氧化石墨烯增强壳聚糖–羧甲基纤维素–海藻酸钠复合海绵敷料的结构–性能关系研究

《RSC Advances》：Structure–property relationships in a graphene oxide-reinforced chitosan–carboxymethylcellulose–alginate composite for wound dressing applicationsOpen Access

　　

多功能创面敷料需要兼具结构完整性、抗菌活性和细胞相容性的多糖基生物材料。本研究开发了氧化石墨烯（GO）功能化的壳聚糖–羧甲基纤维素–海藻酸钠（ChitCMCAlgGO）海绵支架，旨在探究GO在调控多组分多糖网络分子组织与功能特性中的作用。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、固态13C CP/MAS核磁共振（NMR）结合T1ρH和T1ρC弛豫分析、力学测试、液体处理性能评估、抗菌与抗生物膜试验，以及依据ISO 10993标准进行的细胞相容性评价对复合材料进行了系统表征。GO的引入显著提升了支架的力学性能，拉伸强度由0.032 MPa提高至0.122 MPa，最大拉伸力由0.93 N提高至3.48 N，最大应力下的断裂伸长率由37.6%提升至110%。光谱学与NMR分析表明，GO未改变多糖组分的化学结构，但可能促进了非共价相互作用并改变了聚合物链动力学，导致支架密度增加、孔隙率降低。尽管液体吸收能力出现适度下降，GO功能化支架仍保持了较高的吸收容量（24 h后为34.2 g g?1）。此外，GO增强了对创面相关病原菌的抗菌活性，并保持了细胞相容性。上述研究结果表明，GO作为结构性纳米填料调控多糖网络组织，为设计先进碳水化合物基创面敷料材料提供了合理策略。

一、研究背景与科学问题

慢性创面是当前全球医疗体系面临的重大挑战，其愈合障碍常与糖尿病、血管疾病、衰老及持续性炎症相关，而细菌定植和生物膜形成进一步延缓组织再生，并显著降低常规抗菌疗法的疗效。因此，亟需开发兼具组织修复微环境支持与感染防控能力的多功能创面敷料。

天然多糖因优异的生物相容性、可降解性以及与细胞外基质的结构相似性，成为先进创面敷料的理想候选材料。其中，壳聚糖（Chit）具有内在抗菌与止血特性，海藻酸钠（Alg）具备优异的液体吸收能力并可形成维持创面湿润环境的水凝胶，羧甲基纤维素（CMC）则有助于改善力学完整性与保水性。三者组合可构建功能互补的多组分复合基质。然而，多糖基敷料仍受限于相对较差的力学性能和不足的抗菌活性，尤其对多重耐药及生物膜形成病原菌效果有限。

氧化石墨烯（GO）凭借超高比表面积、丰富的含氧官能团以及与周围聚合物建立多重非共价相互作用的能力，成为极具前景的增强组分。除增强效应外，GO还可通过膜破坏、氧化应激产生及与微生物细胞的物理相互作用发挥抗菌活性。更重要的是，GO可能通过氢键和静电相互作用深刻影响聚合物基质的分子组织、链迁移率、网络架构、孔隙率及力学行为，进而影响材料的生物学性能。然而，关于GO掺入、多组分多糖网络的结构组织与分子动力学及其功能特性之间关系的研究仍不充分。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了GO功能化的壳聚糖–羧甲基纤维素–海藻酸钠（ChitCMCAlgGO）海绵敷料，通过整合理化、结构、微生物学及生物学分析，系统研究了GO掺入对三元多糖网络分子架构的重组作用及其对力学性能、液体传输、抗菌效能和细胞相容性的综合影响。结果表明，GO不仅作为抗菌添加剂，更作为多功能结构性纳米填料调控多糖网络组织，同时增强力学性能、调节液体传输、改善抗菌效果并保持细胞相容性，为慢性创面管理用下一代生物材料的开发提供了新见解。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：扫描电子显微镜（SEM）表征海绵内部多孔形貌；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析化学结构；固态¹³C CP/MAS NMR结合T₁ρH和T₁ρC弛豫分析研究聚合物链分子动力学；依据ISO 1798标准进行拉伸力学测试；气体比重瓶法测定密度与孔隙率；重量法评估液体吸收性能；CFU计数法评价浮游菌抗菌活性；静态聚苯乙烯表面模型及A.D.A.M.三层堆叠模型评估抗生物膜活性；依据ISO 10993-5标准采用L929小鼠成纤维细胞进行间接和直接接触细胞毒性评价及活/死荧光染色。

