Волокнистые сетки на основе йода с электропрядением на месте для антибактериальной перевязки ран

Фон

Благодаря преимуществам легкости крупномасштабного производства, огромного отношения площади поверхности к объему, высокой пористости и настраиваемой внутренней структуры [1,2,3,4], волокнистые сетки из электропряденого волокна вызвали большой интерес в различных областях. такие как фильтрация [5, 6], медицинское обслуживание [7,8,9,10,11,12] и энергия [13, 14]. Фиброзные мембраны из электроспряденного материала подходят для перевязки ран из-за их наноразмерных структур, имитирующих коллагеновые фибриллы нативного внеклеточного матрикса и органов человека [9, 11], и, следовательно, непосредственно спряденные сетки могут не только физически защитить рану от загрязнений и загрязнений. инфекции, но также обеспечивают идеальную среду для регенерации кожи за счет поддержания адекватного газообмена, а также содействия фазе гемостаза и предотвращения образования рубцов [9, 11, 12].

Среди тысяч подходящих материалов для электропрядения поли (винилпирролидон) (ПВП) и поливинилбутираль (ПВБ) являются двумя важными полимерами благодаря их превосходной биосовместимости, нетоксичности, хорошей растворимости в спирте и так далее [15,16,17 , 18]. Следовательно, волокна ПВП и ПВБ после формования широко применялись для перевязки ран [18,19,20]. Более того, ПВП в сочетании с йодом образует комплекс, называемый ПВП-йод (ПВПИ), и был высокоэффективным и широко используемым дезинфицирующим средством из-за его небольшой стимуляции, низкой токсичности, светового загрязнения, бактерицидного действия широкого спектра и отсутствия резистентности микроорганизмов к даже долгое время использую [21,22,23,24]. Тем не менее, ПВПИ не рекомендуется для длительного применения или для лечения сложных ран [25]. Электроспрядные волокна на основе ПВП-I могут быть полезным решением, о чем сообщили несколько групп [26,27,28,29,30,31,32,33]. Игнатова и др. подготовили волокна ПВПИ или поли (этиленоксида) (ПЭО) / ПВП-I прямым электроформованием растворов ПВПИ или ПЭО / ПВП-I или сшиванием матов ПВП и ПЭО / ПВП и обработкой их парами йода или раствором йода [26]. Ван создал нановолокна из ПВПИ путем электроспиннинга растворов ПВП, йода и абсолютного этанола, а определение характеристик волокон после формования по инфракрасным спектрам, спектрам комбинационного рассеяния и дифракции рентгеновских лучей обеспечивает образование комплекса ПВПИ [27]. Uslu et al. сообщили о серии электропряденых волокон на основе ПВПИ, таких как поли (виниловый спирт) (ПВС) / ПВПИ [28], ПВС / ПВПИ / поли (этиленгликоль) (ПЭГ) волокна, содержащие (гидроксипропил) метилцеллюлозу (НРМС) и алоэ вера. [29], нановолокна ПВС / ПВПИ с дополнительными хитозаном и полоксамером 188 [30], а также волокна ПВС / поли (акриловая кислота) (ПАК) / ПВПИ [31]. Известно, что все эти ПВПИ-волокна потенциально могут применяться в перевязочных материалах для ран, однако в основном сосредоточены на морфологии и термостабильности волокон / сеток в момент формования. Hong et al. сообщили о PLLA / PVPI / TiO ₂ многокомпонентные ультратонкие волокнистые нетканые материалы методом электропрядения и обработки парами йода [32]. Было обнаружено, что наличие ПВПИ придает нетканому материалу водопоглощаемость, антимикробную активность, адгезионную способность и трансформируемые характеристики от гидрофильности до негидрофильности. Sebe et al. подготовили нановолокна ПВП / поли (винилпирролидон-винилацетат) / йода с различными соотношениями полимеров с помощью технологии высокоскоростного ротационного прядения. Помимо подробного морфологического анализа, были также исследованы супрамолекулярная структура и антимикробная активность полученных матов, что позволило предположить их потенциальное применение в перевязочных материалах для ран [33]. Однако для практического применения эти электропряденые волокна из ПВПИ могут быть изготовлены только на основе заранее разработанных моделей, а затем имплантированы в рану пациента, что может привести ко второму повреждению раны. Электропрядение на месте может решить эту проблему.

В этой статье у нас есть растворы ПВП и ПВБ для электропрядения на основе йода in situ в волокнистые сетки с помощью портативного портативного устройства для электропрядения. Были исследованы морфология, гидрофобность, газопроницаемость и антибактериальные свойства сеток после формования. Кроме того, было исследовано влияние концентрации йода на эти свойства. Кроме того, были представлены гибкость и осуществимость на месте электропряденых волокнистых матов на основе йода, а затем можно ожидать применения для перевязки ран.

