Development of Antimicrobial Chitosan-Silver and Chitosan-Gold Nanocomposite Films by 3D Printing for Skin Application → 基于3D打印技术用于皮肤应用的抗菌壳聚糖-银与壳聚糖-金纳米复合膜开发

《ACS Omega》：Development of Antimicrobial Chitosan-Silver and Chitosan-Gold Nanocomposite Films by 3D Printing for Skin Application

　　

银（AgNP）与金（AuNP）纳米颗粒因独特性质和强抗菌效应在纳米医学中备受关注；然而，将其配制成既能保持生物活性又能控制纳米颗粒暴露的皮表应用体系仍具挑战。研究人员采用半固态挤出（SSE）3D打印技术，将载有AgNP或AuNP的壳聚糖（chitosan）纳米复合水凝胶制作为可个性化设计的局部抗菌薄膜。AgNP与AuNP具有相近纳米尺寸（11.83±3.74 nm与11.67±1.96 nm），可均匀嵌入壳聚糖基质。所得墨水呈皮表兼容pH（>4.0），并具有明显触变性，黏度恢复率>90%，满足3D打印要求。纳米颗粒掺入可调控溶胀、力学行为与生物黏附性。功能上，载AgNP薄膜对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和白色念珠菌（Candida albicans）广谱抗菌活性最强。猪皮离体（ex vivo）研究表明，游离纳米颗粒仅见于角质层，而3D打印薄膜施用后未检出金属，说明壳聚糖基质可有效限域纳米颗粒。上述结果将3D打印壳聚糖-纳米颗粒薄膜定位为感染皮肤创面可定制抗菌敷膜的有前景平台。

论文解读：基于3D打印的壳聚糖-银/金纳米复合抗菌皮肤敷膜研究

研究背景方面，皮肤作为人体最大器官承担屏障功能，创面治疗需敷膜止血、吸渗、防感染。随着微生物耐药上升，广谱抗菌剂需求增加。金属纳米颗粒如银纳米颗粒（AgNP，silver nanoparticles）、金纳米颗粒（AuNP，gold nanoparticles）具备尺寸依赖的抗菌机制，可同时破坏膜完整性、作用于蛋白与DNA、诱导氧化应激并抑制代谢，从而降低耐药风险。然而游离金属纳米颗粒胶体稳定性差，可经细胞间或毛囊途径穿透皮肤，存在细胞毒性及体内积累隐患。将纳米颗粒封装于聚合物基质既能稳定分散，又能实现局部抗菌并减少透皮释放。壳聚糖（chitosan，源自甲壳素的天然多糖）具有生物相容、可降解和固有弱抗菌性，但其活性在中性或碱性下降。3D打印中的半固态挤出（SSE，semisolid extrusion）可在温和条件下处理高黏水凝胶墨水，实现按需定制几何与载药量；但同一壳聚糖体系中AgNP与AuNP的打印性、理化、黏附、抗菌及透皮行为比较仍有限。该研究发表于《ACS Omega》，旨在同一配方与工艺框架下比较CS/AgNP与CS/AuNP体系。

主要关键技术方法上，研究人员以猪耳皮肤作为离体膜模型开展Franz cell透皮实验；采用STEM/TEM表征纳米颗粒形貌与粒径，ζ电位分析胶体稳定性；以流变学评估屈服应力、储能模量（G′）、损耗模量（G″）与触变恢复；用SSE生物打印机将6%壳聚糖水凝胶打印为20 mm×20 mm×1 mm薄膜；以SEM、PIXE与μ-PIXE确认元素组成与纳米颗粒分布；通过拉伸、溶胀、相对质量与干质量损失评价水环境行为；以猪皮生物黏附测试及针对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌的 broth 微孔培养评估抗菌与黏附性能。

3.1. Silver and Gold Nanoparticle Characterization

研究人员通过UV–vis确认AgNP表面等离子共振（SPR）带402 nm、AuNP为525 nm；STEM/TEM显示两者球形，TEM粒径约11.8 nm与11.7 nm，ζ电位均>+55 mV，表明壳聚糖稳定下胶体分散良好。

3.2. Hydrogel Nanocomposite Characterization

水凝胶加NaOH后pH调至约4.1，贴合皮肤酸度且保留壳聚糖阳离子抗菌性。CS/AuNP复数黏度显著升高至1830 Pa·s，所有体系G′>G″且tan δ<1，表现为以弹性为主凝胶；五段应变循环后黏度恢复逾93%，证明SSE所需剪切变稀与沉积后结构恢复。

3.3. 3D-Printed Film Characterization

打印 fidelity 长/宽/高均近或超95%–104%，干重约0.18–0.19 g，薄膜SPR红移至417 nm与533 nm；SEM背散射见银/金为亮点的均匀分散，μ-PIXE证实1 mm²区域内金属分布广泛。水中溶胀由CS的156.0%降至CS/AgNP 54.1%与CS/AuNP 53.5%，源于纳米颗粒与壳聚糖—NH₃⁺、—OH相互作用限制链迁移；干质量损失三组无显著差异。TGA显示150 °C前失重25%–27%为水分，薄膜在此温度前热稳定。

Biological Characterization

生物黏附实验显示纳米复合膜对猪耳皮肤有黏附功与峰值力；抗菌培养中CS/AgNP对三种微生物对数存活量降低最显著，CS/AuNP活性较弱但优于空白CS。Franz cell离体实验中，游离AgNP/AuNP可进入角质层，而CS/AgNP与CS/AuNP薄膜施用后受体液与皮内均未检出Ag/Au，证明壳聚糖基质限域纳米颗粒、降低透皮暴露。

讨论与结论部分总结：研究人员指出，SSE打印的壳聚糖纳米复合膜兼具皮表兼容pH、可打印流变、均匀金属分散与广谱抗菌；AgNP体系抗菌更强，AuNP体系流变更复杂且安全谱更受关注。同一框架下比较弥补了可打印壳聚糖敷膜中Ag与Au数据缺失。结论为：半固态挤出3D打印可制造含AgNP或AuNP的壳聚糖薄膜；载AgNP薄膜对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和白色念珠菌呈现最强广谱活性；猪皮ex vivo研究表明游离纳米颗粒仅存于角质层，而3D打印薄膜施用后未检测到金属，支持壳聚糖基质对纳米颗粒的有效限域。这些结果将3D打印壳聚糖-纳米颗粒薄膜定位为感染皮肤创面可定制化抗菌敷膜的有前景平台。