3C2TX-Nanofasern bei. Bisher liegen jedoch keine Daten zu den antibakteriellen Aktivitäten von PCL/Ti3C2TX-Nanofasern vor.

Kräuterextrakte werden seit der Antike häufig zur Heilung verschiedener Krankheiten eingesetzt. Pflanzliche sekundäre Pflanzenstoffe können als potenzielle antibakterielle Mittel mit weniger Nebenwirkungen dienen. Baicalin, ein Flavonoid, das aus dem chinesischen Kraut Scutellaria baicalensis gewonnen wird, gilt in der Biomedizin als Multitherapeutikum22. Es zeigt verschiedene positive Wirkungen auf Wunden, darunter antioxidative, antibakterielle und entzündungshemmende Eigenschaften23,24. Bisher wurde jedoch nur wenig Forschung zur Verwendung von Baicalin in elektrogesponnenen Fasern für Wundauflagen durchgeführt.

In dieser Arbeit wurde zunächst MXene (Ti3C2TX) exfoliert, um Ti3C2TX-Nanoflocken zu erhalten. Anschließend wurden die resultierenden Ti3C2TX-Nanoflocken durch Elektrospinnen in die PCL-Matrix mit pflanzlichem Extraktionsbaicalin eingebaut. Die Morphologie, thermische Stabilität, Hydrophilie und mechanischen Eigenschaften der elektrogesponnenen Nanofasern, bestehend aus ternären PCL/Ti3C2TX/Baicalin-Verbundwerkstoffen, wurden untersucht. Es wurde erwartet, dass die Zugabe von Ti3C2TX und Baicalin synergistische Effekte auf die Verbesserung der antibakteriellen Leistung des Wundverbands gegen grampositive Bakterien S. aureus haben würde. Darüber hinaus wurde die Biokompatibilität dieses Wundverbandes in vitro auch unter Verwendung von Myoblasten-L6-Zellen des Rattenskeletts bewertet.

Poly(ε-caprolacton) (PCL, CapaTM 6800) mit einem mittleren Molekulargewicht von 80.000 wurde von Weibo Chemical Co., Ltd. (Guangzhou, China) bezogen. MXene (Ti3C2TX) mit 400 Maschen wurde von Beike 2D Materials Co., Ltd. (Peking, China) geliefert. Baicalin (Reinheit > 95 %) wurde von Macklin Biochemical Co., Ltd. (Shanghai, China) geliefert. Chloroform und Dimethylformamid (DMF) wurden von J&K (Peking, China) bezogen.

Das Peeling von Ti3C2TX wurde durch Hochenergie-Kugelmahlen unter Verwendung einer Miqi YXQM-1L-Planetenmikromühle (Changsha, China) durchgeführt. Ti3C2TX (4 g) und Zirkoniumoxid-Mahlkugeln (70 g) wurden in eine 250-ml-Mahlschüssel gegeben und 4 Stunden lang bei 600 U/min bearbeitet. Dann wurde das abgeblätterte Ti3C2TX mit entionisiertem Wasser aus der Mahlschüssel entfernt, gefolgt von einer 30-minütigen Ultraschallbehandlung in entionisiertem Wasser, um es vollständig abzulösen. Schließlich wurden die resultierenden Ti3C2TX-Nanoflocken 10 Minuten lang bei 3500 U/min zentrifugiert und die erhaltene Suspension über Nacht gefriergetrocknet.