Методы / экспериментальные

Материалы

Поливинилпирролидон (PVP, 250 кДа, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай) растворяли в этаноле (Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай) до 13 мас.%. Поли (винилбутираль) (ПВБ) (100 кДа, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай) растворяли в этиловом спирте до 10 мас.%. Йод (аналитический реагент, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай) добавляли в растворы ПВП / этанол в концентрации 1, 2 и 5 мас.% Соответственно. Комплекс поли (винилпирролидон) -иод (ПВПИ, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай) растворяли в растворах ПВП / этанол и ПВБ / этанол в концентрации 1, 2 и 5 мас.% Соответственно. Перед электроформованием растворы комплексов перемешивали при комнатной температуре при постоянном перемешивании в течение не менее 24 ч. Модифицированная имитация биологической жидкости (SBF) была приобретена у Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай.

Процесс электропрядения

Приготовленные растворы помещали в шприц объемом 5 мл, снабженный соплом диаметром 0,1 мм, а затем загружали в портативный портативный электропрядильный аппарат (HHE-1, Qingdao Junada Technology Co., Ltd), как показано на Рис. 1а. Высокое напряжение этого устройства составляет около 10 кВ фиксированное [34, 35]. Во время процесса электроспиннинга in situ можно сначала задействовать устройство, а затем нажать на шприц пальцем. Прямоугольные волокна могут быть изготовлены и затем нанесены на коллектор, как показано на рис. 1b. Струи электропрядения этим устройством могут быть захвачены высокоскоростной камерой, которая показана на рис. 1в. Для дальнейших исследований электросетей из электропрядения на месте мы также на месте электропрядили эти волокна на коллектор из алюминиевой фольги на расстоянии 8 см. Собранные сетки были извлечены из алюминиевой фольги для дальнейшей характеристики.

Ручной аппарат для электропрядения ( а ) и процесс электроспиннинга на месте ( b ). Форсунки электропрядения видны из фильеры ( c )

Характеристика

Морфология и система энергодисперсии (EDS) волокон после формовки были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, Phenom ProX, Phenom Scientific Instruments Co., Ltd., Китай) при 10 кВ, и все образцы были покрыты золотом. за 30 с до анализа. Спектры инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) измеряли с помощью спектрометра Thermo Scientific Nicolet iN10. Смоделированный контактный угол жидкости тела (SBF) исследовали с помощью анализатора контактного угла (JY-PHb, Китай) с каплей SBF объемом 2 мкл. Согласно стандарту ASTM D 737, воздухопроницаемость при падении давления 200 Па была проверена прибором для проверки воздухопроницаемости (Textest FX3300). Размеры пор волокнистых сеток после формования были исследованы с помощью PSM 165 (Германия, Topas GmbH, PSM 165) при давлении 200 Па. Антибактериальные свойства сеток после формования были исследованы в отношении Escherichia coli ( E. coli , ATCC 10536) и Staphylococcus aureus ( S. aureus , ATCC 25923) бактерий. Бактериальные клетки E. coli (ATCC 10536) и S. золотистый (ATCC 25923) выращивали в течение 24 часов на шейкере при 37 ° C и 100 об / мин.

Результаты и обсуждение

Морфология электропряденых волокон

С помощью устройства HHE-1, как показано на рис. 1, приготовленные растворы PVP / I, PVP / PVPI и PVB / PVPI можно легко электроспрядить в волокна. Морфологию исходных волокон можно было определить из изображений SEM, показанных на рис. 2. Из изображений SEM можно, очевидно, обнаружить, что электроспряденные волокна имели гладкую поверхность, в то время как диаметры волокон в исходном состоянии имели другое распределение, потому что различных материалов и концентраций. Комбинируя СЭМ-изображения и данные в Таблице 1, можно увидеть, что для ПВП / И-волокон по мере увеличения концентрации йода средний диаметр пряденных волокон явно уменьшался, что может быть связано с более высокой проводимостью растворов. по мере добавления йода [36]. В то время как для ПВП / ПВПИ и ПВБ / ПВПИ средний диаметр волокон после прядения увеличивался с более высокой концентрацией ПВПИ, что может быть результатом увеличения вязкости смешанных растворов [37].

