尼龙缝合线经γ射线辐照接枝2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)与N-乙烯基己内酰胺(NVCL)用于柚皮苷负载及释放研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Nylon sutures grafted with 2-hydroxyethyl methacrylate and N-vinylcaprolactam using gamma radiation for naringin loading and release studies

　　

摘要：接枝是一种通过在聚合物基质中引入官能团并改变其理化性质来实现功能化的技术。本研究采用γ射线辐照（剂量率12.2 kGy h-1）将N-乙烯基己内酰胺(N-vinylcaprolactam, NVCL)和2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)接枝到尼龙缝合线(nylon sutures, NS)表面，作为一种物理改性方法。首先，在20 kGy剂量、单体浓度25%(v/v)、HEMA/NVCL比例为1:1条件下，评估了不同溶剂（甲苯、水、乙醇和甲醇）的效果，其中甲醇获得了最高的接枝度(degree of grafting, DG)。随后，在相同单体条件下，使用甲醇作为溶剂，在40~80 kGy剂量范围内优化接枝效果。接枝后的缝合线被用于柚皮苷(naringin, NA)的负载与释放研究。最后，研究人员通过傅里叶变换红外光谱-衰减全反射(FTIR-ATR)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)对接枝缝合线进行了表征，确认了HEMA/NVCL接枝共聚物的成功接枝及归因于NVCL组分存在的温敏性行为(thermoresponsive behavior)。本研究仍需进行力学性能测试、细胞相容性评价、体内实验及扫描电子显微镜分析等，将在后续工作中开展。

本文解读的论文发表于《Radiation Physics and Chemistry》，题为"Nylon sutures grafted with 2-hydroxyethyl methacrylate and N-vinylcaprolactam using gamma radiation for naringin loading and release studies"，由Miguel S. Pérez-Garibay与Emilio Bucio完成。

伤口愈合过程包括止血、炎症、增殖和重塑四个阶段，尼龙缝合线(nylon sutures, NS)因其耐久性、柔韧性、耐磨性、化学和热稳定性及不易被手术部位病原体侵袭而广泛用于伤口闭合。然而，伤口感染、全身因素（如糖尿病、肥胖等）可导致愈合延迟，仅美国每年因难愈性创面造成的花费约500亿美元，因此亟需开发具额外功能的改良缝合线。接枝(grafting)可在聚合物骨架上引入官能团，使材料具备药物负载/释放能力和刺激响应性。γ射线辐照(γ-ray irradiation)利用⁶⁰Co源产生的高能光子在聚合物链上均匀、快速地产生活性自由基位点引发接枝，无需催化剂或引发剂，且兼具灭菌优势。2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)亲水、生物相容、具抗污性，其羟基可促进药物吸附；N-乙烯基己内酰胺(N-vinylcaprolactam, NVCL)无毒、生物相容，其均聚物聚N-乙烯基己内酰胺(poly(N-vinylcaprolactam), PNVCL)具较低临界溶解温度(lower critical solution temperature, LCST≈33℃)的温度响应性，可用于药物递送系统(drug delivery system, DDS)；柚皮苷(naringin, NA)具抗氧化、抗菌、抗炎及促血管新生(angiogenesis)作用，有望加速创面再生。研究人员通过一步γ射线诱导接枝HEMA与NVCL共聚物于尼龙缝合线表面(NS-g-poly(HEMA/NVCL))，探讨溶剂种类与辐照剂量对接枝度的影响，表征接枝产物结构及温敏性，并考察其对naringin的负载与体外释放行为，为开发具局部药物缓释功能的智能手术缝合线提供初步依据。

研究人员采用的主要关键技术方法如下：将商用尼龙缝合线截段、乙醇清洗并干燥后，置入含HEMA与NVCL（体积比1:1）甲醇溶液的玻璃安瓿中，通氩气除氧密封，于⁶⁰Co γ源（剂量率12.2 kGy h^-1，总剂量20~80 kGy）下室温辐照接枝，随后乙醇洗涤去除均聚物并干燥，按初始与最终质量差计算接枝度(DG＝(W_f－W_o)/W_o×100%)。采用傅里叶变换红外光谱-衰减全反射(FTIR-ATR)、热重分析(TGA, N₂氛围, 10℃/min, 25~800℃)及差示扫描量热法(DSC, N₂氛围, 10℃/min, 25~400℃；溶胀态测定LCST, 1℃/min, 15~50℃)表征接枝产物化学结构与热/温敏性能。naringin负载将样品浸入30 μg/mL水溶液至平衡，紫外-可见分光光度法(UV–Vis, λ＝277 nm)测定剩余浓度计算载药量；释放实验将载药缝合线置入磷酸盐缓冲液(pH 7.4, 37℃)，定时取样测定释放浓度。