Die elektrogesponnenen Nanofasern des ternären PCL/Ti3C2TX/Baicalin-Verbundwerkstoffs wurden unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Elektrospinnmaschine (TL-Pro, Tongli Weina Co., Ltd., Shenzhen, China) hergestellt, wie in Abb. 1 gezeigt. Die Formulierungen basieren auf PCL Nanofasern sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die PCL-Konzentration wurde auf 100 mg/ml in einer gemischten Chloroform/DMF-Lösung (8:2, Vol./Vol.) festgelegt. Anschließend wurde die gewünschte Menge Ti3C2TX und Baicalin unter kräftigem Rühren in die PCL-Lösung gegeben. Die vorbereitete PCL-Lösung wurde in eine 10-ml-Kunststoffspritze mit einer Metallkapillarnadel (0,50 mm Innendurchmesser und 30 mm Länge) geladen. Die angelegte Elektrospinnspannung wurde auf 15 kV festgelegt und die Flussrate wurde auf 1 ml/h gehalten. Die erhaltenen Nanofasern wurden anschließend 6 Stunden lang in einen Vakuumofen bei 50 °C gelegt, um das restliche Lösungsmittel zu entfernen.

Herstellungsweg von PCL-basierten Nanofasern. (Adobe Illustrator CS5, Version 15.0.0, https://www.adobe.com/products/illustrator.html).

Die Morphologie von Ti3C2TX und den vorbereiteten Nanofasern wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM, FEI Quata 250, USA) beobachtet. Vor der Beobachtung wurden die Proben mit einer dünnen Goldschicht besputtert, um eine Ladungsansammlung zu vermeiden.

Die Dicke der Ti3C2TX-Nanoflocken wurde durch Rasterkraftmikroskopie (AFM, VEECO Multimode V, USA) im Klopfmodus gemessen.

Die Röntgenbeugungsmuster wurden mit einem XRD mit streifendem Einfall (Rigaku SmartLab) mit Cu Kα bei 45 kV durchgeführt. Der Scanwinkel (2θ) lag im Bereich von 5° bis 60°.

Die Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FT-IR) wurden mit einem Perkin Elmer FTIR-100-Spektrometer (USA) mit einem gesammelten Wellenzahlbereich von 500–4000 cm−1 durchgeführt.

Die thermische Stabilität wurde mit einem thermogravimetrischen Analysegerät (TGA, Netzsch TGA-209F1) bewertet. Die Proben wurden mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 10 °C/min von Raumtemperatur auf 600 °C erhitzt.

Die Benetzbarkeit der Nanofasern wurde durch Messung des Wasserkontaktwinkels mit einem See System E-Instrument (Advex Instruments, Tschechische Republik) bewertet.

Zur Bestimmung des MHK-Werts von Baicalin gegenüber S. aureus wurde die Standard-Bouillon-Mikroverdünnungsmethode angewendet, wie in den vorherigen Berichten25,26 beschrieben. Kurz gesagt, S. aureus wurde in einer Brühe-Subkultur in einem Kolben inokuliert und gezüchtet. Anschließend wurden die Bakterien 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Anschließend wurde die Bakterienkonzentration auf eine Dichte von 1,0 × 106 KBE/ml eingestellt. Die Baicalinlösung mit einer Konzentration von 1 bis 1024 mg/ml wurde der S. aureus-Lösung zugesetzt, um das Wachstum der Bakterien zu beobachten. Als MHK wurde die niedrigste Konzentration betrachtet, bei der kein sichtbares Bakterienwachstum in der Platte beobachtet wurde.

Die antibakteriellen Eigenschaften der PCL-basierten Nanofasern gegen S. aureus wurden anhand eines Standardbewertungsmodells „SNV 195920-1992“26 bewertet. Der Bewertungsstandard der Hemmzone ist in Tabelle S1 zusammengefasst. Zuerst wurden 100 µL einer Bakteriensuspension mit 108 KBE/ml auf einer LB-Agarplatte ausgebreitet, und dann wurden die nanofaserigen Membranproben mit einem Durchmesser von 1,0 cm auf die Oberfläche des Agars gelegt. Die Bakteriensuspension mit den PCL-basierten Filmen wurde bei 37 °C inkubiert, anschließend wurden die digitalen Bilder der PCL-basierten Nanofasermembranen auf der Agarplatte mit Bakterien nach 24, 72 und 120 Stunden aufgezeichnet. Alle Proben wurden dreifach getestet.