СЭМ-изображения волокон PVP / I (a1 – a4), PVP / PVPI (b1 – b4), PVB / PVPI (c1 – c4) после формования с концентрациями I или PVPI 0%, 1%, 2% и 5% соответственно

EDS и FTIR

Для достижения антибактериальных свойств и улучшения заживления ран решающую роль в электропряденых волокнах играет йод. Чтобы проверить наличие йода, EDS исследовали в модели полного спектрального анализа. Как показано на рис. 3, мы выбрали волокна после прядения с более высокими концентрациями I / ПВПИ, например, 5%, и изображения показали, что в каждом виде электропряденых волокон, за исключением в основном углеродных (рис. a1), (b1) и (c1)) и кислородных (рис. 3 (a2), (b2) и (c2)) элементов в полимерах, также наблюдался лишний элемент йода (рис. 3 (a3), (b3) и (c3)). Более того, йод, добавленный в растворы PVP, непосредственно показал высокую концентрацию йода, кроме добавленного PVPI. Хотя йод можно было обнаружить на изображениях EDS, из рис. 3 очевидно, что содержание йода невелико по сравнению с другими элементами. К такому же выводу можно прийти из FTIR-спектров на рис. 4.

Различные элементы EDS-изображений волокон PVP / I (a – a3), PVP / PVPI (b – b3), PVB / PVPI (c – c3) после формовки с добавлением 5% I / PVPI

ИК-Фурье-спектры волокон PVP / I в исходном состоянии ( a ), PVP / PVPI ( b ), ПВБ / ПВПИ ( c )

На рис. 4a – c показаны FTIR-спектры волокон после формовки с разной концентрацией различных добавок. Как видно из рис. 4, добавки йода или ПВПИ, очевидно, не изменяют химическую структуру полимеров, что может быть связано с небольшим количеством добавок. Неизмененные полимеры также обеспечивали стабильность полимеров для заживления ран, без каких-либо других сомнений.

Смачиваемость

Более того, считалось, что идеальная раневая повязка должна включать некоторые преимущества, такие как поддержание гидратации раны и абсорбция избыточного раневого экссудата, что может потребовать смачиваемости разработанной раневой повязки [5, 7, 8, 9]. Следовательно, мы также исследовали гидрофильность волокнистых сеток после формования, измеряя их углы смачивания SBF. Как показано на фиг. 5, все три вида электропряденых волокнистых мембран проявляли хорошую гидрофильность при увеличении концентрации йода и ПВПИ. Для сеток на основе ПВП, из-за гидрофильности полимера, сетка из электропряденых волокон также обеспечивает малые углы контакта SBF, и угол увеличивается до 19,5 ° для ПВП / I, как показано на рис. 5 (a – a3) и ( б – б3). Увеличенные углы смачивания SBF могут быть результатом увеличения шероховатости поверхности этих сеток. Однако в случае сеток на основе ПВБ дело обстоит иначе. В нашем предыдущем исследовании было указано, что электропряденые фиброзные сетки ПВБ проявляют гидрофобность из-за своей неодинаковой структуры [38]. В отсутствие ПВПИ сетки из электропряденого ПВБ показали аналогичный случай угла смачивания, как это видно на рис. 5 (с). Поскольку ПВПИ легирован ПВБ, краевой угол смачивания SBF уменьшался и быстро достигал нуля при ПВПИ более 2%, что указывало на то, что ПВПИ увеличивал гидрофильность волоконных сеток после формования. Хорошая гидрофильность этих волокнистых сеток обеспечивает способность абсорбировать избыточный экссудат из раны, а затем может быть полезна при наложении повязок на рану.

Контактное исследование SBF необработанных волокон PVP / I (a – a3), PVP / PVPI (b – b3), PVB / PVPI (c – c3) с различными концентрациями йода / PVPI

Воздухопроницаемость

Идеальная повязка на рану также требует хорошей воздухопроницаемости для создания благоприятных условий для заживления ран [9, 11,12,13]. Здесь мы также исследовали воздухопроницаемость этих типов волокнистых сеток, легированных йодом, как показано в Таблице 2. Как видно из Таблицы 2, с увеличением легирования йодом в ПВП воздухопроницаемость также увеличилась с 59,92 до 324,3 мм с ⁻¹ , что может быть результатом уменьшения диаметра и увеличения пористости, в то время как воздухопроницаемость волокнистых сеток с ПВПИ, легированным ПВП и ПВБ, не имеет явных тенденций. Тем не менее, 5% легирующие полимеры показывают лучшую газопроницаемость, чем чистые полимеры. Для сравнения мы также проверили воздухопроницаемость двух традиционных повязок для ран (TWD), купленных на рынке. Понятно, что разработанные электропряденые фиброзные повязки для ран обеспечивают лучшую воздухопроницаемость, чем представленные на рынке.

