《Journal of Biotechnology》：Antibacterial Nut Grass Cellulose Reinforced Polylactic Acid Nanocomposites: A Holistic Assessment for Biomedical Scaffolds
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本研究采用棕榈草提取的纤维素纳米纤维（CNFs）增强聚乳酸（PLA）纳米复合材料，通过化学改性（EGDMA）和塑料化（蓖麻油）改善其性能。结果表明，纳米复合材料的拉伸强度和杨氏模量分别提升97.1%和113.9%，在碱性环境中降解加速，对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌抗菌活性增强，细胞毒性低，适用于生物医学应用如植入物和伤口愈合。
S.A. Priya | N.T. Nevaditha
印度泰米尔纳德邦马尔坦达姆Nesamony Memorial Christian学院化学与研究系，邮编629165
摘要
利用多种天然纤维增强的聚乳酸（PLA）复合材料在生物医学应用领域得到了广泛研究。然而，目前文献中尚未涉及使用坚果草提取的纤维素纳米纤维（CNFs）作为增强材料。本研究开发了用坚果草提取的CNFs增强的PLA纳米复合材料，用于生物医学应用。PLA基体通过乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）进行化学改性，并使用蓖麻油进行塑化处理。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，在较低浓度下CNFs分布均匀，从而改善了薄膜的形态。X射线衍射（XRD）分析表明CNF的粒径约为26纳米。力学测试显示材料的强度显著提高，拉伸强度和杨氏模量分别增加了97.1%和113.9%。由于水解加速，纳米复合材料在碱性环境中的降解程度高于酸性环境。CNF含量增加后，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的抗菌活性增强。溶血实验表明，与纯PLA相比，这些纳米复合材料对红细胞的损伤更小，显示出良好的血液相容性。此外，MTT实验确认这些纳米复合材料对PBMC细胞的毒性较低。这些结果证明了PLA纳米复合材料作为生物相容性多功能材料的潜力，适用于植入物、伤口愈合和再生医学等领域。
引言
随着对可持续材料需求的增长，基于生物的纳米复合材料应运而生，这类材料将生物聚合物与纳米级填料结合，以实现适用于包装、废水处理、农业、药物输送、伤口愈合、组织工程和可降解电子器件等多种用途的适应性特性（Zhou等人，2024年）。这些材料在保持生物聚合物可降解性和无毒性的同时，提升了其热性能和机械性能。聚乳酸（PLA）是一种基于生物的、可降解的聚合物，通过玉米和小麦等可再生原料的发酵生产（Khouri等人，2024年）。PLA具有与传统合成聚合物相当的性能，兼具机械强度、加工性和可降解性的平衡优势（Taib等人，2023年）。然而，PLA天然的脆性、低柔韧性和有限的机械强度限制了其在需要耐久性和韧性的领域的直接应用（Farah等人，2016年；Zhao等人，2020年）。为了解决这些问题，人们开发了多种增强策略，如将PLA与增塑剂混合以及引入纳米级填料以提升其结构和功能特性（Tripathi等人，2021年）。
许多纳米填料，包括碳纳米管、石墨烯、二氧化硅和粘土纳米颗粒，已被引入PLA以改善其性能。这些填料主要旨在增强PLA的机械性能、热性能和阻隔性能，并实现药物输送、组织工程和伤口愈合等特定功能。然而，由于这些填料不易降解且可能存在毒性，因此引发了环境方面的担忧（Bikiaris等人，2023年）。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，来源于植物纤维。特别是纳米级纤维素相比其他纳米填料具有显著优势（Dufresne，2013年；Poulose等人，2022年）。它具有可降解性、可再生性和生物相容性，非常适合需要可持续性和安全性的生物医学应用（Surendran和Sherje，2022年）。