Die Zytotoxizität der Nanofasern auf Myoblasten-L6-Zellen des Rattenskeletts wurde unter Verwendung der CCK-8-Methode mit einem Auslaugungsmuster bewertet. Die sterilisierten Nanofaser-Extraktlösungen (10 mg/ml) wurden durch Eintauchen der getrockneten Nanofasern in das Medium für 12 Stunden bei 37 °C mit Ultraschallextraktion hergestellt. Die L6-Zellen wurden in einer 96-Well-Platte mit einer Dichte von 5000 Zellen/Well ausgesät und 24 Stunden lang vorkultiviert, bevor das Kulturmedium durch frisches Medium und Extraktlösungen ersetzt wurde, um eine endgültige Probenkonzentration von 0,2 mg/ml zu erreichen , 1 mg/ml und 5 mg/ml. Jede zu testende Probe (PCL-0, PCL-1, PCL-2, PCL-3 und PCL-4), die Blindkontrolle (Kulturmedium) und die Positivkontrolle (Kulturmedium und Zelle) wurden 48 Stunden lang inkubiert und wiederholt vier Mal. Die Ergebnisse wurden als Absorption bei 450 nm durch ein Ultraviolett-Spektrophotometer nach der folgenden Formel aufgezeichnet:

Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt. Die Daten wurden mit der SPSS-Software (IBM Analytics, USA) analysiert. Die Signifikanz aller statistischen Tests wurde auf P < 0,05 festgelegt. Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) ausgedrückt.

In Abb. 2A zeigt das unberührte MXen (Ti3C2TX) eine typische organähnliche Struktur mit Lücken von mehreren zehn Nanometern Breite. Die abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken in Abb. 2B zeigen, dass die Schichten deutlich voneinander getrennt sind. Darüber hinaus werden durch das Mahlen einige kleine Nanoflocken im Bereich von mehreren zehn Nanometern beobachtet. Die EDX-Elementkartierungsbilder in Abb. 2C bestätigen das Vorhandensein von Ti, C und O, was mit der chemischen Struktur von Ti3C2TX20 übereinstimmt. Das Auftreten von F auf der Oberfläche von Ti3C2TX-Nanoflocken ist auf das verbleibende F-Element nach dem Ätzen mit LiF/HCl17 zurückzuführen. Im AFM-Bild in Abb. 2D ist zu erkennen, dass die abgeblätterte Ti3C2TX-Nanoflocke eine Dicke von 1,5 nm aufweist, was den berichteten Ergebnissen ähnelt27,28. Die XRD-Muster von makellosen Ti3C2TX- und abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken sind in Abb. 2E dargestellt. Es ist zu beachten, dass der charakteristische Peak bei 6,9° in makellosem MXene auf einen Zwischenschichtabstand von 1,28 nm hinweist. Darüber hinaus sind die markanten Peaks bei 9,4°, 19,1°, 34,0°, 38,7°, 41,7° und 44,9° zu sehen, die der Beugung von (002), (004), (101), (008), (104) entsprechen. , bzw. (105)-Ebenen von Ti3C2TX29. Bei den abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken verschiebt sich der charakteristische Peak aufgrund der Abblätterung von 6,9° auf 5,4°. Darüber hinaus wird dieser Peak brüchig und schwach, was darauf zurückzuführen ist, dass das Mahlen und Peeling in der Kugelmühle die Größe der Nanoflocken verringert und den Abstand zwischen den Schichten vergrößert.

REM-Bilder von (A) makellosem Ti3C2TX, (B) abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken; (C) EDX-Elementkartierung von abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken, (D) AFM-Bild von abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken und (E) XRD-Muster von makellosem Ti3C2TX und abgeblätterten Ti3C2TX-Nanoflocken.

