含有蓖麻油和氧化锌的季铵化壳聚糖纳米复合材料，兼具多种抗菌、抗生物膜和促进愈合功能，适用于先进伤口敷料

《International Journal of Biological Macromolecules》：Castor oil/ZnO-loaded quaternized chitosan nanocomposite with multiple antimicrobials, anti-biofilm and pro-healing functions for advanced wound dressings

抗感染促愈合壳聚糖纳米复合水凝胶的制备与性能研究。通过溶胶-凝胶法制备了四烷基化壳聚糖-蓖麻油/ZnO纳米复合材料QCCOZ，证实其具有高分散性（ζ=+38mV）、缓释特性（72小时协同释放ZnO和蓖麻油）及广谱抗菌能力（抑菌圈扩大2-8倍），同时保持优异的细胞相容性（>85%存活率）和促进伤口闭合作用（90% vs 55%）。

　　

雅斯敏·纳比尔（Yassmin Nabil）| 艾利·H·阿塔（Aly H. Atta）| 纳什瓦·H·阿卜杜勒瓦哈布（Nashwa H. Abd Elwahab）| 雷达·F·M·埃尔沙拉维（Reda F.M. Elshaarawy）

埃及苏伊士大学理学院化学系，43533，苏伊士

摘要

本研究开发了一种季铵化壳聚糖-蓖麻油/氧化锌（QCCOZ）纳米复合水凝胶，作为抗菌和促进伤口愈合的敷料。这种纳米制剂具有正电荷（ζ = +38 mV），具有较高的胶体稳定性，氧化锌（ZnO）和蓖麻油（CO）的包封效率分别达到89.9%和80.5%。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜/透射电子显微镜（SEM/TEM）和动态光散射（DLS）技术证实了壳聚糖的季铵化效果以及ZnO在油相中的成功负载。体外释放实验表明，ZnO和蓖麻油在72小时内持续释放，没有突释现象，表现出可控的扩散释放特性，适用于长期使用的伤口敷料。QCCOZ表现出广谱抗菌和抗真菌活性，对假单胞菌属（Pseudomonas spp.）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和白色念珠菌（C. albicans）的抑菌圈比原始壳聚糖（QCS）、单独的ZnO或蓖麻油大2-8倍，并能破坏它们的生物膜。与人类皮肤成纤维细胞（human dermal fibroblasts）和A375细胞的细胞相容性研究表明，在治疗浓度下细胞存活率超过85%。划痕伤口实验显示，QCCOZ处理的成纤维细胞单层在24小时内实现了90%的伤口闭合率，而对照组仅为55%。结果表明，QCCOZ纳米复合材料具有抗菌功效、细胞相容性以及促进伤口愈合的功能，是一种潜在的先进伤口敷料。

引言

伤口是全球医疗保健领域的一个重大问题，被称为“无声的流行病”[1]，因为它们普遍存在，对患者的生活和心理健康有深远影响，并对全球健康造成影响。慢性及感染性皮肤伤口是全球健康负担的主要因素，会导致住院时间延长、治疗费用增加以及患者生活质量下降[2]。正常的伤口愈合是一个复杂的协调过程，包括止血、炎症、细胞增殖和重塑，这些过程可能因糖尿病、血管疾病、肿瘤或大面积烧伤等病理因素而受损，从而导致伤口愈合延迟和更容易受到微生物污染[3]。传统的敷料（如纱布、基础薄膜或被动泡沫）主要提供物理屏障，不具有主动抗菌作用，也不能调节炎症或提供理想的组织再生所需的湿润微环境[4]。因此，迫切需要开发具有双重或多重功能的先进伤口敷料，以实现广谱抗菌作用，同时促进细胞增殖和基质沉积，并实现生物活性物质的持续可控释放[5]。近年来，人们开始关注使用生物聚合物基材料开发伤口敷料[6]。 在天然聚合物中，壳聚糖（chitosan，CS）因其生物相容性、低毒性、止血能力以及固有的抗菌和免疫刺激特性而备受关注[7]。然而，天然壳聚糖在生理pH值下的溶解度较低，形成的薄膜机械强度较低，无法直接用作稳定的伤口敷料[8]。这些限制影响了其水溶性以及与微生物细胞膜的静电相互作用。通过物理和化学修饰可以克服这些缺陷，特别是通过季铵化氨基，为壳聚糖添加永久性正电荷[9]。许多季铵化壳聚糖（QCS）衍生物已被报道为下一代抗菌支架[10][11]，但通常需要进一步的功能化处理，以获得足够的抗菌效力和耐久性，同时保持细胞相容性。 重要的是，将无机纳米颗粒和生物活性脂质固定在壳聚糖基质中是一种有前景的方法，可以为壳聚糖赋予多种互补功能。据报道，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）具有广谱抗菌和抗真菌活性，通过产生活性氧（ROS）、释放Zn²⁺离子和直接破坏细胞膜来实现，这可以促进伤口模型中的成纤维细胞再上皮化、胶原蛋白沉积和血管生成。然而，原始的ZnO NPs在水介质中容易聚集，在高剂量下可能引起局部细胞毒性，因此需要将其嵌入生物相容性载体中，以稳定分散体并控制Zn²⁺的释放[12][13][14]。另一类有前景的辅助成分是精油和植物来源的脂质；将其掺入壳聚糖基载体中可以提高抗菌和抗氧化活性，促进生物膜的穿透，并减少挥发性和不良的水溶性[15][16][17]。在这方面，蓖麻油（CO）因其丰富的蓖麻油酸含量而脱颖而出，具有抗炎、镇痛作用以及潜在的抗菌效果，同时由于其作为药用辅料和溶剂在纳米和微输送系统中的长期安全使用历史而受到重视[18][19]。 最近的研究表明，壳聚糖与ZnO NPs[20]或精油（EOs）[21]的协同作用产生了比单一成分更好的抗菌效果和伤口愈合效果，这表明三组分壳聚糖–ZnO–EO纳米复合材料[22]可能是一种多功能敷料，具有增强的膨胀性、生物降解性和抗菌性能。然而，仍存在一些不足：大多数系统基于天然壳聚糖（QCS），而不是持续带电的季铵化壳聚糖（QCS）[23]；尽管蓖麻油具有有利的药理和配方特性，但很少有研究利用其优势[24][25]等。

