基于喷嘴加压纺丝技术开发肉桂-海藻酸盐抗菌纤维贴片及其生物医学应用研究

《Materials Chemistry and Physics》：Effects of yttrium addition on microstructural evolution and recrystallization mechanisms in commercial pure titanium during thermomechanical processing

本研究针对传统石油基聚合物材料的环境污染和不可持续问题，开发了一种结合喷嘴加压纺丝(NPS)和湿法纺丝原理的创新工艺，成功制备了负载肉桂提取物的海藻酸盐(Ca-Alg)纤维。该纤维贴片展现出优异的生物相容性(细胞活力达94%)和显著的抗菌活性(对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均实现至少log 1的菌落减少)，为可持续抗菌生物材料在医疗保健领域的应用提供了新策略。

　　

在当今社会，塑料制品无处不在，从包装材料到医疗器械，石油基合成聚合物如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等扮演着重要角色。然而，这种对不可再生资源的依赖不仅加剧了能源危机，更导致了严重的微塑料污染，对生态系统和人类健康构成巨大威胁。开发源自生物体的天然聚合物，成为解决这些紧迫问题的 promising 策略。其中，海藻酸盐(Alginate, Alg)因其独特的凝胶特性、生物相容性和可生物降解性，在伤口愈合、药物递送和组织工程等领域展现出巨大潜力。但天然聚合物的加工面临巨大挑战——溶解性差、加工条件苛刻，限制了其商业化应用。如何通过简单、高效且成本效益高的技术将天然聚合物加工成高价值产品，成为研究人员亟待突破的瓶颈。

在此背景下，一项发表于《Materials Chemistry and Physics》的研究提出了一种创新解决方案。研究人员将目光投向了一种结合了气体吹拂辅助和离心力的纤维制备技术——喷嘴加压纺丝(Nozzle-Pressurized Spinning, NPS)，并对其进行改良，用于加工海藻酸盐。更引人注目的是，他们创新性地将具有天然抗菌活性的肉桂(Cinnamomum verum)提取物融入纤维中，旨在开发一种兼具生物相容性和抗菌功能的先进生物材料。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先，他们建立了一套改良的倒置式喷嘴加压纺丝装置，集成了CaCl₂凝固浴，实现了海藻酸钠(Na-Alg)溶液向海藻酸钙(Ca-Alg)纤维的连续化生产。其次，通过扫描电子显微镜(SEM)对纤维的形貌和尺寸进行表征。第三，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析材料的化学结构和分子间相互作用。第四，通过体外细胞毒性测试(WST-1法)评估材料的生物相容性。最后，通过抗菌实验(包括菌落形成单位计数和SEM观察)系统评价了材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑制效果。

3.1. 海藻酸盐的交联

研究发现，通过NPS将Na-Alg溶液挤出到空气中形成干态射流，随后在CaCl₂凝固浴中完成湿法纺丝过程，成功实现了海藻酸盐的离子交联。当Na-Alg射流进入富含Ca²⁺的凝固浴时，Ca²⁺与海藻酸盐链上的古洛糖醛酸(G)块选择性结合，发生Na⁺与Ca²⁺的离子交换，形成稳定的“蛋盒”模型交联网络。微波等离子体原子发射光谱(MP-AES)分析证实，交联后藻酸盐样品中的Na⁺/Ca²⁺摩尔比从25.54显著降低至1.46，证明了Ca²⁺的成功结合。

3.2. 系统参数的影响

研究揭示了工作压力、转速和空气间隙长度等参数对纤维形成的协同影响。过高的工作压力和转速反而会对纤维形态产生负面影响，这被归因于射流形成速率与其在凝固浴中固化速率之间的不平衡。通过优化参数(3.2 wt% Na-Alg溶液，工作压力2×10⁵ Pa，转速11000 rpm，空气间隙长度6 mm)，成功制备出平均直径约为10 μm的Ca-Alg纤维。纤维表面呈现明显的纵向条纹，这是由于湿法纺丝过程中凝固剂在射流表面不均匀扩散所致。添加肉桂提取物(肉桂皮精油CEO和肉桂醛CA)后，纤维直径略有增加，表明这些添加剂对海藻酸盐的交联过程产生了影响。