Die REM-Bilder von PCL-Nanofasermembranen sind in Abb. 3 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Nanofasern von PCL-0 mit einem mittleren Durchmesser von 269 nm (Abb. 3B) eine glattere Oberfläche und keine Perlenstrukturen aufweisen. Durch die Zugabe von 3 Gew.-% Ti3C2TX-Nanoflocken verringert sich der mittlere Durchmesser von PCL-1 im Vergleich zu PLA-0 von 269 auf 217 nm. In Abb. 3F, H, J betragen die mittleren Durchmesser von PCL-2, PCL-3 und PCL-4 254 nm, 223 nm bzw. 210 nm. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein leitfähiger Ti3C2TX-Nanoflocken aufgrund der polaren Gruppen auf ihrer Oberfläche die Ladungsdichte der Elektrospinnlösung erhöhen kann, wodurch die elektrostatische Kraft des angelegten elektrischen Felds erhöht und der Durchmesser der Nanofasern verringert wird30,31. Andererseits hat die Einführung von Baicalin kaum Auswirkungen auf den Durchmesser der Nanofasern. Allerdings ist die Oberfläche der PCL-Nanofasern, die Baicalin enthalten, relativ glatter als die von PCL-1. Es wird spekuliert, dass Baiclin eine Art kleines Molekül mit vielen Hydroxylgruppen ist, das die Viskosität der Elektrospinnlösung verringern und mit den polaren Gruppen der Ti3C2TX-Nanoflocken unter Bildung von Wasserstoffbrücken reagieren kann, was zu einer homogenen Dispersion der Ti3C2TX-Nanoflocken in der PCL-Matrix führt .

REM-Bilder von elektrogesponnenen Nanofasermembranen auf PCL-Basis und gemessene Faserdurchmesserverteilung: (A,B) PCL-0, (C,D) PCL-1, (E,F) PCL-2, (G,H) PCL-3, und (I,J) PCL-4.

Die typischen Zugspannungs-Dehnungs-Kurven für PCL-basierte Nanofasermembranen sind in Abb. S1A dargestellt, und die entsprechenden Zugeigenschaften sind in Abb. S1B zusammengefasst. Es wird darauf hingewiesen, dass die reine PCL-Membran eine hohe Duktilität aufweist (Bruchdehnung von 305 %), was mit anderen veröffentlichten Arbeiten übereinstimmt32,33. Bei PCL-1 führt die Zugabe von Ti3C2TX-Nanoflocken zu starken Verstärkungseffekten, wodurch der Zugmodul deutlich erhöht wird. Obwohl die reichlich vorhandenen polaren Gruppen auf der Oberfläche von Ti3C2TX-Nanoflocken mit den Esterbindungen von PCL reagieren können, sind die Hemmeffekte der starren Nanoblätter stärker ausgeprägt und verringern die Fähigkeit der PCL-Molekülketten zum plastischen Fließen34. Andererseits zeigt das PCL-2 einen deutlichen Rückgang sowohl der Elastizität als auch der Festigkeit. In Abbildung S1B sind die Bruchdehnung und die Zugfestigkeit von PCL-2 auf 178 % bzw. 2,58 MPa reduziert. Dies liegt daran, dass Baicalin ein kleines Molekül ist, das eine weichmachende Wirkung auf PCL hat. Was PCL-3 betrifft, so verbesserte sich die Zugfestigkeit der Proben offensichtlich, wobei die Bruchdehnung im Vergleich zu denen von PCL-2 leicht beeinträchtigt wurde. Es wird spekuliert, dass die Anwesenheit von Ti3C2TX-Nanoflocken mit Baicalin reagieren und in gewissem Maße Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann. Mit der weiteren Erhöhung des Baicalin-Gehalts verschlechtern sich die Zugeigenschaften von PCL-4 zunehmend, was darauf hindeutet, dass das Baicalin die Reaktionsstellen der Ti3C2TX-Nanoflocken überschreitet.

