抗菌性創傷被覆材用のその場エレクトロスピニングヨウ素ベースの繊維メッシュ

背景

簡単な大規模生産、巨大な表面積対体積比、高い多孔性、および調整可能な内部構造の利点のおかげで[1,2,3,4]、エレクトロスピニングされた繊維メッシュはさまざまな分野で多くの関心を集めています。ろ過[5、6]、医療[7、8、9、10、11、12]、エネルギー[13、14]など。電気紡糸繊維膜は、天然の細胞外マトリックスおよびヒトの臓器のコラーゲン原線維を模倣するナノスケール構造のため、創傷被覆材に適しています[9、11]。その後、紡糸したままのメッシュは、創傷を汚染物質から物理的に保護するだけでなく、感染症だけでなく、ガスの適切な交換を維持し、止血段階を促進し、瘢痕の誘発を回避することにより、皮膚の再生に理想的な環境を提供します[9、11、12]。

何千もの適切なエレクトロスピニング材料の中で、ポリ（ビニルピロリドン）（PVP）とポリ（ビニルブチラール）（PVB）は、優れた生体適合性、非毒性、アルコールへの良好な溶解性などのための2つの重要なポリマーです[15,16,17 、18]。その結果、紡糸されたままのPVPおよびPVB繊維材料が創傷被覆材に広く適用されてきました[18、19、20]。さらに、PVPとヨウ素の組み合わせはPVP-ヨウ素（PVPI）と呼ばれる複合体を形成し、その小さな刺激、低毒性、光害、広域殺菌効果、および微生物の非耐性のために非常に効率的で広く使用されている消毒剤です[21,22,23,24]を長時間使用しても。それにもかかわらず、PVPIは長期使用または複雑な創傷には推奨されません[25]。エレクトロスピニングされたPVP-Iベースの繊維は有用な解決策である可能性があり、いくつかのグループによって報告されています[26、27、28、29、30、31、32、33]。 Ignatova etal。 PVPIまたはPEO / PVP-I溶液を直接エレクトロスピニングするか、PVPおよびPEO / PVPマットを架橋し、ヨウ素蒸気またはヨウ素溶液で処理することにより、PVPIまたはポリ（エチレンオキシド）（PEO）/ PVP-I繊維を調製しました[26]。 Wangは、PVP、ヨウ素、および絶対エタノール溶液をエレクトロスピニングすることによってPVPIナノファイバーを製造し、赤外線スペクトル、ラマンスペクトル、およびX線回折からの紡糸されたままの繊維の特性評価によりPVPI複合体の形成が保証されます[27]。 Uslu etal。ポリ（ビニルアルコール）（PVA）/ PVPI [28]、（ヒドロキシプロピル）メチルセルロース（HPMC）およびアロエベラを含むPVA / PVPI /ポリ（エチレングリコール）（PEG）繊維などの一連のPVPIベースのエレクトロスピニング繊維を報告しています[29]、追加のキトサンとポロキサマー188を含むPVA / PVPIナノファイバー[30]、およびPVA /ポリ（アクリル酸）（PAA）/ PVPIファイバー[31]。これらのPVPI繊維はすべて、創傷被覆材に潜在的な用途を示すことが知られていましたが、主に紡糸したままの繊維/メッシュの形態と熱安定性に焦点を当てていました。 Hong etal。 PLLA / PVPI / TiO ₂ を報告しました エレクトロスピニングとヨウ素蒸気処理による多成分極細繊維不織布[32]。 ＰＶＰＩの存在は、不織布に吸水性、抗菌活性、接着能力、および親水性から非親水性への変換可能な特性を与えることが見出された。 Sebe etal。高速回転紡糸技術により、ポリマー比の異なるPVP /ポリ（ビニルピロリドン-酢酸ビニル）/ヨウ素ナノファイバーを調製しました。詳細な形態素解析を除いて、得られたマットの超分子構造と抗菌活性も調査され、創傷被覆材への応用の可能性が示唆されました[33]。ただし、実際のアプリケーションでは、これらのPVPIエレクトロスピニングファイバーは、事前に設計されたモデルに基づいて製造し、患者の創傷に移植することしかできません。これにより、創傷に2回目の損傷が生じる可能性があります。その場でのエレクトロスピニングはこの問題を解決するかもしれません。

この論文では、携帯型の携帯型エレクトロスピニング装置により、ヨウ素ベースのPVPおよびPVB溶液をその場で繊維メッシュにエレクトロスピニングしました。紡糸されたままのメッシュの形態、疎水性、ガス透過性、および抗菌特性を調べた。さらに、これらの特性に対するヨウ素濃度の影響も調査されました。さらに、その場でエレクトロスピニングされたヨウ素ベースの繊維マットの柔軟性と実現可能性が提示され、創傷被覆材への応用が期待できます。

