可持续性聚乙烯醇/壳聚糖电纺纳米纤维与浇铸膜的生物活性添加剂研究：理化性质与体外生物活性的比较分析

为解决传统生物材料在生物相容性、抗菌性能和机械性能方面的不足，研究人员开展了聚乙烯醇(PVA)/壳聚糖(CSM)电纺纳米纤维与浇铸膜的复合研究，通过添加玫瑰提取物(RD/RR)和金纳米颗粒(Au@RD NPs)，系统比较了材料制备技术对理化性质的影响。结果表明，该复合材料具有优异的抗氧化性、抗菌活性和细胞相容性，为伤口愈合、药物递送和食品包装等领域提供了新型绿色生物材料解决方案。

　　

研究背景与意义
随着全球对可持续发展和绿色化学的重视，生物基材料正逐步替代石油基塑料。壳聚糖(CSM)作为自然界第二丰富的多糖，因其优异的生物相容性、可降解性和抗菌性能备受关注。然而，CSM的刚性骨架结构和强氢键网络限制了其纳米支架的制备，通常需要与聚乙烯醇(PVA)等聚合物共混。同时，单纯CSM/PVA材料的生物活性和功能特性仍有提升空间。

当前研究面临三大挑战：一是CSM的聚阳离子特性导致电纺工艺复杂，常需使用有毒溶剂；二是传统生物材料在抗菌、机械和热稳定性等性能上难以兼顾；三是缺乏对同一化学组成但不同维度材料(如1D纳米纤维与2D薄膜)的系统比较。波兰AGH科技大学的研究团队创新性地将玫瑰提取物和金纳米颗粒引入CSM/PVA体系，通过对比电纺纳米纤维与浇铸膜的制备工艺和性能差异，为开发多功能生物材料提供了新思路，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》。

关键技术方法
研究采用电纺丝技术制备纳米纤维，优化了电压(21-25 kV)和流速(0.4-0.5 mL/h)参数；通过浇铸法成膜并进行130°C热稳定处理。利用扫描电镜(SEM)表征形貌，拉曼光谱分析分子结构，差示扫描量热法(DSC)测定热性能，接触角测试评估润湿性。体外实验采用HaCaT细胞评估生物相容性，DPPH法测定抗氧化活性，并选用大肠杆菌DH5α和芽孢杆菌OP311测试抗菌性能。

研究结果

3.1 薄膜浇铸与纳米纤维电纺
电纺参数优化显示，溶液电导率降低可获得无串珠的均匀纤维，粘度需控制在约600 mPa·s临界点。PVA/CSM/RD、PVA/CSM/RR和PVA/CSM/Au@RD NPs纤维直径分别为105 nm和115 nm，热稳定处理未显著改变形貌。

3.2 分子特性
拉曼光谱和主成分分析(PCA)表明，电纺纤维化学组成更均一，而浇铸膜结构更致密。PVA的羟基在纤维表面富集，这与电场诱导的分子取向有关。

3.3 机械性能
浇铸膜的杨氏模量(2.75±0.38 GPa)显著高于纳米纤维(0.04-0.25 GPa)。玫瑰提取物的加入通过干扰氢键网络降低薄膜刚度，金纳米颗粒则因物理阻碍作用进一步削弱机械强度。

3.4 润湿性、溶胀与降解
纳米纤维接触角(35-45°)小于薄膜，符合Wenzel效应。PVA/CSM/RR因疏水性酚类物质使接触角增至68.46°。溶胀实验显示，玫瑰提取物可抑制材料吸水，14天后薄膜降解率低于纤维。

3.5 热性能
纳米纤维水分蒸发焓(75-80°C)高于薄膜(45-50°C)，归因于更大的比表面积。PVA的加入使材料分解温度提升至290-340°C，显著增强热稳定性。

3.6 抗氧化与体外生物相容性
RD和RR提取物的DPPH清除率最高(>80%)，HaCaT细胞存活率均超过ISO 10993-5标准。SEM显示细胞在光滑薄膜表面形成致密单层，而在纳米纤维上呈分散态。

3.7 体外抗菌活性
CSM/RD/万古霉素薄膜对革兰氏阳性菌OP311抑菌效果最佳(OD值0.553±0.145)，电镜观察到明显无菌区，表明玫瑰提取物与抗生素具有协同效应。

结论与展望
该研究首次系统比较了CSM/PVA基纳米纤维与薄膜在添加生物活性成分后的性能差异，揭示了材料维度对理化特性的调控机制。创新点包括：1) 开发了无需有毒溶剂的绿色电纺工艺；2) 证实玫瑰提取物可同时增强抗氧化性和抗菌性；3) 发现金纳米颗粒通过尺寸效应调控表面润湿性。

研究成果为设计多功能生物材料提供了重要参考：亲水性纳米纤维适合作为药物载体，而机械强度优异的薄膜更适用于食品包装。特别是玫瑰提取物与抗生素的协同作用，为减少抗生素用量、对抗耐药菌提供了新策略。未来研究可进一步优化提取物负载量，并探索其在慢性伤口愈合中的实际应用。这项工作通过"绿色化学"方法，推动了可持续生物材料在医疗和食品领域的发展。