由羧甲基纤维素、柠檬酸、木质素和银纳米颗粒组成的双相两亲性生物复合材料：一种用于快速制备多功能创可贴的绿色技术

《European Polymer Journal》：Dual-phase amphiphilic biocomposite of carboxymethyl cellulose, citric acid, lignin, and silver nanoparticles: A green strategy for rapid multifunctional wound dressings

　　

阿希斯·苏特拉达尔·尼塔伊（Ashis Sutradhar Nitai）| 菲罗兹·艾哈迈德（Firoz Ahmed）| 梅德·易卜拉欣·H·蒙达尔（Md.Ibrahim H. Mondal）

聚合物与纺织研究实验室，应用化学与化学工程系，拉杰沙希大学（University of Rajshahi），拉杰沙希6205，孟加拉国

摘要

天然聚合物，特别是木质素，由于其固有的抗氧化和紫外线防护特性，在生物医学应用中具有巨大潜力。然而，它们的疏水性质和多功能性在设计有效的生物复合材料以促进伤口愈合方面带来了挑战。本研究介绍了一种基于木质素的可持续生物复合薄膜，该薄膜通过溶剂浇铸法制备，使用了来自锯末的木质素、羧甲基纤维素（CMC）、柠檬酸（CA）和银纳米颗粒（AgNPs），用于伤口愈合应用。采用了两阶段配方策略：木质素含量根据光学透明度进行控制，而CMC的用量则用于调节交联程度。所得薄膜表现出明显的两亲性特征，具有可调的润湿性（42.13° → 122.75° → 71.27°）、适宜的机械性能（约7.1 MPa），以及增强的功能性，包括抗氧化活性（RSA约42%）、对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌性能，以及选择性的紫外线屏蔽作用。结构和物理化学分析（FTIR、SEM–EDX、UV–Vis、DLS）表明各组分成功整合，FTIR结果显示网络内部存在交联作用。体内研究进一步证明了该薄膜能够加速伤口愈合、改善组织结构，并在10天内促进毛囊形成。这些结果突显了将木质素衍生的生物活性与纳米颗粒功能结合在两亲体系中的有效性。

引言

伤口愈合是一个高度动态且复杂的生理过程，涉及多个相互重叠的阶段，包括止血、炎症、增殖和重塑[1]。这一自然序列的破坏——通常由细菌感染、糖尿病等慢性疾病或组织再生障碍引起——可能导致需要先进治疗策略的慢性伤口[2]。近年来，出现了多种创新的伤口护理技术来有效管理慢性伤口，包括水胶体、水凝胶、纳米复合材料和薄膜[3]、[4]。其中，基于生物材料的敷料因其生物相容性、可降解性和保持环境湿润的能力而受到广泛关注，这对于实现最佳伤口愈合效果至关重要，同时还能降低感染风险[5]、[6]。在这种背景下，基于生物聚合物的生物薄膜或生物复合薄膜已成为有前景的伤口敷料材料。这些薄膜的设计旨在模仿细胞外基质（ECM）的功能，促进细胞粘附和增殖，作为抵御感染的屏障，并有效控制伤口渗出物[7]、[8]。天然生物聚合物如纤维素衍生物、壳聚糖、海藻酸盐和木质素被纳入伤口敷料中，显示出良好的机械强度、保湿性、抗菌活性和药物输送能力[1]、[9]。然而，这些生物复合薄膜的治疗效果不仅取决于其整体组成，还受到表面性质（如润湿性、粘附性和渗透性）的显著影响，这些性质直接影响细胞附着、营养交换和渗出物管理[10]、[11]。蒙达尔（Mondal）及其团队深入研究了这些关键参数，调整了各种生物聚合物系统以优化伤口愈合性能。他们最近的研究包括基于纤维素衍生物[12]、淀粉[13]、壳聚糖[14]、丝胶[15]、壳聚糖衍生物[16]和聚乙烯醇[17]的生物复合薄膜和水凝胶，每种材料都经过设计以增强表面和功能特性，从而加速组织再生并改善临床伤口护理效果。

尽管这类不同生物聚合物复合材料的制备具有诸多优势，但它们的性能仍存在局限性，例如仅通过设计亲水或疏水界面性质时，润湿性、渗透性和表面能往往不平衡[13]、[14]、[15]、[16]。高亲水性薄膜可能能够吸收伤口渗出物，但常常会出现快速膨胀、机械稳定性差和结构完整性受损的问题。相反，过于疏水的材料则难以吸收液体，限制了营养交换并减少了细胞附着[3]、[4]。这种内在的矛盾是伤口敷料材料设计中的一个关键问题，需要在保持结构稳定的同时实现与水性生物环境的平衡相互作用。

为克服这一限制，最近的研究越来越多地关注在单一基质中结合亲水性和疏水性领域的两亲材料系统[18]、[19]、[20]。这些系统能够更好地控制水分保持，提供更好的屏障性能，并增强与生物组织的相互作用[21]。两亲表面可以控制水分吸收，同时避免过度脱水，并且已被证明能够促进成纤维细胞增殖、减少细菌附着，更接近天然皮肤界面[22]、[23]。因此，制备两亲生物复合材料是改进传统单相材料以实现按需伤口愈合的合理方法。