メソッド/実験

資料

ポリビニルピロリドン（PVP、250 kDa、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。、中国）をエタノール（Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。、中国）に13 wt％で溶解しました。ポリ（ビニルブチラール）（PVB）（100 kDa、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。、中国）を10 wt％のエチルアルコールに溶解しました。ヨウ素（分析試薬、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。、中国）を、それぞれ1 wt％、2 wt％、および5 wt％の濃度でPVP /エタノール溶液に添加しました。ポリ（ビニルピロリドン）-ヨウ素錯体（PVPI、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。、中国）をPVP /エタノールおよびPVB /エタノール溶液にそれぞれ1wt％、2 wt％、および5 wt％で溶解しました。複雑な溶液は、エレクトロスピニングの前に少なくとも24時間、一定の攪拌下で室温で攪拌されました。改変模擬体液（SBF）は、中国のSinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。から購入しました。

エレクトロスピニングプロセス

調製した溶液を、直径0.1mmのノズルを備えた5mLシリンジに入れ、次に示すように、携帯型携帯型エレクトロスピニング装置（HHE-1、青島ジュナダテクノロジー株式会社）にロードしました。図1a。このデバイスの高電圧は約10kV固定です[34、35]。その場でのエレクトロスピニングプロセスの間、最初にデバイスを操作し、次に指で注射器を押すことができる。図1bに示すように、紡糸したままの繊維を製造して、コレクターに堆積させることができます。このデバイスによるエレクトロスピニングジェットは、図1cに示す高速度カメラで捕らえることができます。その場でエレクトロスピニングされた繊維メッシュをさらに調べるために、これらの繊維を8cmの距離でアルミホイルコレクターにその場でエレクトロスピニングしました。収集されたメッシュは、さらなる特性評価のためにアルミホイルから覆われていませんでした。

ハンドヘルドエレクトロスピニング装置（ a ）およびその場でのエレクトロスピニングプロセス（ b ）。エレクトロスピニングジェットは紡糸口金から見ることができます（ c ）

特性評価

紡糸したままの繊維の形態とエネルギー分散型（EDS）を、10 kVの走査型電子顕微鏡（SEM、Phenom ProX、Phenom Scientific Instruments Co.、Ltd。、中国）で調べ、すべてのサンプルを金でコーティングしました。分析前に30秒間。フーリエ変換赤外分光法（FTIR）スペクトルは、Thermo Scientific NicoletiN10分光計によって測定されました。シミュレートされた体液（SBF）の接触角は、2μLのSBF液滴を使用して接触角アナライザー（JY-PHb、中国）によって調べられました。 ASTM D 737規格に基づいて、200 Paの圧力降下下での通気性が通気性テスター（Textest FX3300）によってテストされました。紡糸されたままの繊維メッシュの細孔サイズは、200Paの圧力でPSM165（Germany、Topas GmbH、PSM 165）によって調べられました。紡糸されたままのメッシュの抗菌特性は、 Escherichia coli に対して調査されました。 （ E.coli 、ATCC 10536）および黄色ブドウ球菌 （黄色ブドウ球菌 、ATCC 25923）バクテリア。 Eの細菌細胞。コリ （ATCC 10536）および S。アウレウス （ATCC 25923）は、37°C​​、100rpmのシェーカーで24時間培養しました。

結果と考察

エレクトロスピニングされた繊維の形態

図1に示すHHE-1装置により、調製したPVP / I、PVP / PVPI、およびPVB / PVPI溶液をエレクトロスピニングして繊維にすることができます。繊維としての形態は、図2に示すSEM画像から見つけることができます。SEM画像から、エレクトロスピニングされた繊維は滑らかな表面を示したのに対し、紡糸された繊維の直径は異なる分布を示したことが明らかにわかります。さまざまな材料と濃度の。 SEM画像と表1のデータを包括的に組み合わせると、PVP / I繊維の場合、ヨウ素の濃度が増加するにつれて、紡糸されたままの繊維の平均直径が明らかに減少することが示されます。これは、溶液の導電率が高いためである可能性があります。ヨウ素が追加されると[36]。 PVP / PVPIおよびPVB / PVPIの場合、紡糸されたままの繊維の平均直径は両方とも、PVPIの濃度が高くなるにつれて増加しました。これは、混合溶液の粘度の増加に起因する可能性があります[37]。

