用于抗菌伤口敷料的原位静电纺丝碘基纤维网

背景

由于易于大规模生产、表面积与体积比大、孔隙率高和内部结构可调等优点[1,2,3,4]，电纺纤维网在各个领域引起了广泛关注。例如过滤 [5, 6]、医疗 [7,8,9,10,11,12] 和能源 [13, 14]。电纺纤维膜因其纳米级结构而适用于伤口敷料，其模拟天然细胞外基质和人体器官的胶原纤维 [9, 11]，然后，纺丝网不仅可以在物理上保护伤口免受污染物的侵害，通过维持足够的气体交换，促进止血阶段和避免瘢痕形成，也为皮肤再生提供了理想的环境[9, 11, 12]。

在数千种合适的电纺材料中，聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 和聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 是两种重要的聚合物，具有优异的生物相容性、无毒、在酒精中的良好溶解性等 [15,16,17 ,18]。因此，初纺 PVP 和 PVB 纤维材料已广泛应用于伤口敷料 [18,19,20]。此外，PVP与碘结合形成的复合物称为PVP-碘（PVPI），由于其刺激小、毒性低、污染轻、杀菌谱广、微生物不耐药等特点，成为一种高效、广泛使用的消毒剂。甚至长期使用 [21,22,23,24]。然而，不建议长期使用 PVPI 或用于复杂伤口 [25]。基于电纺 PVP-I 的纤维可能是一种有用的解决方案，并已被多个小组报道 [26,27,28,29,30,31,32,33]。伊格纳托娃等人。已经通过直接静电纺丝 PVPI 或 PEO/PVP-I 溶液或通过交联 PVP 和 PEO/PVP 垫并用​​碘蒸气或碘溶液处理它们制备了 PVPI 或聚（环氧乙烷）（PEO）/PVP-I 纤维 [26]。 Wang 通过静电纺丝 PVP、碘和无水乙醇溶液制造了 PVPI 纳米纤维，并且从红外光谱、拉曼光谱和 X 射线衍射表征初纺纤维确保了 PVPI 复合物的形成 [27]。乌斯卢等人。已经报道了一系列基于 PVPI 的电纺纤维，如聚乙烯醇 (PVA)/PVPI [28]、含有（羟丙基）甲基纤维素（HPMC）和芦荟的 PVA/PVPI/聚（乙二醇）（PEG）纤维[29]、含有额外壳聚糖和泊洛沙姆 188 的 PVA/PVPI 纳米纤维 [30]，以及 PVA/聚（丙烯酸）（PAA）/PVPI 纤维 [31]。已知所有这些 PVPI 纤维在伤口敷料中都显示出潜在的应用，然而，主要集中在初纺纤维/网眼的形态和热稳定性上。洪等人。已经报道了通过静电纺丝和碘蒸气处理的 PLLA/PVPI/TiO2 多组分超薄纤维非织造布 [32]。研究发现，PVPI的存在赋予了无纺布吸水性、抗菌性、粘合性以及由亲水性向非亲水性转变的特性。塞贝等人。已经通过高速旋转纺丝技术制备了具有不同聚合物比例的 PVP/聚（乙烯基吡咯烷酮-醋酸乙烯酯）/碘纳米纤维。除了详细的形态分析外，还研究了所得垫的超分子结构和抗菌活性，这表明其在伤口敷料中的潜在应用[33]。然而，在实际应用中，这些PVPI电纺纤维只能根据预先设计的模型制造，然后植入患者伤口，这可能导致伤口的二次伤害。原位静电纺丝技术或许可以解决这个问题。

在本文中，我们通过手持便携式静电纺丝设备将碘基 PVP 和 PVB 溶液原位静电纺丝成纤维网。检查了初纺网的形态、疏水性、透气性和抗菌性能。此外，还研究了碘浓度对这些特性的影响。此外，还介绍了原位电纺碘基纤维垫的灵活性和可行性，展望其在伤口敷料中的应用。