基于这一考虑，木质素基材料因其低成本和内在的多功能性而成为潜在的候选材料。木质素是最丰富的芳香族生物聚合物之一，来源于木质纤维素生物质[24]、[25]，其酚羟基赋予了抗氧化活性、紫外线吸收和抗菌潜力[26]、[27]、[28]。这些特性对于伤口愈合至关重要，因为氧化应激和微生物污染可能阻碍组织再生。尽管木质素具有这些优点，但由于其结构异质性和与亲水聚合物基质的兼容性问题，其在生物医学薄膜中的应用受到限制[16]、[26]。大多数关于含木质素材料的报道都是用于捆绑用途，而非生物医学框架[29]、[30]，在这些应用中，性能要求（如生物相容性和可控润湿性）至关重要[26]。

相比之下，羧甲基纤维素（CMC）是一种亲水性纤维素衍生物，作为一种众所周知的生物医学化合物，具有良好的成膜能力、生物相容性和保湿能力[31]。因此，木质素和CMC代表了一个互补系统，因为它们的疏水芳香结构域（木质素）和亲水多糖网络（CMC）[18]（如粘稠的胶状结构）可以形成两亲结构。然而，简单的物理混合不足以促进这两种成分之间的界面兼容性和网络稳定。

在这方面，柠檬酸（CA）化合物作为一种多功能交联剂，能够与木质素和CMC中的羟基反应形成酯键[32]、[33]，起着重要作用。通过这种交联机制，CA不仅为复合材料提供了机械稳定性，还引导和调节了亲水性和疏水性领域的分布，从而实现两亲行为。同时，加入银纳米颗粒（AgNP）提供了经过验证的抗菌效果，Ag?离子干扰细菌膜和代谢过程，同时还增强了光学和屏障性能[34]、[35]。此外，还通过引入纳米级光散射效应增强了紫外线屏蔽效果[36]。

除了功能设计外，木质素的来源也非常重要。商业木质素通常来自工业制浆过程，这一过程需要多个纯化步骤，增加了成本并限制了可持续性。商业牛皮纸木质素的碳足迹较大（1.5–2.3 kg CO? eq/kg），因为其回收过程能耗较高[37]，并且由于高多分散性和杂质（硫含量超过1–3%，残留灰分高达4%）而限制了其在生物医学领域的应用[38]。这些过程还需要昂贵的纯化步骤，使得工业级木质素不适用于治疗用途，而高纯度在这里至关重要。另一方面，有机溶剂提取方法可以从锯末中以相对较高的纯度回收木质素，其中含有可用于进一步化学偶联的生物活性功能基团[39]。锯木厂废弃物（锯末）是一种丰富的木质纤维素副产品——全球每年产生超过200万立方米，包括在孟加拉国[40]、[41]——但通常未被充分利用或被丢弃。因此，这种废弃物可以被转化为功能性木质素，从而减轻环境负担，同时为先进材料开发提供丰富、低成本和可持续的原料[42]。尽管前景广阔，但关于使用锯末来源的木质素制备两亲生物薄膜的研究尚未充分展开，尤其是在交联化学和纳米颗粒结合方面的研究。

基于这些考虑，本研究开发了一种由木质素、CMC、柠檬酸和银纳米颗粒组成的多功能两亲生物复合薄膜。本研究旨在探讨通过控制交联和成分设计，是否可以获得具有双重性能的伤口愈合相关材料，即良好的膨胀性、抗菌性、抗氧化性和生物相容性。这些薄膜通过结构、物理化学、生物学和体内研究进行了表征，以评估其作为可持续和有效伤口敷料材料的实用性。

章节片段

材料

木材粉尘（锯末）是从当地锯木厂收集的。本研究中使用的化学品均为分析级，具体如下：无水乙醇（C?H?OH，99.9%）、盐酸（HCl，37%）、醋酸（CH?COOH，100%）、硫酸（H?SO?，98%）、硝酸银（AgNO?）、丙酮（C?H?O）、柠檬酸（C?H?O?）、pH值为4和10的缓冲溶液以及甲醛，均购自德国Sigma-Aldrich公司。山梨醇（C?H??O?）由德国Merck公司提供。羧甲基...

木质素分离产率

在选定的温和有机溶剂条件下从锯末中回收的木质素进行了三次重复实验，以评估提取的可重复性。选择80%乙醇、80°C的提取条件是基于保护木质素结构的策略，而非最大化木质素产率。在有机溶剂提取过程中，木质素的提取产率和结构参数高度依赖于溶剂组成和温度[62]、[63]。

结论

本研究介绍了一种通过溶剂浇铸法制备的可持续木质素基生物复合薄膜，该薄膜使用了来自锯末的木质素、CMC和AgNPs。它全面介绍了这种透明、两亲性生物薄膜的制备和评估，适用于伤口愈合应用。木质素–CMC交联结构赋予的两亲性特性实现了平衡的亲水-疏水界面，有助于保持水分和控制膨胀，这对组织...

伦理批准声明

本研究遵循孟加拉国拉杰沙希大学生物科学研究所动物医学伦理、生物安全和生物防护委员会（IAMEBBC）的机构指南进行，批准编号为（Memo No. 455(13)/320/ IAMEBBC/IBSc）。

未引用参考文献

[105]。

CRediT作者贡献声明

阿希斯·苏特拉达尔·尼塔伊（Ashis Sutradhar Nitai）： 负责撰写、审稿与编辑、可视化、验证、方法学和形式分析。梅德·易卜拉欣·H·蒙达尔（Md.Ibrahim H. Mondal）： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源提供、形式分析以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。