生物可降解聚乳酸抗菌材料的研究進展

尚曉煜 劉曉南 謝錦輝 孫俊卓 張道海*

(1.貴州民族大學化學工程學院,貴州 貴陽,550025；2.貴州醫科大學附屬醫院,貴州 貴陽,550014)

聚乳酸(PLA)作為一種生物可降解材料主要應用于食品包裝以及醫藥方面[1-2]。在金屬納米粒子(Ag、Zn O等)的存在下,PLA可以通過靜電紡絲技術制備抗菌聚合物[3]。但是由于納米粒子的尺寸很小,很容易進入皮膚、肺和大腦,對人體造成不良影響[4],因此無機抗菌復合材料主要應用于食品包裝方面。因PLA在人體內可以分解為乳酸,并最終被分解為CO2和H2O,因此常用于制備生物醫藥材料,可以使用PLA將抗菌抗炎藥物包裹,隨著PLA降解實現藥物的緩釋,也可以將PLA與羥基磷灰石復合制備骨修復材料,通過PLA降解實現人體新骨的自修復。但是,目前生物材料修復骨缺損面臨的一個主要問題是細菌感染。以下主要從PLA/無機抗菌復合材料、PLA/有機抗菌復合材料、抗菌藥物載體和PLA/羥基磷灰石復合材料4個方面,綜述了近年來生物可降解PLA抗菌材料的研究進展。

1 PLA/無機抗菌復合材料

1.1 PLA/納米Ag抗菌復合材料

目前,主要的抗菌金屬是納米Ag,納米Ag對細菌、酵母菌、真菌等都具有較強的抗菌性,其抗菌機理為表面高活性的Ag或Ag離子可使菌體的蛋白酶失活,破壞細胞膜的滲透性,導致細胞死亡[5]。但是由于納米Ag團聚現象導致Ag在聚合物中分散不均勻。因此,需要對Ag或載體進行表面改性處理。Sun Z Y等[6]研究了載Ag的PLA多孔纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。結果表明,多孔結構能促進Ag離子的釋放,增強抗菌效果。因此含Ag離子的PLA多孔纖維可作為生物醫學領域的強抗菌傷口敷料。

1.2 PLA/納米二氧化鈦(nano-Ti O2)抗菌復合材料

nano-Ti O2主要是通過光催化作用來滅菌。尹興等[7]采用溶液流延法制備了nano-Ti O2/PLA抗菌薄膜。當nano-Ti O2質量分數為4.0%時,抗菌薄膜對金黃色葡萄球菌的抑菌率為90.27%。王雪芳等[8]采用靜電紡絲技術制備了Ti O2/PLA復合納米纖維薄膜。研究表明,在光催化條件下,當Ti O2質量分數為1.0%時,纖維薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達到92.90%和92.20%。尹忠琳[9]以異丙醇鈦為原料,采用溶膠-凝膠法制備出PLA/Ti O2抗菌復合薄膜。在紫外光照下,Ti O2質量分數為0.6%時,復合薄膜對大腸桿菌和沙門氏菌的抑制作用最強；Ti O2質量分數為0.4%時,對金黃色葡萄球菌的抑制作用最強。

1.3 PLA/金屬氧化物抗菌復合材料

Ki m I等[10]采用溶液澆鑄法制備了PLA/Zn O抗菌薄膜。其中,Zn O質量分數超過3.0%時,抗菌薄膜對大腸桿菌的生長具有完全抑制作用。帶正電荷的Zn O表面與帶負電荷的細菌膜表面之間強烈相互作用導致了活性氧的產生,最終導致細菌細胞死亡。Swaroop C等[11]采用溶液澆鑄法將PLA與聚乙二醇(PEG)和Mg O納米粒子結合。與純PLA薄膜相比,PEG和Mg O的摻入顯著提高了抗菌效果。研究表明,PLA/PEG/Mg O薄膜處理24 h后約有47%的細菌死亡。

1.4 PLA/石墨烯抗菌復合材料

石墨烯由于其二維納米結構,使其能夠通過穿透或從細胞膜中提取磷脂而破壞細菌[12]。Paulo A等[13]通過熔融共混法制備了PLA/氧化石墨烯(GO)/熱還原GO(Tr GO)復合材料。同時添加GO和Tr GO的PLA復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的黏附和增殖具有抑制作用。研究表明PLA/GO衍生物復合材料在生物醫學領域具有較好的應用前景。

2 PLA/有機抗菌復合材料

2.1 PLA/殼聚糖(CS)抗菌復合材料

CS已經被認為是一種生物相容、生物可降解、低毒性的材料,是藥物輸送系統良好的候選材料,除了在生理條件下具有生物可降解的特性外,CS還具有活性胺基和羥基,這為改性、接枝反應和離子相互作用提供了可能性[14],CS具有良好的交聯結構,可以用于包裹藥物[15]。為了獲得殺菌活性,需要對CS或PLA進行化學改性,以使其疏水性和親水性更接近[16]。Har diansyah A等[17]采用靜電紡絲技術制備PLA/CS納米纖維,當CS與PLA的質量比為4∶1時,PLA納米纖維對大腸桿菌的最低抑菌濃度(MIC)為0.015 g/mL。Li H等[18]采用靜電紡絲技術制備了抗菌PLA/CS復合纖維,復合纖維具有良好的多孔結構,CS納米顆粒均勻分布在整個纖維中,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.40%和99.50%。Gu X H等[19]通過靜電紡絲技術制備PLA/聚碳酸丁二醇酯(PBC)/CS復合薄膜,研究發現,復合薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性較高,并且抗菌活性隨CS增加而顯著增加。