Die FT-IR-Spektren von PCL-basierten Nanofasermembranen sind in Abb. 4 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die beiden charakteristischen Peaks bei 2943 cm−1 und 2863 cm−1 von PCL-0 den Streckungsbändern von CH2-Gruppen entsprechen . Der Absorptionspeak bei 1737 cm-1 wird der Streckung der C=O-Gruppen zugeschrieben, während die Peaks bei 1294 cm-1 und 1184 cm-1 der asymmetrischen bzw. symmetrischen Streckung der C-O-C-Gruppen zugeschrieben werden . Darüber hinaus bezeichnet der charakteristische Peak bei 1243 cm-1 die CH3-Schwingungen, und 1045 cm-1 gehört zur CO-Streckung und CH-Biegung35. Durch den Einbau von Ti3C2TX und Baicalin wird keine offensichtliche Änderung in den FT-IR-Spektren beobachtet. Die ternären Verbundstoffe zeigen einen schwachen und breiten Peak zwischen 3600 und 3300 cm−1, der auf die Überlappung der polaren O-H-Gruppen auf der Oberfläche von Ti3C2TX und die O-H-Streckschwingung von Baicalin36 zurückzuführen ist. Darüber hinaus gibt es einen neuen charakteristischen Peak bei 1609 cm−1, der der Streckschwingung von C=C von Phenylgruppen aus Baicalin entspricht37.

FT-IR-Spektren von PCL-basierten Nanofasermembranen.

Die thermische Stabilität von PCL-basierten Nanofasermembranen wurde mit TGA gemessen, wie in Abb. 5 dargestellt. Die entsprechenden Daten, einschließlich der anfänglichen Gewichtsverlusttemperatur (T10, die Temperatur bei 10 % Gewichtsverlust), der Spitzengewichtsverlusttemperatur (Tp , die Temperatur bei maximaler Gewichtsverlustrate) und Kohlerückstände bei 600 °C sind in Tabelle 2 aufgeführt. Es ist zu beobachten, dass PLA-0 eine deutliche Gewichtsverluststufe von 300 bis 420 °C aufweist, die mit der Pyrolyse des verbunden war chemische Bindungsspaltung von PCL-Ketten38. Die thermische Zersetzungskurve von PCL-1 verschiebt sich zu einer höheren Temperatur, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Ti3C2TX die thermische Stabilität von PCL-Nanofasern erhöhen kann. Gemäß Tabelle 2 steigen T10 und Tp von PCL-1 im Vergleich zu PLA-0 von 361,8 auf 365,8 ℃ bzw. von 403,2 auf 415,7 ℃. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Ti3C2TX-Nanoflocken als Wärmebarriere zum Schutz der darunter liegenden PCL-Matrix dienen. Im Fall der ternären PCL/Ti3C2TX/Baicalin-Nanofasern können die thermischen Zersetzungskurven grob in zwei Hauptstufen unterteilt werden. Die anfängliche Phase des Gewichtsverlusts erfolgt aufgrund der thermischen Zersetzung von Baicalin im Bereich von 200–370 °C. Die zweite Stufe findet bei etwa 370–420 °C statt und steht im Zusammenhang mit der Pyrolyse von PCL-Ketten. Darüber hinaus zeigen T10 und Tp von PCL-4 im Vergleich zu denen von PLA-0 eine abnehmende Tendenz, was auf die geringe thermische Stabilität von Baicalin zurückzuführen ist.

TGA-Kurven von PCL-basierten Nanofasermembranen.

Abbildung 6 zeigt die XRD-Muster von PCL-basierten Nanofasermembranen. Wie in Abb. 6 gezeigt, weist das PCL-0 drei signifikante Beugungspeaks bei 2θ = 21,3°, 22,0° und 23,7° auf, die den Ebenen (110), (111) bzw. (200) entsprechen39. Darüber hinaus gibt es im PCL-0-Muster auch einen relativ schwachen und breiten Peak bei 11,8°. Die obigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das unberührte PCL in einem halbkristallinen Zustand befindet. Im XRD-Muster von PCL-1 erscheint ein zusätzlicher Peak bei 2θ = 6,4°, der der (002)-Ebene von Ti3C2TX20 zugeordnet wird. Nach der Einführung von Baicalin wird der Beugungswinkel von PCL bei 2θ = 11,8° schwächer und verschiebt sich zu einem niedrigeren Winkel, was darauf hindeutet, dass sich die physikalische Wechselwirkung zwischen PCL und Baicilin verändert.

