组织工程和再生医学的目的是保护、恢复和改善由病理状况、损伤或医源性损伤引起的天然组织和器官的功能和结构丧失。这一目标可以通过使用支架来实现，支架能够模拟天然细胞外基质的形态和大分子环境，并能够维持细胞粘附、增殖、迁移和分化，从而促进组织再生。在这种情况下，静电纺丝技术是一种有利且有用的方法，因为它允许开发基于纳米纤维的纳米结构基质，该基质可以模仿细胞外基质的结构和构造，具有大表面积、高度互联的多孔结构，并有利于气体交换。
在本文中，作者开发并表征了一种负载利福平和涂覆银纳米粒子的核壳静电纺丝聚己内酯纳米纤维膜。该膜由直径均匀的随机取向纳米纤维组成，经过空气等离子体处理增加了膜的亲水性且没有降解负载在纳米纤维核心区域的利福平。通过SEM和能量色散谱(EDS)研究了银纳米粒子在纳米纤维表面的存在和分布。由SEM成像表明，所制备的膜在结构保持方面具有良好的长期稳定性。所开发的膜对鼠成纤维细胞、人骨肉瘤细胞和尿路上皮细胞显示出良好的生物相容性，没有表现出细胞毒性。此外，这种双功能化膜能够抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。由于同轴静电纺丝技术提供的可能性，本文提出的膜在多种组织工程应用中具有广阔前景。
图1.PCL 膜的SEM显微照片。PCL（A）、PCL/RIF （B）膜。比例尺（白色）为10μm。
两种类型的芯壳纤维均以随机取向和堆积的纤维以及均匀致密的纤维基质为特征。此外，纤维没有表现出任何表面缺陷。与此同时，在纤芯中引入的利福平并没有影响纤维直径及其形态（图1）。
图2.银纳米颗粒在PCL/Rif膜（A、B）和PCL/Rif/质膜（D、E）上沉积的SEM和TEM样图像。比例尺为400nm。PCL/Rif/nAg膜（C）和PCL/Rif/plasma/nAg 膜（F）的EDS光谱。
为了使核壳纳米纤维的壳层功能化，将膜浸入盐酸多巴胺和硝酸银的溶液中，目的是在纤维表面原位合成银纳米颗粒。当膜浸入涂层溶液中时，多巴胺自聚合形成聚多巴胺（PDA）。氧化反应导致银 （Ag1+） 还原成金属银 （Ag0），从而在核壳纤维上合成银纳米颗粒 （nAg）。通过SEM和EDS分析分析nAg的存在和分布（图2）。
图3. PCL和PCL/质膜（A、E）、PCL/Rif和PCL/Rif/质膜（B、F）、PCL/nAg和PCL/血浆/nAg膜（C、G）以及PCL/Rif/nAg和PCL/Rif/血浆/nAg（D、H）的接触角分析。
PCL和Rif负载膜的润湿性通过使用去离子水（DW）的接触角测量进行分析。对等离子体处理和未处理的膜进行了测试，目的是评估空气等离子体处理在增加膜亲水性方面的有效性（图3）。
图4.PCL/Rif 膜和PCL/Rif/质膜的利福平释放动力学。
为了估计利福平从核壳纤维核心的释放，将未处理和处理的Rif负载膜在37°C下在PBS中孵育1,4,24,48小时和1周。结果表明，未经处理和空气等离子体处理的膜均展现出几乎相同的利福平释放曲线和动力学特征，这证实了将利福平加载到纤维的核心区域能够保护该抗生素免受空气等离子体处理的降解作用（图4）。
图5.PCL/Rif/plasma/nAg膜的银释放动力学。
为了评估核壳纤维壳层的银释放，将PCL/Rif/plasma/nAg样品在37°C的PBS中孵育1 、4 、24 、48小时和1周。通过电感耦合等离子体质谱法 （ICP-MS）评估银释放量（图5）。
图6.在不同放大倍率下对PCL/Rif/等离子体（A）、PCL/等离子体/nAg（B）和PCL/Rif/等离子体/nAg（C）的形态进行SEM成像。比例尺为10μm。
为了评估膜在类似生理条件下老化的影响，将膜在37°C的SBF中浸泡8周。在所有情况下，孵育后膜都没有表现出任何影响纳米纤维的形态变化，除了涂有nAg的纳米纤维的直径略有增加，这可能是由于nAg合成过程中纳米纤维的膨胀（图6）。
图7.在SEM分析中使用背散射电子获得的SEM图像和类似TEM的图像，nAg在老化的PCL/Rif/nAg（A，B）和PCL/Rif/plasma/nAg（C，D）上。比例尺为100nm。
用背散射电子收集的PCL/等离子体/nAg（分别为A和B）和PCL/Rif/等离子体/nAg（分别为C和D）的SEM图像和类似TEM的图像。图像显示，在这两种情况下，银纳米颗粒在SBF中浸泡8周后也均匀分布在纤维表面（图7）。
图8.PCL/Rif/nAg和PCL/Rif/Plasma/nAg膜上nAg的平均直径（A）和直径分布（B），分别为制备后和在SBF中老化后的状态。
nAg平均维度和分布的分析报告。两种类型的膜之间可以观察到不同的行为：未经处理的膜上的nAg相对于处理过的膜更小，并且在膜老化后，平均直径略有增加;而对于质体处理的膜，初始平均直径略高，并且在膜老化后变化较小（图8）。
图 9. 在不存在或存在PCL/Rif/plasma/nAg膜的情况下生长的NIH-3T3（正方形）、MG-63（圆形）和UC（三角形）的增殖率。
为了检查释放的利福平和银纳米颗粒可能的细胞毒性作用或它们的协同作用，对小鼠成纤维细胞NIH/3T3、人成骨细胞MG-63和人尿路上皮细胞UCs测试了膜的生物相容性。实验结果表明，所有测试的基质都显示出良好的生物相容性，释放的利福平和银纳米颗粒没有产生毒性作用（图9）。
图 10. 大肠杆菌ATCC 25922（蓝色）和金黄色葡萄球菌 ATCC 25923-（绿色）在新鲜制备的膜（A）和1周龄膜（B）存在下的增殖。
使用临床相关病原体（即大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）的参考菌株评估基于PCL的膜抑制细菌生长的潜力。
本文研究了在纳米纤维的核心区域添加抗生素利福平，并通过包被银纳米颗粒对纳米纤维表面进行功能化，开发了具有抗菌特性的双重功能化静电纺丝核壳聚己内酯膜。该膜具有纳米纤维致密基质，且无表面缺陷;银纳米颗粒涂层在膜表面是均匀的，利福平的释放表明，利福平在核心区域的负载保护分子免受空气等离子体处理，这增加了膜的亲水性。随着时间的推移，膜在类似生理的条件下保持稳定，并且能够随着时间的推移释放银离子和利福平，以协同的方式保证抗菌活性，同时对不同的细胞系具有生物相容性。因此，膜的结构、与不同性质的分子和化合物的易功能化、它们的抗菌特性和生物相容性，是调整这些膜的功能和生物活性的起点，可用于开发用于组织工程领域的生物材料。
近期，该研究成果以“Core-shell electrospun polycaprolactone nanofibers, loaded with rifampicin and coated with silver nanoparticles, for tissue engineering applications”为题发表于学术期刊《Biomaterials Advances》，论文第一作者为Musciacchio Luigi，通讯作者为的里雅斯特大学Porrelli Davide。
撰稿人：张程名
审稿人：武华君
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.214036
抗菌抗污材料前沿
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