我们的目标是通过设计一种季铵化壳聚糖-蓖麻油/氧化锌纳米复合材料（QCCOZ）来填补知识空白，创建一种集抗菌和促进伤口愈合功能于一体的敷料平台。季铵化壳聚糖被合成为一个阳离子、水溶性的骨架，用于包裹负载ZnO的蓖麻油纳米乳液，在细胞相容的聚合物网络中结合ZnO的ROS/Zn²⁺介导的杀菌活性和蓖麻油的抗炎及抗氧化功能。本研究验证了：(i) 壳聚糖的有效季铵化及ZnO在CO相和QCS基质中的结构整合；(ii) ZnONPs和QCCOZ纳米复合材料的胶体性质，包括粒径、多分散性和ζ电位；(iii) ZnO和CO的持续共释放特性；(iv) 广谱抗菌、抗真菌、抗生物膜活性以及细胞相容性和体外伤口闭合性能。本报告首次描述了一种基于QCS的水凝胶，用于共同释放ZnO NPs和蓖麻油，集成了永久性阳离子电荷、无机纳米治疗和脂质生物活性，适用于处理感染和难以愈合的伤口。

材料与方法

电子补充材料（ESM）包含了所用试剂及其来源的清单，以及用于详细表征制备材料的仪器信息。此外，ESM还描述了从蓖麻豆中提取蓖麻油和从虾壳废弃物中提取壳聚糖及其转化为高脱乙酰壳聚糖（HDC）的具体方法。

蓖麻油的植物化学成分

气相色谱-质谱（GC–MS）分析（图1）和表1显示，蓖麻油主要含有多种脂肪酸及其酯类和高价值的生物活性脂质，这支持了其在伤口愈合系统中的药用价值。其成分还包括不饱和的C16–C20脂肪酸及其酯类，如亚油酸（10.48%）、棕榈酸（9.06%）、L-（+）-抗坏血酸-2,6-十六烷酸酯（9.06%）以及亚油酸的乙基和甲基酯。

结论

本文报道了一种用于伤口愈合的季铵化壳聚糖-蓖麻油（QCCO）-氧化锌（ZnO）（QCCOZ）纳米复合材料的制备、合成和表征方法。O-季铵化壳聚糖（O-QCS）通过三步法合成：首先用Schiff碱保护壳聚糖的伯胺基团，然后进行O-季铵化，最后进行酸脱保护。QCCOZ是通过O-QCS与ZnO在蓖麻油/Tween-80纳米乳液中的溶胶-凝胶过程制备得到的三元纳米复合材料，其中含有ZnO。

作者贡献声明

雅斯敏·纳比尔（Yassmin Nabil）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计。 艾利·H·阿塔（Aly H. Atta）：初稿撰写、数据可视化、方法验证、监督、数据管理、概念构思。 纳什瓦·H·阿卜杜勒瓦哈布（Nashwa H. Abd Elwahab）：审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据管理、概念构思。 雷达·F·M·埃尔沙拉维（Reda F.M. Elshaarawy）：审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证。

利益冲突声明

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