Для дальнейшего изучения воздухопроницаемости мы проверили размер пор и их распределение в сетках после формования. Как показано в таблице 3, были перечислены средние размеры пор сеток после формования. Как правило, чем больше средний размер пор, тем лучше воздухопроницаемость по сравнению с данными в Таблице 2. Более того, размеры пор волокнистых сеток после формования были в основном одинаковыми, с самой большой частью при средних размерах, которые могут быть находится в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Размеры пор этих электроспрядных сеток находились в диапазоне 1,936–9,152 мкм, что соответствовало размеру клеток тканей человека, что было полезно для заживления ран. Однако из-за точности прибора размеры пор TWD были слишком малы для тестирования, что может привести к их плохой воздухопроницаемости.

Антибактериальная активность

Еще одно требование к идеальной перевязке - это асептика и даже антибиотики для предотвращения и лечения раневых инфекций [11,12,13]. В данной работе йод и допинг ПВПИ справедливо подходят для этого. Антибактериальная активность волоконных сеток после формования оценивалась в отношении типичных патогенных бактерий, таких как E. coli и С. золотистый , как показано на фиг. 6. Из фиг. 6 видно, что бактериостатический круг не образовывался для чистого ПВП или ПВБ. После добавления в полимер йода или ПВПИ на волокнистых мембранах в момент формования через 24-часовые интервалы наблюдались очевидные зоны ингибирования для двух бактериальных штаммов. Более того, PVP, допированный йодом, показал лучшие антибактериальные свойства против обоих E. coli и С. золотистый , на втором месте - ПВП, допированный ПВП, на последнем - ПВБ / ПВПИ. Хорошие антибактериальные свойства обеспечили возможность использования электропряденых фиброзных сеток на йодной основе для заживления ран против бактериальных инфекций ран. Более того, можно ожидать, что чем выше концентрация дополнительных антибактериальных средств, тем лучше антибактериальные свойства сеток. Следовательно, можно легко улучшить антибактериальные свойства, добавив больше йода или ПВПИ в их растворы.

Антибактериальная активность свежепряденных мембран против E. coli и С. золотистый

Приложения In situ

Считается, что повязка на рану на месте повысит их эффективность за счет дополнительных преимуществ, таких как прилегаемость без складок или бороздок на ложе раны, простота наложения и улучшенная комплаентность и комфорт пациента [39]. Следовательно, электроспиннинг in situ считается полезной концепцией для получения подходящих заменителей восстановления тканей и заживления ран непосредственно на поражении пациента, независимо от размера и глубины раны [18, 34, 35, 40, 41]. Как показано на рис. 7a, b, волокнистые сетки на основе йода могут быть на месте электропрядены на «поврежденную руку» с помощью устройства HHE-1 и образовывать тонкую пленку на поверхности кожи, как второй слой кожи из-за силам электростатического притяжения. Фиброзная мембрана из электропряденого ПВП-I демонстрирует хорошую гибкость и компактность и при необходимости может быть легко удалена (см. Рис. 7c, d). Более подробные сведения об электроспиннинге раневой повязки PVP-I на месте можно найти в дополнительном файле 1:видео S1 и S2 и рисунок S2.

Применение портативных аппаратов и йодных волокнистых матов из электропрядения на месте. С помощью HHE-1 можно легко на месте электропрядить PVP / I сетку на основе йода на «травмированную руку» ( a - б ), электропряденые маты легко снимаются с «ложа раны» ( c - г )

Выводы

Таким образом, у нас есть электропрядение на месте из PVP / I, PVP / PVPI и PVB / PVPI в волокнистые мембраны с помощью ручного устройства для электропрядения. Эти электропряденые сетки демонстрируют одинаковый диаметр и лучшую гидробильность при легировании йодом или ПВПИ. Более того, хорошая воздухопроницаемость смесевых электросеток из ПВП / И, ПВП / ПВПИ и ПВБ / ПВПИ обеспечивает их применение в перевязочных материалах для ран. Повышенные концентрации йода и его комплекса способствуют антибактериальным свойствам этих сеток, а затем улучшают их действие в качестве перевязочного материала. Кроме того, электроспиннинг in situ также способствует процессу электроспиннинга и получению волокнистых сеток прямо в процессе заживления.

Сокращения

E. coli :

кишечная палочка

EDS:

Энергодисперсионная система

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

HPMC:

(Гидроксипропил) метилцеллюлоза

PAA:

Поли (акриловая кислота)

PEG:

Поли (этиленгликоль)

PEO:

Поли (этиленоксид)

PVA:

Поли (виниловый спирт)

PVB:

Поли (винилбутираль)

PVP:

Поли (винилпирролидон)

PVP / I:

Поли (винилпирролидон) / йод

PVPI:

Поли (винилпирролидон) -йод

S. золотистый :

Золотистый стафилококк

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

WCA:

Угол контакта с водой (WCA)