XRD-Muster von PCL-basierten Nanofasermembranen.

Die Wasserkontaktwinkel (WCA) der Membranoberflächen wurden gemessen, um die Hydrophilie der PCL-basierten Nanofasermembranen zu bewerten, wie in Abb. 7 dargestellt. Es wird beobachtet, dass PCL-0 eine hydrophobe Oberfläche mit einem WCA von 127,1° ± aufweist 1,3°, was mit früheren Berichten übereinstimmt40,41. Mit der Zugabe von Ti3C2TX-Nanoflocken zeigt der WCA von PCL-1 einen leichten Rückgang (115,3° ± 5,2°), was auf die Fülle an −OH-Gruppen auf der Oberfläche von Ti3C2TX zurückzuführen ist. Als Baicilin in die PCL-Matrix eingeführt wurde, veränderten sich die Oberflächen der PCL-Nanofasermembranen in Richtung Hydrophobie. Die Kontaktwinkel für PCL-2, PCL-3 und PCL-4 betragen 82,4° ± 5,4°, 74,4° ± 6,9° bzw. 65,5° ± 3,2°. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Baicalin eine große Anzahl an Hydrogelgruppen enthält, die die Hydrophilie der elektrogesponnenen Fasern erhöhen.

Wasserkontaktwinkel von PCL-basierten Nanofasermembranen.

Baicalin ist der wichtigste antibakterielle Bestandteil von Membranen auf PCL-Basis, das über ein breites antibakterielles Wirkungsspektrum verfügt, insbesondere gegen grampositive Bakterien wie S. aureus42. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass die MHK von Baicalin gegen S. aureus bei 32 mg/ml wirksam ist, was mit den berichteten Literaturangaben vergleichbar ist43,44. Alle PCL-basierten Nanofasermembranen wurden für einen standardmäßigen antibakteriellen Test mit der Vorinkubationsplatten-Gießmethode ausgewählt. In Abb. 8 erscheinen die Bakterienkolonien in den detaillierten Bildern nach 72 Stunden um die PCL-0- und PCL-1-Nanofasermembranen gruppiert, und nach 120 Stunden werden bemerkenswertere Clusterkolonien beobachtet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass PCL keine antibakterielle Wirkung besitzt, was mit früheren Berichten übereinstimmt45. Andererseits zeigen PCL-2, PCL-3 und PCL-4 bei einer Inkubationszeit von 120 Stunden eine offensichtliche bakteriostatische Aktivität (das Medium trocknete nach 120 Stunden vollständig und hemmte das Bakterienwachstum weiter). Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass das Vorhandensein von Baicalin die Bildung von α-Heptamer unterbrechen und die Zelllyseaktivität von α-Hämolysin von S. aureus behindern kann46. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die umliegenden Bereiche von PCL-3 und PCL-4 nach 24 Stunden eine hellgelbe Farbe aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von Ti3C2TX-Nanoflocken zur Ausbreitung von Baicalin aus den Nanofasern beitrug. Das liegt daran, dass Baicalin in wässriger Lösung schlecht löslich ist47.

Antibakterielle Leistung von PCL-basierten Membranen gegen S. aureus. (Microsoft Office, PowerPoint 2010, https://www.microsoft.com/zh-hk/microsoft-365/ previous-versions/office-2010).

