陈景、朱锦等在抗菌型木质素基聚氨酯泡沫敷料方面取得新进展

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皮肤创面是由各种原因引起的皮肤组织受损以及屏障功能破坏，由此还会引发局部甚至全身性生理及病理性改变。细菌感染是造成创面长期不愈的重要原因之一，患者常常出现伤口疼痛、肿胀、甚至化脓。据统计，每年有数百万人正遭受各类急性或慢性创面疾病的折磨，治疗费用高达960亿美元，已经成为临床面临的棘手难题。尽管抗生素已被普遍用于治疗伤口感染，但是多药耐药菌的流行与威胁限制了创面局部抗菌药物的使用，迫切需要开发具有长效本征抑菌功能的创面敷料材料。
　　近期中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子与复合材料实验室生物基高分子团队在陈景研究员和朱锦研究员的带领下，联合所属医工所陈静研究员开展协同创新，提出了一种简便的一步发泡法制备木质素基聚氨酯泡沫（LPUFs）敷料的新方式。该制备方法采用全生物基聚醚多元醇部分取代了传统的石油基原料，以液化木质素中痕量的酚羟基（约4mmol）作为银离子（小于0.3mmol）的直接还原剂和封盖剂，实现了在LPUF骨架内原位形成银纳米粒子（Ag NPs）。这种新提出的木质素聚氨酯/银复合泡沫（命名为Ag NP-LPUF）具有优异机械性能、热稳定能和抗菌性能。值得一提的是，Ag NP-LPUF对大肠杆菌（1h内）和金黄色葡萄球菌（4h内）的抑菌率均超过99%。将这种抗菌复合泡沫用于治疗小鼠模型全层皮肤缺损，观察到了其能显著促进创面愈合的效果。这种基于生物质资源的新型抗菌敷料制备工艺简便、高效，适合规模化工业生产，且其抑菌效应不依赖抗生素的使用，与商用聚氨酯膜敷料相比（TegadermTM），缩短了创面愈合时间，展现出重要的临床转化和应用前景（图1）。

图1 用于修复皮肤创面的Ag NP-LPUF复合泡沫材料的制备示意图

图2 PUFs的结构和性能表征

图3 PUFs的抗菌性能。分别在1h、2h、4h和8h对（a、c）大肠杆菌和（b、d）金黄色葡萄球菌的照片和相对菌活性

图4 小鼠伤口闭合评估

　　通过与聚氨酯泡沫（PUF）的对比发现，孔隙在泡沫体中呈均匀分布，具有相互贯通的开放孔形态，有利于血液和组织渗出物的快速吸收，促进伤口愈合。此外，液化木质素多元醇与聚氨酯（PU）基体具有良好的界面相容性。对于Ag NP-LPUF样品，随着原料硝酸银溶液浓度的增加，其孔径略有减小。一方面，Ag NPs在发泡过程中可以作为额外的成核位点，导致气泡尺寸减小，因此，复合材料中纳米填料数量的增加可能会导致材料的孔径减小。另一方面，在聚氨酯泡沫的制备过程中，水（作为发泡剂）的用量对多孔形态也有重要影响（图2）。
　　研究人员采用体外平板计数法评价PUF的抑菌活性。与空白组和PUF组相比，复合泡沫逐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过99% （图3），分析其抑菌活性的原因除了银纳米粒子外，木质素的酚基、甲氧基的侧链结构和共轭双键等也有抑菌作用。
　　对不同时间的皮肤组织标本进行组织学分析，如图4所示，各组再生区均出现不同程度的肉芽组织。在第10天，PUF组几乎覆盖了一层完整的表皮，而Tegaderm膜组仍有较大的未闭合伤口。在第21天，泡沫敷料组观察到了血管和毛囊生成，尤其是LPUF-7.5Ag组，愈合过程加快，创面再生组织与正常组织相似。与之相比，Tegaderm膜组则没有观察到血管和毛囊生成。
　　该研究以“Antimicrobial Lignin-Based Polyurethane/Ag Composite Foams for Improving Wound Healing”为题，发表在生物大分子领域国际著名期刊Biomacromolecules, 2022, DOI: 10.1021/acs.biomac.1c01465，并被选为新一期封面文章。该论文第一作者是硕士生李淑琪和张延生，清华大学危岩教授对该研究提供了重要支持。该研究得到了国家重点研发计划项目（2017YFE0102300）、国家自然科学基金（51803227）、宁波市科技创新2025重大专项（2019B10063）、浙江省自然科学基金（LQ19E030009）等项目，以及医用植介入材料浙江省工程研究中心、浙江省生物医学材料技术与应用国际科技合作基地的资助。
       文章来源：宁波材料所
        朱 锦，博士，宁波材料所研究员，博士生导师，中科院“百人计划”终期优秀者，浙江省新世纪“151”人才计划重点资助获得者，2014年获全国优秀科技工作者，2013年浙江省“十佳优秀科技工作者”， 曾获宁波市优秀回国留学人员、有突出贡献专家和优秀科技工作者。现任中国科学院宁波工业技术研究院（筹）院长助理、材料技术所所长，中国塑料加工工业协会工程塑料专业委员会理事长，中国化学会高分子学科委员会委员，中国科学院宁波材料技术与工程研究所科学技术委员会副主任。1991年曲阜师大获学士学位，1994年中科院化学研究所获硕士学位。2001年于美国Marquette 大学获得博士学位，2001-2003年在美国Cornell 大学做博士后，其后曾任职于美国多家公司。2009年8月回国后成立生物基高分子材料研究团队。回国后开发的“大豆基无醛木材胶黏剂技术”实现技术转移，转移费1088万元，产品已应用到大自然地板（Nature APG活性大豆胶地板）、德尔地板（Der无醛添加地板）等国内知名地板上，引领国内人造板行业的“无醛化”趋势。开发的“耐热聚乳酸淀粉复合材料技术”，也实现转移，转移费1500万元，其产品已获得美国、欧洲等国家进行认证。已发表研究论文80 多篇, 已被他引超过2600多次，单篇最高引用570次。已获得授权中国专利26项，美国专利6项，共申请中国和美国专利共77项。
    陈景，女，博士，研究员，硕士生导师。2008年博士毕业于南京东南大学化学化工学院，2008-2010年期间在中国科学院化学研究所从事博士后研究工作，2010年7月来所工作，主要从事生物基聚氨酯弹性体及发泡材料的设计合成、改性应用及纤维素衍生化、功能改性等研究。已在Chemical Communications，Langmuir，Applied Surface Science，New Journal of Chemistry等期刊杂志上发表40余篇学术论文，其中一作（含通讯作者）SCI 收录20篇，他引300多次。申请国家发明专利18项，授权14项，申请PCT专利2项。入选宁波市领军和拔尖人才培养工程第三层次。主持包括科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、省市基金项目等多个项目。作为学术骨干，参与包括国家自然科学基金、宁波市创新团队及科技部国际合作项目等。