方法/实验

材料

将聚乙烯吡咯烷酮（PVP，250 kDa，Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.，China）以 13 wt% 溶解在乙醇（Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.，China）中。将聚（乙烯醇缩丁醛）（PVB）（100 kDa，Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, China）以 10 wt% 溶解在乙醇中。将碘（分析试剂，国药集团化学试剂有限公司，中国）分别以 1wt%、2wt% 和 5wt% 的浓度加入 PVP/乙醇溶液中。将聚（乙烯基吡咯烷酮）-碘复合物（PVPI，国药集团化学试剂有限公司，中国）分别以 1wt%、2wt% 和 5wt% 溶解在 PVP/乙醇和 PVB/乙醇溶液中。在静电纺丝之前，将复合溶液在室温下持续搅拌至少 24 小时。改性模拟体液（SBF）购自国药集团化学试剂有限公司。

电纺工艺

将制备好的溶液放入装有直径0.1 mm喷嘴的5 mL注射器中，然后装入手持式便携式静电纺丝仪（HHE-1，青岛君达科技有限公司）中，如图所示图 1a。该设备的高电压约为 10 kV [34, 35]。在原位静电纺丝过程中，可以先操作设备，然后用手指按压注射器。可以制造初纺纤维，然后将其沉积到收集器上，如图 1b 所示。该装置的静电纺丝射流可以被高速相机捕捉到，如图 1c 所示。为了进一步检查原位电纺纤维网，我们还原位将这些纤维电纺到铝箔收集器上，距离为 8 cm。将收集的网状物从铝箔上揭开以进行进一步表征。

手持式静电纺丝装置 (a ) 和原位静电纺丝过程 (b ）。从喷丝头 (c )

特征化

通过扫描电子显微镜（SEM，Phenom ProX，Phenom Scientific Instruments Co., Ltd, China）在 10 kV 下检查初纺纤维的形态和能量色散系统（EDS），所有样品均镀金分析前 30 秒。傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 光谱由 Thermo Scientific Nicolet iN10 光谱仪测量。通过接触角分析仪（JY-PHb，中国）使用 2 μL SBF 液滴检查模拟体液 (SBF) 接触角。根据 ASTM D 737 标准，通过透气性测试仪（Textest FX3300）测试 200 Pa 压降下的透气性。在 200 Pa 压力下通过 PSM 165（德国，Topas GmbH，PSM 165）检查初纺纤维网的孔径。研究初纺网对大肠杆菌的抗菌性能 (大肠杆菌 , ATCC 10536) 和金黄色葡萄球菌 (金黄色葡萄球菌 , ATCC 25923) 细菌。 E的细菌细胞。大肠杆菌 (ATCC 10536) 和 S。金黄色葡萄球菌 (ATCC 25923) 在振荡器上在 37°C 和 100 rpm 下生长 24 小时。

结果与讨论

电纺纤维的形态

通过如图 1 所示的 HHE-1 装置，可以方便地将制备的 PVP/I、PVP/PVPI 和 PVB/PVPI 溶液电纺成纤维。从图 2 所示的 SEM 图像中可以找到原纤维的形貌。从 SEM 图像中，可以明显地发现电纺纤维显示出光滑的表面，而原纤维的直径表现出不同的分布，因为不同的材料和浓度。综合 SEM 图像和表 1 中的数据表明，对于 PVP/I 纤维，随着碘浓度的增加，初纺纤维的平均直径明显减小，这可能是由于溶液的电导率较高因为添加了碘 [36]。而对于 PVP/PVPI 和 PVB/PVPI，初纺纤维的平均直径都随着 PVPI 浓度的增加而增加，这可能是混合溶液粘度增加的结果[37]。