纳米纤维素有两种形式：纤维素纳米晶体（CNCs）和纤维素纳米纤维（CNFs）。CNFs由纤维素链束组成，形成直径在1至100纳米之间的长而柔韧的纳米纤维（Seddiqi等人，2021年；Habibi等人，2010年）。它们具有较大的表面积、化学惰性以及优异的机械性能，能够增强PLA的拉伸强度、硬度和阻隔性能。此外，CNFs与PLA形成稳定的氢键，使复合材料更加致密，界面结合更牢固（Johar等人，2012年；Miao和Hamad，2013年）。文献中报道了将黄麻、龙舌兰叶纤维等天然纤维与聚氨酯、PLA、聚乙烯醇等聚合物结合用于生物医学复合材料。然而，尚未有关于使用Cyperus rotundus（俗称坚果草）作为增强材料的报道。Cyperus rotundus是一种未被充分利用的纤维素丰富植物资源。尽管传统上被视为入侵性杂草，但该植物富含纤维素，具有潜在的增值应用价值。坚果草含有约42.58%的纤维素、36.21%的半纤维素和14.3%的木质素。除了结构用途外，坚果草还具有多种药用价值，其生物活性成分（如黄酮类和精油）具有抗菌、抗炎和抗氧化作用（Kamala等人，2018年；Bangarwa等人，2008年）。由于其高纤维素含量、药用特性和可持续性，它可以提升PLA纳米复合材料的机械强度和生物相容性。
环保型增塑剂，如三醋酸甘油酯（TA）、三乙基柠檬酸酯（TEC）、三丁基柠檬酸酯（TBC）和乙酰三丁基柠檬酸酯（ATBC），已被广泛用于提高PLA的柔韧性和韧性（Ljungberg和Wesslén，2002年；Wang等人，2020年）。为了减少对合成添加剂的依赖，人们探索了大豆油和亚麻籽油等天然油作为可持续的增塑替代品。其中，蓖麻油因其高羟基含量而显示出特别的优势，有助于提高PLA的延展性、相容性和可降解性。蓖麻油从蓖麻籽中提取，主要含有蓖麻油酸（85–90%）及其他少量脂肪酸，可溶于大多数有机溶剂，天然具有增塑作用。乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）这种双官能单体可通过在聚合物基体内形成交联网络来增强界面粘附力（Darie-Ni??等人，2022年）。本研究中，使用EGDMA作为交联剂，蓖麻油作为生物基增塑剂对PLA进行了改性。CNFs通过化学机械处理方法从坚果草中提取，所得PLA纳米复合薄膜采用溶液浇铸法制备。本研究旨在开发结构完整性和生物性能提升的可持续PLA基纳米复合材料，适用于治疗设备和医疗相关技术等生物医学应用。
材料
坚果草的成熟茎秆在印度Kaniyakumari地区的雨季采集。作为聚合物基体的聚乳酸（luminy 175）颗粒从M biotech LLP Natural Works（印度）购买。PLA颗粒的平均分子量为Mw = 126.6 kDa（Mw/Mn = 1.5），密度为1.24 g/cm3，熔融流动指数为6 g/10 min（ISO 1133-A，210°C/2.16 kg），L-异构体纯度为96%。实验中使用了二氯甲烷和氢氧化钠。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱使用Shimadzu IR Affinity-1（日本）和Thermo Nicolet iS50（Thermo Fisher Scientific，美国）仪器记录，该仪器配备了衰减全反射（ATR）附件。样品在室温下在4000–500 cm?1范围内进行分析，光谱数据基于16次扫描的平均值，分辨率为4 cm?1。
X射线衍射（XRD）
使用Bruker仪器通过X射线衍射（XRD）分析了CNFs和制备薄膜的结晶度。
CNFs的产率
5克原始坚果草纤维经过碱处理和漂白后，得到了2.7克纯化的CNFs，产率为54%。这一中等产率表明半纤维素、木质素和提取物的去除效率较高，同时保留了适合纳米纤维生产的较高纤维素含量。
红外光谱分析
图1显示了CNFs和PLA纳米复合材料的FTIR光谱。3419 cm?1处的强宽峰对应于纤维素中的-OH伸缩振动，包括分子内和分子间的氢键。
结论
CNFs成功从坚果草茎中提取并加入聚乳酸（PLA）基体中制备成纳米复合材料。XRD分析表明，与纯PLA相比，纳米复合材料的结晶度提高，表明CNFs起到了促进结晶结构形成的作用。热重分析（TGA）结果显示，纳米复合材料的分解温度高于纯PLA。扫描电子显微镜（SEM）图像证实CNFs分布均匀，进一步提升了材料的性能。
作者贡献声明
S.A. Priya：撰写初稿、方法学设计、概念构思。
N.T. Nevaditha：审稿与编辑、监督工作。
利益冲突
作者声明本研究独立完成，未受到任何外部财务或个人影响。
致谢
作者衷心感谢VOC College、Tuticorin、VIT Institute of Technology、Vellore、Annamalai University、Manonmaniam Sundaranar University、Tirunelveli、Sree Chitra Tirunal Institute for Medical Sciences and Technology、Trivandrum以及Trichy Research Institute of Biotechnology Private Limited在样品分析方面提供的宝贵支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系。
