环保型ZnO-壳聚糖纳米复合材料嵌入海藻酸钠/聚乙烯醇/藏红花水凝胶用于增强抗菌应用

《IET Nanobiotechnology》：Eco-Friendly ZnO–Chitosan Nanocomposite-Embedded Sodium Alginate/Polyvinyl Alcohol/Saffron Hydrogel for Enhanced Antibacterial Applications

　　

本研究报道了采用绿色合成法制备的新型环保型氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)涂层壳聚糖(Chsn)及其在增强抗菌应用中掺入聚乙烯醇/海藻酸钠/藏红花(PSS)水凝胶的开发与表征。利用榅桲(Cydonia oblonga)果皮提取物生物合成了平均粒径约72 nm的半球形ZnO NPs。壳聚糖涂层改善了颗粒分散性、表面均匀性和胶体稳定性，同时改变了表面电荷(ζ电位从?27 mV变为?11.6 mV)，从而增强了生物相容性和抗菌潜力。通过冻融法将ZnO NPs-Chsn整合到PSS水凝胶基质中，以提高生物相容性并形成高孔隙率结构。掺入ZnO NPs-Chsn使最大溶胀率从220.91% ± 1.89% (PSS)提升至589.39% ± 1.77%，并通过接触角(CA)测量证实亲水性增强。抑菌实验(纸片扩散法)显示，PSS/ZnO NPs-Chsn水凝胶产生的抑制圈直径分别为4.64 ± 0.20 mm (金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus)、1.55 ± 0.10 mm (大肠杆菌 Escherichia coli)和4.94 ± 0.14 mm (蜡样芽孢杆菌 Bacillus cereus)，而基础PSS水凝胶的抑制作用可忽略不计。增强的抗菌效果归因于ZnO NPs和Chsn通过破坏细菌膜、产生活性氧(ROS)和损害代谢的协同作用，并可能得到藏红花生物活性化合物(藏花素crocin和藏花醛safranal)的促进。这些发现凸显了PSS/ZnO NPs-Chsn水凝胶作为环保型抗菌生物材料的潜力，但仍需进一步评估以确认其临床适用性。

该研究聚焦于开发一种基于聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)和藏红花提取物的新型复合水凝胶，旨在通过引入经榅桲(Cydonia oblonga)果皮提取物绿色合成的氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)及壳聚糖(Chsn)涂层，解决传统抗菌剂面临的耐药性问题并提升材料性能。研究人员首先利用植物提取物还原制备ZnO NPs，随后通过Chsn涂层改性，并将其嵌入PSS基质构建纳米复合水凝胶。通过系统的理化表征和生物学评价，证实了该材料具有高孔隙率、优异的溶胀性能和显著的抗菌活性，特别是在针对革兰氏阳性菌方面表现出色。这项研究成果已发表于《IET Nanobiotechnology》期刊。

关键技术方法方面，研究人员采用了榅桲果皮提取物的制备与ZnO NPs的绿色合成工艺，通过超声分散与pH调控实现了ZnO NPs的Chsn涂层修饰。水凝胶制备结合了溶液共混、氯化钙(CaCl₂)离子交联及冷冻-解冻循环处理。表征手段涵盖了透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、ζ电位分析及接触角(CA)测量。抗菌评估采用琼脂扩散法，测试菌株包括金黄色葡萄球菌(S. aureus)、大肠杆菌(E. coli)和蜡样芽孢杆菌(B. cereus)。细胞相容性则通过MTT法在人真皮成纤维细胞(HDF)上进行验证。

研究结果部分显示，在纳米颗粒表征方面，TEM图像表明ZnO NPs呈半球形，平均尺寸约71.93 nm，Chsn涂层后颗粒分散更均匀。ζ电位分析显示，绿色合成ZnO NPs电位为?27 mV，涂层后变为?11.6 mV，表明Chsn成功修饰并改善了胶体稳定性。在水凝胶表征方面，FE-SEM图像显示PSS/ZnO NPs-Chsn水凝胶形成了更致密且粗糙的多孔网络结构，EDX分析证实了Zn元素的存在。溶胀率测试表明，添加纳米颗粒后水凝胶的最大溶胀率从220.91%显著提升至589.39%。孔隙率测量结果显示，孔隙率从31.12%增至90.7%。CA测量值为38.4°，表明材料具有高度亲水性。抗菌评估结果表明，PSS/ZnO NPs-Chsn水凝胶对S. aureus和B. cereus的抑制圈分别达到4.64 mm和4.94 mm，显著优于对照组，但对E. coli的效果较弱。MTT细胞活力测定显示，该水凝胶在72小时内对人真皮成纤维细胞的存活率保持在81%以上，显示出良好的细胞相容性。

讨论部分总结指出，PSS/ZnO NPs-Chsn水凝胶的抗菌机制主要源于ZnO NPs释放Zn²⁺离子、产生ROS以及Chsn的正电荷介导膜破坏之间的协同效应。藏红花的加入虽未显著增强抗菌圈，但其含有的crocin和safranal有助于提升生物相容性及抗炎特性。针对革兰氏阴性菌E. coli效果有限的问题，归因于其外膜结构的复杂性阻碍了纳米颗粒的渗透。结论部分翻译如下：本研究报道了一种基于PSS的抗菌水凝胶的开发，该水凝胶掺入了利用榅桲果皮提取物还原代谢物绿色合成并随后涂覆壳聚糖(Chsn)的ZnO NPs，以增强稳定性、生物相容性和抗菌活性。ZnO NPs-Chsn的掺入显著改善了水凝胶的多孔结构、溶胀行为和抗菌功效。细菌培养分析显示出强大的抗菌活性，特别是对革兰氏阳性菌株如金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌，凸显了其生物医学应用的潜力。然而，其对大肠杆菌等革兰氏阴性菌的性能相对较弱。未来的研究将侧重于通过优化NP尺寸、掺杂Ag或Cu以及修饰水凝胶网络以实现活性化合物的控释来增强对革兰氏阴性菌株的功效。