3.3. 傅里叶变换红外光谱分析

FTIR光谱分析表明，CEO和CA的加入导致了COO^–基团的不对称和对称伸缩振动峰发生强度和轻微位移的变化，表明Ca²⁺离子配位交联受到了干扰或修饰。同时，含有肉桂提取物的藻酸盐中–OH基团的伸缩振动峰比纯Ca-Alg更宽，这可能是藻酸盐的–OH和–COOH基团与CEO和CA中的–CHO或其他官能团形成氢键的结果。

3.4. 藻酸盐纤维的吸收性能

吸收测试显示，所有Ca-Alg纤维贴片在PBS (pH 7.4)中都表现出快速的初始吸收能力。纯Ca-Alg贴片在25分钟后吸收率达到约600%的平台期，而CEO和CA-containing的贴片则表现出更高的吸收容量，分别达到920%和1067%。这种增强归因于添加剂破坏了均匀的Ca²⁺交联，形成了更开放、更灵活的网络结构，以及部分疏水性引入的微相分离产生的孔隙，促进了毛细管驱动的流体吸收。高吸液性对于维持伤口湿润环境、加速愈合至关重要。

3.5. 细胞毒性特征

细胞毒性测试结果表明，纯Ca-Alg纤维贴片表现出优异的生物相容性，细胞活力高达94 ± 2.8%。然而，肉桂提取物的细胞毒性呈现剂量依赖性。含1% CEO的样品(Ca-Alg-CEO1)细胞活力为86 ± 6.2%，尚可接受。但当CEO浓度增加至2%和4%时，细胞活力显著降低至63 ± 3.2%和26 ± 2.4%，低于ISO标准规定的70%细胞活力的 cytotoxicity 界限。CA的毒性相对较弱，在1%和2%浓度下细胞活力分别为83 ± 6.9%和75 ± 3.5%，但在4%浓度时也降至55%。这表明，尽管CEO和CA具有生物活性，但其浓度必须谨慎控制以确保生物相容性。

3.6. 抗菌特性

抗菌测试结果表明，所有Ca-Alg纤维贴片对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出至少log 1的细菌黏附/生物膜形成减少。纯Ca-Alg纤维由于其亲水性而具有一定的抗黏附特性。更重要的是，添加肉桂提取物后，抗菌活性显著增强，并呈现剂量依赖性。CEO表现出比CA更强的抗菌效果，GC-MS分析显示CEO中除肉桂醛-E外，还含有丁香酚(eugenol)和肉桂醇乙酸酯(cinnamyl acetate)等抗菌化合物，产生了协同抗菌作用。SEM观察结果与菌落计数结果一致，显示含肉桂提取物的纤维样品表面细菌黏附更少。值得注意的是，革兰氏阳性金黄色葡萄球菌比革兰氏阴性大肠杆菌更容易黏附在纤维表面。综合细胞毒性和抗菌活性，Ca-Alg-CEO1样品在保持高细胞相容性的同时，对两种细菌均表现出良好的抗菌活性，最具应用潜力。

本研究成功开发了一种基于改良喷嘴加压纺丝技术的可持续海藻酸盐纤维制备新方法。该方法将NPS的高效生产与湿法纺丝的适应性相结合，为制备平均直径约10 μm的海藻酸盐纤维提供了一条可扩展、经济且简单的途径。研究证实，纯Ca-Alg纤维贴片本身具有良好的生物相容性和一定的抗菌性能。负载肉桂(Cinnamomum verum)提取物后，纤维贴片的抗菌活性显著增强，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均能实现有效的生长抑制，且呈现剂量效应。然而，高浓度的肉桂提取物会带来细胞毒性，因此在追求高效抗菌的同时，必须平衡其生物安全性。

该研究的重要意义在于，它为实现天然聚合物的高价值转化和可持续抗菌生物材料的开发提供了创新思路和实用技术。所制备的肉桂-海藻酸盐纤维贴片在伤口敷料、抗感染医疗器械等生物医学领域展现出广阔的应用前景。未来研究可集中于优化肉桂活性成分的控释曲线，以在最大化抗菌效能的同时最小化细胞毒性，并进一步探索其体内性能和长期稳定性。这项工作标志着向将天然材料整合到先进生物材料设计迈出了重要一步，为不断发展的可持续医疗解决方案领域做出了贡献。