I 或 PVPI 浓度分别为 0%、1%、2% 和分别为 5%

EDS 和 FTIR

为了实现抗菌性能并有益于伤口愈合应用，碘在电纺纤维中发挥了至关重要的作用。为了验证碘的存在，在全光谱分析模型中检查了 EDS。如图 3 所示，我们选择了具有较高 I/PVPI 浓度（例如 5%）的初纺纤维，图像显示在每种电纺纤维中，除了主要是碳（图 3（图 3）） a1)、(b1) 和 (c1)) 和氧（图 3（a2）、（b2）和（c2））元素在聚合物中，还观察到额外的碘元素（图 3（a3）， (b3) 和 (c3))。此外，添加到 PVP 溶液中的碘直接显示出高浓度的碘，而不是添加的 PVPI。虽然在 EDS 图像中可以发现碘，但从图 3 中可以明显地发现，与其他元素相比，碘的含量很少。从图 4 中的 FTIR 光谱可以得到相同的结论。

掺杂 5% I/PVPI 的初纺 PVP/I (a-a3)、PVP/PVPI (b-b3)、PVB/PVPI (c-c3) 纤维的 EDS 图像的不同元素

初纺纤维 PVP/I (a ), PVP/PVPI (b ), PVB/PVPI (c )

图 4a-c 显示了不同浓度不同添加物的初纺纤维的 FTIR 光谱。从图 4 可以看出，碘或 PVPI 的添加不会明显改变聚合物的化学结构，这可能是由于添加量较小。未改变的聚合物也确保了聚合物对伤口愈合的稳定性，没有任何其他不确定性。

润湿性

此外，人们认为理想的伤口敷料应包括一些优点，例如维持伤口水合作用和吸收多余的伤口渗出液，这可能需要设计的伤口敷料具有润湿性 [5, 7,8,9]。因此，我们还通过测量它们的 SBF 接触角来检查初纺纤维网的亲水性。如图 5 所示，随着碘和 PVPI 浓度的增加，三种电纺纤维膜均表现出良好的亲水性。对于基于 PVP 的网格，由于聚合物的亲水性，电纺纤维网格也建立了小的 SBF 接触角，并且 PVP/I 的角度增加到 19.5°，如图 5（a-a3）和（ b-b3)。增加的 SBF 接触角可能是由于这些网格的表面粗糙度增加所致。然而，基于 PVB 的网格的情况有所不同。在我们之前的研究中，已经指出电纺 PVB 纤维网由于其不均匀的结构而显示出疏水性 [38]。在没有 PVPI 的情况下，PVB 电纺丝网显示出类似的接触角情况，如图 5（c）所示。由于PVPI掺杂在PVB中，当PVPI高于2%时，SBF接触角下降并迅速为零，这表明PVPI增加了初纺纤维网的亲水性。这些纤维网良好的亲水性保证了吸收多余伤口渗出液的能力，从而有利于伤口敷料的应用。

不同碘/PVPI浓度下初纺纤维PVP/I(a-a3)、PVP/PVPI(b-b3)、PVB/PVPI(c-c3)的SBF接触检测

透气性

理想的伤口敷料还需要良好的透气性，以便为伤口愈合提供良好的环境 [9, 11,12,13]。在这里，我们还研究了这些类型的掺碘纤维网的透气性，如表 2 所示。从表 2 中可以看出，随着 PVP 中碘掺杂量的增加，透气性也从 59.92 增加到324.3 毫米 s ⁻¹ ，这可能是由于直径减小和孔隙率增加造成的，而在 PVP 和 PVB 中掺杂 PVPI 的纤维网的透气性没有表现出明显的趋势。尽管如此，5% 掺杂的聚合物显示出比纯聚合物更好的透气性。为了比较，我们还测试了从市场上购买的两种传统伤口敷料 (TWD) 的透气性。很明显，设计的电纺纤维伤口敷料比市场上的敷料具有更好的透气性。

为了进一步检查透气性，我们测试了初纺网的孔径和孔分布。如表 3 所示，列出了初纺网眼的平均孔径。一般来说，平均孔径越大，透气性越好，与表2的数据相比。而且初纺纤维网的孔径主要是均匀的，平均孔径的部分最大，可以在附加文件 1 中找到：图 S1。这些静电纺丝网的孔径在 1.936-9.152 μm 范围内，与人体组织细胞大小相匹配，这将有利于伤口愈合。然而，由于仪器精度的原因，TWD的孔径太小而无法进行测试，这可能导致它们的透气性较差。

