一种简便有效的方法制备κ-卡拉胶/聚乙烯醇水凝胶作为潜在伤口敷料

《Scientific Reports》：A facile and effective approach to prepare К-carrageenan / polyvinyl alcohol hydrogel as a potential wound dressing

　　

由于κ-卡拉胶（КC）可被钾离子交联，而聚乙烯醇（PVA）可被硼酸根阴离子交联，本研究旨在使用四硼酸钾四水合物（PTB）作为交联剂，一步交联КC/PVA共混物，以形成КC/PVA/PTB水凝胶。研究人员研究了影响该共混物交联的因素，如PTB浓度、在PTB水溶液中的浸泡时间、КC/PVA重量比以及交联剂类型。结果表明，制备КC/PVA/PTB凝胶的最佳条件为：КC/PVA重量比为1，PTB浓度为4%，浸泡时间为8小时。在硼酸、氯化钾、硼砂和PTB作为КC/PVA（50/50）基质的潜在交联剂中，后者即PTB实现了最高的交联程度，并制备出具有优异液体保持能力（1020%）和高凝胶分数（98.6%）的КC/PVA/PTB凝胶。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了所形成КC/PVA/PTB凝胶的化学结构。研究人员通过用含或不含姜黄素或银纳米颗粒（Ag-NPs）作为生物添加剂的КC/PVA（50/50）基质处理非织造棉织物样品，随后用PTB进行交联，研究了КC/PVA/PTB凝胶作为伤口敷料的潜在应用。所制备的敷料表现出优异的抗菌活性以及显著的机械性能，体现在良好的拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量、刚度、透气性和孔隙率。此外，处理后的织物表现出中等细胞毒性。通过紫外-可见光谱（UV–Vis）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析评估了所制备的Ag-NPs，同时使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析对所制备的敷料进行了表征。

研究背景与问题：卡拉胶（Carrageenans）是从红藻中提取的无毒水溶性硫酸化多糖，因其增稠、悬浮和胶凝特性在食品、医疗等领域广泛应用。其中κ-卡拉胶（КC）在加热水溶液中呈无规卷曲，降温后转化为双螺旋结构，并通过与钾离子（K⁺）形成离子键而交联成强凝胶。然而，卡拉胶的高亲水性、低机械强度及反应性限制了其应用，通常需与其他聚合物共混改性。聚乙烯醇（PVA）是一种线性水溶性合成聚合物，具有优良的成膜性和水溶性，可通过硼酸根阴离子（如硼砂）交联形成凝胶，其反应涉及单二醇和二醇络合物。以往制备КC/PVA水凝胶的方法多采用两种交联剂（如K⁺和硼酸盐）或反复冻融等物理方法，步骤复杂且能耗高。本研究旨在利用四硼酸钾四水合物（PTB）作为单一盐，一步同时交联КC和PVA，简化工艺，并评估其作为伤口敷料的潜力。论文发表在《Scientific Reports》。

关键技术方法：研究人员采用溶液浇铸法制备不同比例的КC/PVA薄膜，随后浸入PTB水溶液中进行交联，优化了PTB浓度、浸泡时间和КC/PVA重量比。通过溶胀度（SW）和凝胶分数（GF）评估交联程度，利用Peleg模型分析溶胀动力学。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征化学结构。银纳米颗粒（Ag-NPs）通过化学还原法（柠檬酸三钠还原硝酸银）制备，并用紫外-可见光谱（UV-Vis）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表征。将最佳КC/PVA/PTB配方（含或不含姜黄素或Ag-NPs）通过浸轧法处理非织造棉织物，测试其力学性能（拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量、刚度）、透气性、孔隙率、抗菌活性（菌落形成法，CFU）及对人新生儿正常真皮成纤维细胞（HDFn）的细胞毒性（MTT法）。用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析敷料形貌和元素组成。所有实验重复至少三次，显著性水平p≤0.05。