紡糸されたままのPVP / I（a1–a4）、PVP / PVPI（b1–b4）、IまたはPVPI濃度が0％、1％、2％、およびそれぞれ5％

EDSおよびFTIR

抗菌特性を達成し、創傷治癒の用途に利益をもたらすために、ヨウ素はエレクトロスピニングされた繊維で重要な役割を果たしました。ヨウ素の存在を確認するために、EDSをフルスペクトル分析のモデルで調べました。図3に示すように、I / PVPIの濃度が高い（たとえば5％）紡糸したままの繊維を選択しました。画像は、主に炭素を除いて、各種類の電界紡糸繊維でそれを示しました（図3（図3） a1）、（b1）、および（c1））およびポリマー中の酸素（図3（a2）、（b2）、および（c2））元素、余分なヨウ素元素も観察されました（図3（a3）、 （b3）、および（c3））。さらに、ＰＶＰ溶液に添加されたヨウ素は、添加されたＰＶＰＩ以外の高濃度のヨウ素を直接示した。 EDS画像にはヨウ素が含まれていますが、図3から明らかなように、ヨウ素の含有量は他の元素に比べて少ないことがわかります。図4のFTIRスペクトルからも同じ結論を得ることができます。

紡糸されたままのPVP / I（a–a3）、PVP / PVPI（b–b3）、5％I / PVPIドーピングのPVB / PVPI（c–c3）ファイバーのEDS画像のさまざまな要素

紡糸したままの繊維PVP / IのFTIRスペクトル（ a ）、PVP / PVPI（ b ）、PVB / PVPI（ c ）

図4a–cは、さまざまな添加濃度でさまざまな濃度の紡糸されたままの繊維のFTIRスペクトルを示しています。図4からわかるように、ヨウ素またはPVPIを追加しても、ポリマーの化学構造は明らかに変化しません。これは、少量の追加が原因である可能性があります。変更されていないポリマーはまた、他の不確実性なしに、創傷治癒のためのポリマーの安定性を保証しました。

濡れ性

さらに、理想的な創傷被覆材には、創傷の水分補給の維持や過剰な創傷滲出液の吸収など、設計された創傷被覆材の湿潤性が必要となる可能性のあるいくつかの利点が含まれるべきであると考えられていました[5、7、8、9]。したがって、SBF接触角を測定することにより、紡糸したままの繊維メッシュの親水性も調べました。図5に示すように、3種類のエレクトロスピニングされた繊維膜はすべて、ヨウ素とPVPIの濃度が高くなるにつれて良好な親水性を示しました。 PVPベースのメッシュの場合、ポリマーの親水性により、エレクトロスピニングされた繊維メッシュも小さなSBF接触角を確立し、図5（a–a3）および（に示すように、PVP / Iの角度は19.5°に増加しました。 b–b3）。 SBF接触角の増加は、これらのメッシュの表面粗さの増加に起因する可能性があります。ただし、PVBベースのメッシュの場合は異なります。私たちの以前の研究では、エレクトロスピニングされたPVB繊維メッシュは、その不均等な構造のために疎水性を示すことが指摘されていました[38]。 PVPIがない場合、PVBエレクトロスピニングメッシュは、図5（c）に見られるのと同様の接触角の場合を示しました。 ＰＶＰＩがＰＶＢにドープされると、ＳＢＦ接触角は減少し、ＰＶＰＩが２％を超えると急速にゼロになり、これは、ＰＶＰＩが紡糸されたままの繊維メッシュの親水性を増加させたことを示した。これらの繊維メッシュの優れた親水性により、過剰な創傷滲出液を吸収する能力が確保され、創傷被覆材の用途に有益になります。

異なるヨウ素/ PVPI濃度の紡糸されたままの繊維PVP / I（a–a3）、PVP / PVPI（b–b3）、PVB / PVPI（c–c3）のSBF接触試験

通気性

理想的な創傷被覆材はまた、創傷治癒のための良好な環境を提供するために良好な通気性を必要とします[9、11、12、13]。ここでは、表2に示すように、これらの種類のヨウ素をドープした繊維メッシュの通気性も調査しました。表2に示すように、PVPでのヨウ素のドーピングが増えると、通気性も59.92から324.3 mm s ^-1 、これは直径の減少と多孔性の増加に起因する可能性がありますが、PVPとPVBにPVPIをドープした繊維メッシュの通気性は明らかに傾向を示していません。それにもかかわらず、5％ドーピングのものは、純粋なポリマーよりも優れたガス透過性を示します。比較のために、市場から購入した2つの従来の創傷被覆材（TWD）の通気性もテストしました。設計されたエレクトロスピニングされた繊維性創傷被覆材は、市販のものよりも優れた通気性を確立することは明らかです。

通気性をさらに調べるために、回転したままのメッシュの細孔サイズと細孔分布をテストしました。表3に示すように、回転したままのメッシュの平均細孔径を示しました。一般に、表2のデータと比較して、平均細孔径が大きいほど通気性が高くなります。さらに、紡糸したままの繊維メッシュの細孔径は主に均一であり、平均サイズで最大の部分があります。追加ファイル1にあります：図S1。これらのエレクトロスピニングされたメッシュの細孔サイズは1.936〜9.152μmの範囲であり、ヒト組織細胞のサイズと一致しており、創傷治癒に有益です。ただし、機器の精度が原因で、TWDの細孔サイズが小さすぎてテストできず、通気性が低下する可能性があります。