抗菌活性

理想的伤口敷料的另一个要求是无菌甚至抗菌，以预防和治疗伤口感染 [11,12,13]。在这项工作中，碘和 PVPI 掺杂是正确的。对初纺纤维网的抗菌活性进行了评估，以对抗典型的病原菌，例如大肠杆菌。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 ，如图6所示。从图6可以看出，纯PVP或PVB均未形成抑菌圈。一旦将碘或 PVPI 掺杂到聚合物中，初纺纤维膜在 24 小时间隔后显示出明显的两种细菌菌株的抑制区。此外，碘掺杂的 PVP 对两种大肠杆菌均表现出最佳的抗菌性能。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 ，PVPI 掺杂的 PVP 位居第二，PVB/PVPI 位居最后。良好的抗菌性能确保了碘基电纺纤维网可用于伤口愈合，对抗伤口的细菌感染。此外，可以预期附加抗菌剂的浓度越高，网的抗菌性能越好。因此，人们可以通过在溶液中添加更多的碘或 PVPI 来获得更好的抗菌性能。

初纺膜对大肠杆菌的抗菌活性。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌

原位应用

人们相信，原位伤口敷料将有利于它们的效率，因为它具有额外的优势，例如在伤口床上不会起皱或起皱的顺应性、易于应用以及提高患者的顺应性和舒适度 [39]。因此，原位静电纺丝被认为是一种有用的概念，可以直接在患者的病灶上生产适当的替代物，以进行组织修复和伤口愈合，而不受伤口大小和深度的影响 [18, 34, 35, 40, 41]。如图 7a、b 所示，碘基纤维网可以通过 HHE-1 设备原位电纺到“受伤的手”上，并在皮肤表面形成一层薄膜，就像第二层皮肤一样为静电引力。电纺 PVP-I 纤维膜显示出良好的柔韧性和致密性，如果需要可以很容易地去除 [见图 7c、d)。有关 PVP-I 伤口敷料原位静电纺丝的更生动细节，请参见附加文件 1：视频 S1 和 S2 以及图 S2。

手持设备和碘基电纺纤维垫的原位应用。通过 HHE-1，人们可以很容易地将电纺碘基 PVP/I 网格原位贴在“受伤的手”上 (a –b )，电纺垫可以很容易地从“伤口床”(c –d )

结论

总之，我们通过手持静电纺丝设备将 PVP/I、PVP/PVPI 和 PVB/PVPI 原位电纺成纤维膜。这些电纺丝网在掺杂碘或 PVPI 后显示出均匀的直径和更好的亲水性。此外，共混 PVP/I、PVP/PVPI 和 PVB/PVPI 电纺丝网的良好透气性确保了它们在伤口敷料中的应用。碘及其复合物浓度的增加有利于这些网状物的抗菌性能，然后改善作为伤口敷料的效果。此外，原位静电纺丝也有利于静电纺丝过程和初纺纤维网对伤口愈合的影响。

缩写

E.大肠杆菌 ：

大肠杆菌

EDS：

能量分散系统

FTIR：

傅里叶变换红外光谱

HPMC：

(羟丙基)甲基纤维素

PAA：

聚（丙烯酸）

PEG：

聚乙二醇

PEO：

聚（环氧乙烷）

PVA：

聚乙烯醇

PVB：

聚乙烯醇缩丁醛

PVP：

聚（乙烯基吡咯烷酮）

PVP/I：

聚（乙烯基吡咯烷酮）/碘

PVPI：

聚（乙烯基吡咯烷酮）碘

S.金黄色葡萄球菌 ：

金黄色葡萄球菌

SEM：

扫描电子显微镜

WCA：

水接触角（WCA）