研究结果如下：

3.1. Grafting of HEMA-co-NVCL onto NS

研究人员首先比较四种溶剂在20 kGy、25%(v/v)单体浓度(1:1 HEMA/NVCL)下的接枝效果，发现甲醇因可与尼龙羰基形成氢键且碳链短易向尼龙内部扩散，获得最高接枝度。继而固定甲醇为溶剂，考察25%(w/v)与50%(w/v)单体浓度下20~80 kGy剂量的影响：25%浓度组接枝度随剂量升高持续增加，80 kGy时达约50%，归因于低黏度利于γ射线穿透及单体向自由基位点扩散；50%浓度组因高黏度限制单体扩散、溶液中HEMA/NVCL均聚竞争消耗自由基及大分子自由基再结合，接枝度显著降低，且在40 kGy出现峰值后随剂量升高下降（链断裂、自由基复合、单体消耗占主导）。表明甲醇为最优溶剂，25%单体浓度、80 kGy为较优接枝条件。

3.2. FTIR-ATR analysis

FTIR-ATR谱图中，原始尼龙缝合线在3302 cm^-1(N–H)、2929和2861 cm^-1(C–H)、1639和1537 cm^-1(酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ带C＝O)处有特征峰。HEMA-co-NVCL在3400 cm^-1(O–H of HEMA)、1722 cm^-1(C＝O of HEMA ester)、1080 cm^-1(C–O–C of HEMA)及2929 cm^-1(脂肪族C–H of NVCL)、1613 cm^-1(C＝O of NVCL lactam)有特征吸收。NS-g-poly(HEMA/NVCL)同时出现3387 cm^-1(N–H与O–H重叠)、2932 cm^-1(C–H)、1717 cm^-1(HEMA C＝O)和1614 cm^-1(NVCL C＝O)的新峰，证实HEMA/NVCL共聚物成功接枝至尼龙缝合线表面。

3.3. Thermal Characterization

TGA结果显示原始NS起始失重10%温度为396℃，分解峰温462℃，残炭率2.19%；HEMA-co-NVCL起始失重10%温度336℃，两阶段分解(350℃属HEMA, 457℃属NVCL)，残炭率2.52%；NS-g-poly(HEMA/NVCL)起始失重10%温度降至375℃，340℃处现HEMA分解台阶，457℃处NS与HEMA分解峰重叠，残炭率升至7.2%，表明接枝使热稳定性略降但仍具耐热性。DSC显示原始NS熔点(T_m)约210℃；HEMA-co-NVCL玻璃化转变(T_g)约100℃（主源于PHEMA）；NS-g-poly(HEMA/NVCL)同时保留NS的T_m(213℃)及接枝共聚物的T_g(105℃)，说明接枝未改变尼龙结晶熔融行为。溶胀态DSC测得NS-g-poly(HEMA/NVCL)的LCST为30℃，HEMA-co-NVCL薄膜为34℃，均接近PNVCL本征LCST(~33℃)，证实接枝层具温度响应性——低温亲水溶胀、高于LCST疏水收缩。

3.4. Drug loading and release

原始NS几乎无naringin吸附。NS-g-poly(HEMA/NVCL)接枝度32%、38%、53%样品载药量分别为956、1117、742 μg/g。38%接枝样品因适中链密度提供最多HEMA羟基与naringin酚羟基间氢键作用而载药最高；53%接枝因接枝链过度密集产生空间位阻(steric hindrance)使naringin难以进入；32%接枝因可作用位点少致载药偏低。释放实验中，32%接枝样品因相互作用弱释放最多，38%和53%接枝样品因较强氢键保留更多naringin。尽管naringin在约360 min内基本释放完全，研究人员认为术后早期快速释放具促血管新生效益，有助于加速创面修复。

讨论与结论总结（翻译自原文Conclusion）：

本初步研究通过γ射线辐照成功改性尼龙缝合线，可通过调节溶剂和辐照剂量控制HEMA/NVCL共聚物接枝度。FTIR-ATR及热分析等手段确证了HEMA/NVCL在缝合线上的接枝及改性缝合线的温敏特性。该研究为加速伤口愈合的功能化缝合线开发提供了新思路。研究人员指出此初步工作尚待补充力学性能测试、细胞相容性评估、体内实验及扫描电镜(SEM)观察等，将在后续研究中完成。