研究结果：
- **PTB浓度的影响**：随着PTB浓度从0.5%增至4%，溶胀度逐渐下降，凝胶分数逐渐升高，表明K⁺与КC硫酸基团、[B₄O₇(OH)₄]²⁺阴离子与PVA链的交联增强，形成致密凝胶。浓度继续增至6%时，性能变化趋于平缓。
- **КC/PVA重量比的影响**：降低КC比例（从100%降至75%）使溶胀度增加，凝胶分数略有下降。在50%КC时，溶胀度显著增加，凝胶分数略有降低，归因于PVA分子阻碍КC与K⁺交联。在25%КC时，凝胶分数大幅下降至72%，因PVA与硼酸根主要形成单二醇而非二醇络合物，且K⁺过量可能破坏分子间氢键。
- **浸泡时间的影响**：通过Peleg模型分析溶胀动力学，显示初始快速溶胀后逐渐达到平衡。凝胶分数随浸泡时间延长至8小时持续增加，表明交联网络密度优化；继续浸泡至24小时，凝胶分数略有下降，可能因结构松弛或松散聚合物溶解。最佳浸泡时间为8小时，所得凝胶溶胀度为1020%，凝胶分数为98.8%。
- **交联剂类型的影响**：比较硼酸、氯化钾、硼砂和PTB四种交联剂，PTB交联的КC/PVA基质具有最高的溶胀度和凝胶分数。溶胀度顺序：PTB > 硼酸 > 氯化钾 > 硼砂；凝胶分数顺序：PTB > 氯化钾 > 硼酸 > 硼砂。差异源于金属类型、阴离子性质、解离速率及交联反应的分布等。
- **FTIR分析**：КC/PVA/PTB凝胶的FTIR谱图中，-OH峰强度显著降低（3.6%），表明PVA羟基参与形成二醇络合物；出现1318 cm^-1峰（四配位硼-氧振动），证实交联成功。
- **Ag-NPs表征**：UV-Vis光谱在430 nm处出现窄吸收峰，证实Ag⁺还原为Ag⁰；TEM显示颗粒呈圆形，尺寸<21 nm；XRD出现四个布拉格反射峰（37.94°、43.98°、64.32°、76.97°），对应面心立方银的(111)、(200)、(220)、(311)晶面。
- **敷料性能**：随着КC比例降低，敷料的溶胀度、孔径和透气性增加，而凝胶分数、拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量、孔隙率和刚度下降，这与КC和PVA的结构差异有关。加入姜黄素提高了凝胶分数但降低了溶胀度（因疏水性和氢键增强）；加入Ag-NPs同时降低了凝胶分数和溶胀度（因Ag-NPs削弱氢键）。抗菌测试显示，КC/PVA/PTB敷料对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有抗菌活性（源于硼酸盐）；加入Ag-NPs后抗菌活性显著提升，归因于Ag⁺使细菌DNA失活及产生活性氧；加入姜黄素也显著提升抗菌活性，因姜黄素作为酚类化合物从凝胶基质中释放。细胞毒性测试（MTT）显示，三种敷料（КC/PVA/PTB、含Ag-NPs、含姜黄素）均使HDFn细胞活力降低，细胞毒性范围为33%–47.1%，呈中等毒性。SEM显示敷料在非织造棉织物上形成均匀涂层；EDX证实含Ag-NPs的敷料中含有碳、氧、硫、钾和银元素（银含量0.94% w/w）。

总结与结论：本研究成功开发了一种使用单一盐PTB一步交联КC/PVA共混物的简便方法，优化条件为КC/PVA重量比1、PTB浓度4%、浸泡时间8小时。所得水凝胶具有高液体保持能力（1020%）和高凝胶分数（98.6%）。PTB优于其他交联剂。将含姜黄素或Ag-NPs的КC/PVA/PTB配方应用于非织造棉织物，制备的伤口敷料表现出优异的抗菌活性和良好的机械性能，同时具有中等细胞毒性。该研究为制备多功能伤口敷料提供了一种经济、环保的有效途径。结论原文翻译：制备КC/PVA凝胶的理想条件是：КC/PVA重量比1，PTB浓度4%，КC/PVA共混物在PTB中的浸泡时间8小时。在最佳条件下，КC/PVA/PTB水凝胶的液体保持能力为1020%，凝胶分数为98.6%。在硼酸、氯化钾、硼砂和PTB作为КC/PVA基质交联剂中，PTB实现了最高的交联程度，表现为所形成КC/PVA/PTB凝胶具有优异的液体保持能力和凝胶分数。通过FTIR分析证实了КC/PVA/PTB交联膜的化学结构。用含有姜黄素或银纳米颗粒（Ag-NPs）的КC/PVA（50/50）基质处理非织造棉织物，随后用PTB交联，赋予了处理后的织物样品优异的抗菌活性。通过UV-Vis、TEM和XRD分析评估了所制备的Ag-NPs。处理后的织物表现出中等细胞毒性。通过SEM对所制备的敷料进行了表征。含Ag-NPs敷料的EDX分析证实了Ag-NPs存在于该敷料上，银含量为0.94%（w/w）。