四、研究结果

4.1 理化表征

力学测试表明，GO掺入使支架厚度由1.42 mm增至1.90 mm，最大拉伸力由0.93 N增至3.48 N，拉伸强度由0.032 MPa增至0.122 MPa（约四倍提升），断裂伸长率由37.6%增至110%，显示材料强度与柔韧性均显著增强。吸收性能测试显示，GO功能化支架在24 h的吸附容量为34.16 g g^?1，虽略低于未改性材料的40.92 g g^?1，但仍保持高吸收能力。SEM观察显示，未改性基质具有大而开放的互连孔隙，GO掺入后孔隙网络更致密、孔径减小。气体比重瓶测定表明，GO掺入使密度由0.21 g cm^?3增至0.42 g cm^?3，孔隙率由82.5%降至77.6%。FT-IR光谱显示GO掺入后羟基区域强度与宽度增加、部分谱带位移及强度变化，提示非共价相互作用的存在。固态NMR谱图显示化学位移无显著变化，表明GO未改变多糖初级化学结构；但T₁ρH和T₁ρC弛豫时间出现位点依赖性变化，表明聚合物链局部分子动力学受到调控。

4.2 抗菌与抗生物膜活性

浮游菌试验显示，两种敷料对白念珠菌（C. albicans）抑制作用最强（p < 0.0001），对鲍曼不动杆菌（A. baumannii）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）亦高效（p < 0.01）。对金黄色葡萄球菌（S. aureus），GO掺入后统计显著性更高（p = 0.0048 vs p = 0.0223）。对粪肠球菌（E. faecalis），仅GO功能化基质实现显著抑制（p = 0.0060）。对大肠杆菌（E. coli），GO掺入显著改善了抗菌性能（p = 0.0434）。静态生物膜模型显示，两种敷料对白念珠菌、鲍曼不动杆菌和金黄色葡萄球菌成熟生物膜均具显著清除作用；对大肠杆菌仅GO功能化敷料实现显著清除（p = 0.0361）；铜绿假单胞菌生物膜表现出最高抗性，各材料均未实现显著清除。A.D.A.M.模型评估了活性物质穿透多层生物膜的能力，结果显示不同敷料在空间渗透清除方面存在差异。

4.3 细胞相容性

依据ISO 10993-5标准，通过间接接触（浸提液法）和直接接触试验评估了L929成纤维细胞的细胞毒性。MTT试验显示材料浸提液在各稀释浓度下均保持细胞活力；形态学评估依据ISO分级标准，直接接触试验及活/死荧光染色进一步确认了材料的细胞相容性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，GO掺入引起的力学增强可能源于GO-聚合物相互作用与支架结构变化的综合效应，但研究未量化各因素的单独贡献。T₁ρ弛豫变化受分子运动、自旋扩散及样品异质性影响，不能单独作为聚合物-GO特定相互作用的直接证据。FT-IR与NMR结果共同支持GO掺入影响复合网络组织，但非共价相互作用与形态学效应对力学增强的相对贡献仍待进一步研究。抗菌活性呈菌株依赖性，GO掺入改善了特定菌株的抗菌性能，但不能据此推定抗菌谱的普遍拓宽。研究结论表明，GO作为结构性纳米填料调控多糖网络组织，在增强力学性能、维持高吸收能力、改善抗菌活性并保持细胞相容性的同时，为设计先进碳水化合物基创面敷料提供了合理策略，支持其作为慢性创面管理用下一代生物材料的开发。