抗菌作用

理想的な創傷被覆材のもう1つの要件は、創傷感染を予防および治療するための無菌および抗生物質ですらあります[11、12、13]。この研究では、ヨウ素とPVPIのドーピングがそれを達成するのに当然です。紡糸されたままの繊維メッシュの抗菌活性は、 Eなどの典型的な病原性細菌に対して評価された。コリ および S。アウレウス 、図6に示すように。図6から、純粋なPVPまた​​はPVBでは静菌性の円が形成されていないことがわかります。ヨウ素またはPVPIがポリマーにドープされると、紡糸されたままの繊維膜は、24時間間隔で2つの細菌株に対して明らかな阻害ゾーンを示しました。さらに、ヨウ素をドープしたＰＶＰは、両方のＥに対して最良の抗菌特性を示した。コリ および S。アウレウス 、PVPIをドープしたPVPが2位になり、PVB / PVPIが最後になります。優れた抗菌特性により、ヨウ素ベースのエレクトロスピニングされた繊維メッシュを、創傷の細菌感染に対する創傷治癒に使用できることが保証されました。さらに、追加の抗菌剤の濃度が高いほど、メッシュの抗菌特性が向上することが期待できます。その結果、溶液にヨウ素またはPVPIを追加することで、より優れた抗菌特性を簡単に得ることができます。

Eに対する紡糸されたままの膜の抗菌活性。コリ および S。アウレウス

InSituアプリケーション

その場での創傷被覆材は、創傷床のしわや溝のない適合性、適用の容易さ、および患者のコンプライアンスと快適さの改善などの追加の優位性により、効率に役立つと考えられています[39]。したがって、insituエレクトロスピニングは、創傷のサイズや深さに関係なく、患者の病変に直接組織修復や創傷治癒の適切な代替品を作成するための有用な概念と見なされています[18、34、35、40、41]。図7a、bに示すように、ヨウ素ベースの繊維メッシュは、HHE-1デバイスによって「負傷した手」にその場でエレクトロスピニングされ、皮膚の2番目の層のように皮膚の表面に薄膜を形成します。静電引力に。エレクトロスピニングされたPVP-I繊維膜は、優れた柔軟性とコンパクトさを示し、必要に応じて簡単に取り外すことができます（図7c、dを参照）。 PVP-I創傷被覆材のinsituエレクトロスピニングのより鮮明な詳細は、追加ファイル1：ビデオS1とS2および図S2にあります。

ハンドヘルド装置とヨウ素ベースのエレクトロスピニング繊維マットのその場での応用。 HHE-1により、「負傷した手」に簡単にその場でエレクトロスピニングされたヨウ素ベースのPVP / Iメッシュを作成できます（ a – b ）、エレクトロスピニングされたマットは「創傷床」から簡単に取り外すことができます（ c – d ）

結論

要約すると、ハンドヘルドエレクトロスピニング装置によって、その場でエレクトロスピニングされたPVP / I、PVP / PVPI、およびPVB / PVPIを繊維膜に入れました。これらのエレクトロスピニングされたメッシュは、ヨウ素またはPVPIをドープすると、均一な直径と優れた耐水性を示します。さらに、ブレンドPVP / I、PVP / PVPI、およびPVB / PVPIエレクトロスピニングメッシュの優れた通気性により、創傷被覆材への適用が保証されます。ヨウ素とその複合体の濃度の増加は、これらのメッシュの抗菌特性を促進し、創傷被覆材としての効果を向上させます。さらに、その場でのエレクトロスピニングは、エレクトロスピニングプロセスと、創傷治癒のための紡糸されたままの繊維メッシュにも役立ちます。

略語

E。コリ ：

大腸菌

EDS：

エネルギー分散型システム

FTIR：

フーリエ変換赤外分光法

HPMC：

（ヒドロキシプロピル）メチルセルロース

PAA：

ポリ（アクリル酸）

PEG：

ポリ（エチレングリコール）

PEO：

ポリ（エチレンオキシド）

PVA：

ポリ（ビニルアルコール）

PVB：

ポリ（ビニルブチラール）

PVP：

ポリ（ビニルピロリドン）

PVP / I：

ポリ（ビニルピロリドン）/ヨウ素

PVPI：

ポリ（ビニルピロリドン）-ヨウ素

S。アウレウス ：

黄色ブドウ球菌

SEM：

走査型電子顕微鏡

WCA：

水接触角（WCA）