2.2 PLA/其他有機抗菌復合材料

Liu Y W等[20]通過靜電紡絲技術制備PLA/CS/肉桂精油(CEO)纖維,研究表明,該纖維實現了CEO的緩釋,添加CEO可以提高PLA/CS/CEO纖維的抗菌性能,當CS/CEO的體積比為1.5∶1.0時,抗菌效果最好。高琳[21]利用納米纖維素(CNF)吸附竹紅菌素(HA)制備HA/CNF抗菌涂層,并涂覆于等離子體處理的PLA薄膜表面,制備具有優異抗菌性能的HA/CNF/PLA抗菌薄膜。結果表明,在HA質量分數達到0.3%時,抗菌薄膜抑菌率為95.00%。

2.3 PLA/無機/有機抗菌復合材料

天然抗菌因子的抗菌效果要略差于無機抗菌因子[22],因此將無機抗菌因子與有機抗菌因子聯用會使整體的抗菌效果得到提升。Ah med J等[23]通過溶液澆鑄法制備了PLA/PEG/聚己內酯(PCL)/Zn O/丁香精油復合薄膜。研究表明,丁香酚(丁香精油中的活性化合物)與Zn O之間存在協同作用,載有丁香精油的薄膜顯示出顯著的抗微生物活性,這可能是丁香精油在薄膜表面的揮發性物質快速釋放到富含納米粒子薄膜上而造成的。Sonseca A等[24]通過簡單綠色合成方法得到CS介導的Ag納米粒子(Ag CH-NPs),研究表明,與原始基質相比,PLA/低聚乳酸/Ag CH-NPs納米復合材料表現出抗革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌的抗菌活性。Ag殺菌作用和CS陽離子作用相結合的雙重作用機制可能是納米復合材料增強抗菌性能的潛在機制。

3 抗菌藥物載體

PLA因其在人體內可降解,常用作抗菌藥物的載體。Mevl ut B等[25]合成了3種不同的杯芳烴衍生物,并作為宿主分子與客體分子氯霉素(CA M)進行包合。利用靜電紡絲技術成功制備了含CA M包合物的PLA和聚乙烯醇(PVA)納米纖維支架。在納米纖維支架中加入CA M/杯芳烴包合物增加了纖維網對革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌的抗菌性能。此外,還進行了釋放和熱分解試驗,發現PLA基納米纖維支架上的CA M釋放速度慢且持續。因此,兼具CA M緩釋和熱穩定性的抗菌纖維材料有望成為醫學應用的潛在候選材料。陳樂樂等[26]利用靜電紡絲技術制備了氫溴酸高烏甲素/Zn O/PLA/PCL載藥微納米纖維薄膜,研究表明,當Zn O質量分數為10.0%時,復合微納米纖維薄膜具有最佳抗菌性能和良好的藥物緩釋性能。

4 PLA/羥基磷灰石復合材料

人體骨骼的主要成分為羥基磷灰石,因此將PLA與羥基磷灰石復合制備可移植的生物材料被廣泛研究。由于應用在人體上,除了要求材料具有一定的力學性能外,重要是復合材料的抗菌性能。Tan W等[27]采用選擇性激光燒結法制備了聚左旋乳酸(PLLA)/納米羥基磷灰石/二甲雙胍(MET)納米復合支架,該納米復合支架釋藥時間較長,因為MET顆粒包裹在PLLA中,隨著PLLA降解,被包裹的MET顆粒緩慢釋放到體液中。此外,該支架的體外試驗顯示出良好的抑瘤特性。因該納米復合支架具有抑瘤和骨修復雙重功能,為腫瘤誘導骨缺損治療提供了一種有前景的新方法。Li G等[28]首先用多巴胺處理脫膠蠶絲纖維(DSF),并利用聚多巴胺的強還原性將Ag離子還原成Ag納米粒子,制備載有納米Ag顆粒的脫膠蠶絲纖維(ADSF),并制備了具有抗菌性能的ADSF/納米羥基磷灰石/PLA多孔支架,研究發現,該多孔支架具有良好的生物活性、生物相容性和抗菌性能。

5 結語

無機抗菌因子在復合材料中的含量是影響抗菌效果的主要因素,含量過高反而會使抗菌效果減弱。目前,含有無機抗菌因子的復合材料主要應用于包裝材料方面。當加入其他抗菌因子時,不同的抗菌因子發生協同作用會使復合材料的抗菌效果增強,特別是無機抗菌因子與有機抗菌因子的聯用,兩者雙重抗菌機制會使整體的抗菌效果得到提升,互補2種抗菌因子的缺陷,可以在這方面開展進一步的研究。采用3D打印技術、靜電紡絲技術可以避免有毒性試劑的影響,使用這2種制備技術將會成為一種趨勢。抗菌藥物載體的研究可以從丙交酯與藥物聚合入手制備效果更佳的載體,隨著以PLA為抗菌藥物載體的深入研究,將會使抗菌藥物有更廣泛的應用。PLA/羥基磷灰石復合材料作為人工骨的基體,除了達到骨骼所需的力學性能外,重要是PLA的降解速率是否能與新生骨的生長速率一致以及材料的抗菌效果,這2個方面也是限制PLA/羥基磷灰石復合材料應用的主要問題,這也是研究的方向與重點。抗菌藥物載體以及人工骨材料方面將成為PLA抗菌材料的主要研究方向。