Die Zytotoxizitätstests wurden mittels MTT-Assays durchgeführt, um die Biokompatibilität der so hergestellten PCL-basierten Nanofasermembranen zu bewerten. Normalerweise wird die Zelldichte gemessen, nachdem die Zellen 48 Stunden lang der Auslaugungsflüssigkeit der Nanofasern ausgesetzt waren, um die Zytokompatibilität des Materials zu bestätigen. In Abb. 9 ist zu erkennen, dass alle Gruppen bei unterschiedlichen Konzentrationen keine signifikante Zytotoxizität aufweisen. Die Zelllebensfähigkeit aller Testgruppen nimmt mit steigender Konzentration geringfügig ab. Die Gruppe mit der niedrigsten Überlebensrate bleibt bei der höchsten Konzentration (5 mg/ml) nahezu 100 %, was darauf hindeutet, dass die ternären Nanofasermembranen PCL/Ti3C2TX/Baicalin als sichere Wundauflagen verwendet werden können.

Zytokompatibilität von PCL-basierten Membranen. (**p < 0,01).

In dieser Arbeit wurden elektrogesponnene Membranen auf der Basis von ternären PCL/Ti3C2TX/Baicalin-Verbundwerkstoffen für Wundauflagenanwendungen hergestellt. Die SEM-Beobachtung zeigte, dass das Vorhandensein von Ti3C2TX-Nanoflocken aufgrund der Erhöhung der Ladungsdichte der Elektrospinnlösung den Durchmesser der Nanofasern verringern könnte. Die PCL-Nanofasermembranen mit 3 Gew.-% Ti3C2TX-Flocken und 5 Gew.-% Baicalin hatten den kleinsten mittleren Durchmesser von 210 nm. Die thermische Stabilität der Verbundnanofasern wurde aufgrund der Barrierewirkung von Ti3C2TX-Nanoflocken verbessert. Die Zugabe von Ti3C2TX und Baicalin könnte die Hydrophilie verstärken und zur Freisetzung von Baicalin aus den Nanofasermembranen beitragen. Darüber hinaus könnte der Zusatz von Baicalin den ternären Nanofasermembranen PCL/Ti3C2TX/Baicalin gute antibakterielle Eigenschaften verleihen. Der Zytokompatibilitätstest bestätigte, dass alle PCL-basierten Nanofasermembranen eine gute Kompatibilität aufwiesen. Die antibakteriellen ternären Nanofasermembranen PCL/Ti3C2TX/Baicalin haben ein großes Potenzial für Anwendungen zur Wundbehandlung.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China finanziert (Fördernummer 81803339).

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Weiwei Zeng und Nga-man Cheng.

Das Zweite Volkskrankenhaus des Bezirks Longgang, Shenzhen, 518112, China

Weiwei Zeng

Frauen- und Kinderkrankenhaus Shenzhen Baoan, Jinan-Universität, Shenzhen, 518102, China

Weiwei Zeng & Xia Liang

Akademische Abteilung für Unfall- und Notfallmedizin, Chinesische Universität Hongkong, Hongkong, Sonderverwaltungszone, China

Fischpreis Cheng

Hochschule für Biowissenschaften und Medizin, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, 310018, China

Haofeng Hu, Fulin Luo und Jia Jin

Lianshui People's Hospital, angegliedert an das Kangda College der Nanjing Medical University, Huaian, 223400, China

Ya-wei Li

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Untersuchung, WZ, NC und XL; Konzeptualisierung, WZ, JJ und YL; Methodik, WZ, YL, XL und JJ; Ressourcen, JJ; Datenkuration, HH und FL; Schreiben – Originalentwurf, WZ und NC; und Schreiben – Rezension und Bearbeitung, JJ und YL; Supervision, YL und JJ; Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Jia Jin oder Ya-wei Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zeng, W., Cheng, Nm., Liang, X. et al. Mit Baicalin beladene elektrogesponnene Polycaprolacton-Nanofasermembranen zur antibakteriellen Wundauflage. Sci Rep 12, 10900 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13141-0

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Eingegangen: 21. Dezember 2021

Angenommen: 20. Mai 2022

Veröffentlicht: 28. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13141-0

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Nanoforschung (2023)

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