Doppelter antibakterieller Effekt von in situ elektrogesponnenen Curcumin-Komposit-Nanofasern zur Sterilisation arzneimittelresistenter Bakterien

Hintergrund

Eine bakterielle Infektion ohne rechtzeitige Behandlung führt zu einer Septikämie, und eine Sepsis gefährdet somit Leben und Gesundheit ernsthaft [1,2,3]. Obwohl Antibiotika Bakterien abtöten können, führt die langfristige Anwendung von Antibiotika zur Entwicklung arzneimittelresistenter Bakterien wie Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) [4,5,6]. MRSA ist als eine Art multiresistenter Bakterien eines der häufigsten Bakterien, die Wundinfektionen verursachen [7]. In dieser Situation ist es notwendig, Strategien zu finden, um Bakterien sicher abzutöten, ohne Resistenzen zu entwickeln. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die photodynamische Therapie (PDT) eine wirksame Sterilisationsmethode ist [8,9,10,11]. Die meisten Photosensibilisatoren für die PDT erfordern jedoch eine Anregung mit ultraviolettem Licht oder einer kurzen Wellenlänge [12, 13]. Da die Eindringtiefe von Licht in den Organismus von der Wellenlänge abhängt, ist die Eindringtiefe von ultraviolettem Licht und sichtbarem Licht gering, während die Eindringtiefe von Nahinfrarot (NIR)-Licht relativ tief ist. Schlimmer noch, ultraviolettes Licht und kurzwelliges Licht werden menschliches Gewebe ernsthaft verbrennen. Um sichere und antibakterielle Behandlungen im tiefen Gewebe zu erreichen, ist die Entwicklung von Photosensibilisatoren, die durch NIR-Licht angeregt werden, eine Nachfrage und ein Trend. Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) können NIR-Licht in kurzwelliges Licht umwandeln [14, 15]. Aufgrund dieser Eigenschaft können Photosensibilisatoren so konstruiert werden, dass sie mit Aufwärtskonvertierung kombiniert werden, um eine NIR-Anregung zu erreichen. UCNPs werden als Wellenlängenumwandlungsstation verwendet, die NIR-Licht in kurze Wellenlänge umwandelt, um die Photosensibilisatoren anzuregen und Singulett-Sauerstoff zu produzieren ( ¹ O₂ ) [16,17,18,19]. Allerdings haben frühere Studien die meisten zur Herstellung von mit Photosensibilisatoren beschichteten Nanopartikel-Strukturen durchgeführt. Photosensibilisatoren, die auf der äußersten Nanopartikelschicht nackt sind, fallen leicht ab [20, 21] und haben aufgrund des direkten Kontakts auch einige Nebenwirkungen auf biologisches Gewebe, wie z. B. die Hemmung des Gewebekollagenwachstums [22, 23]. Tatsächlich können Photosensibilisatoren eine Sterilisation aufgrund ihrer Produktion von Singulett-Sauerstoff erreichen, was bedeutet, dass Photosensibilisatoren nicht direkt mit Bakterien oder biologischem Gewebe in Kontakt kommen müssen. Daher können wir einen Abstandshalter entwickeln, um Photosensibilisatoren von biologischem Gewebe zu trennen, um mögliche Nebenwirkungen zu vermeiden.

Elektrospinnen ist eine schnelle und effiziente Methode zur Herstellung von Nanofasern, einschließlich organischer und anorganischer Nanofasern [24,25,26,27,28]. Während des Herstellungsprozesses von Nanofasern lassen sich Nanopartikel leicht mit Fasern kombinieren, um zusammengesetzte Nanofasern zu bilden. Es gibt hauptsächlich zwei Methoden, um zusammengesetzte Nanofasern zu bilden. Zum einen dotiert man Partikel innerhalb der Nanofasern [29], zum anderen lädt man Partikel auf die Oberflächen der Nanofasern [30, 31]. In Anbetracht des Zwecks der Trennung von Photosensibilisatoren von biologischen Geweben ist die Einarbeitung von Photosensibilisatoren in die Nanofasern im Vergleich zu Photosensibilisatoren, die auf die Faseroberflächen geladen werden, die leicht abfallen, vorzuziehen. Wenn Nanofasern jedoch hydrophob sind und nicht infiltrieren können, ist der Singulett-Sauerstoff schwer zu produzieren und an die Faseroberflächen abzugeben, wodurch eine antibakterielle Eigenschaft erreicht wird [32]. Hydrophile Nanofasern sind jedoch leicht aufzulösen, wenn sie durch interstitielle Flüssigkeit verunreinigt sind. Daher ist es notwendig, NIR-Photosensibilisatoren mit Nanofasern zu kombinieren und sicherzustellen, dass die photodynamischen Nanofasern Bakterien, insbesondere arzneimittelresistente Bakterien, effektiv abtöten können.

In dieser Studie wird Curcumin aufgrund seiner breiten Quellen aus Organismenextrakten als Photosensibilisatoren verwendet. Die Kern-Schale-Nanostruktur von UCNPs wird als Wellenlängenübertragungsstation verwendet und zeigt eine hohe Umwandlungseffizienz zur Herstellung von ¹ O₂ . Die UCNPs@Curcumin-Komposit-Nanofasern werden durch in-situ-Elektrospinnverfahren über eine selbstgebaute Elektrospinnvorrichtung hergestellt. Die Haftung der mit diesem Verfahren erhaltenen Verbundnanofasern auf verschiedenen biologischen Oberflächen ist besser als bei der herkömmlichen Elektrospinn-Herstellungsmethode. Bei 808-nm-Bestrahlung können diese zusammengesetzten Nanofasern effektiv ¹ . produzieren O₂ ohne dass Curcumin abfällt. Nachdem diese zusammengesetzten Nanofasern mit arzneimittelresistenten MRSA-Bakterien kontaminiert wurden, zeigen sie ein doppeltes antibakterielles Verhalten, das die arzneimittelresistenten Bakterien effektiv abtötet.

Methoden

Materialien

Thuliumchlorid, Ytterbiumchlorid, Neodymchlorid und Yttriumchlorid wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Methanol, Ethanol, Cyclohexan, Curcumin, Dichlormethan, Aceton, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polycaprolacton (PCL) und Polyethylenimin (PEI) wurden von Sinopharm Chemical Reagents bezogen. Alle Materialien wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Synthese von Core-Shell NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd@Curcumin

Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) von NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd wurden mit Co-Präzipitat-Methoden synthetisiert [33, 34]. Danach wurden 200 mg UCNPs wie zubereitet, 90 mg PEI und 180 mg Curcumin zugegeben und in Methylendichlorid gelöst. Die Reaktanten wurden 20 h bei Raumtemperatur gleichmäßig gerührt und die erhaltenen Produkte wurden durch Zentrifugieren gereinigt und zweimal mit Ethanol gewaschen.

Herstellung von Curcumin-Komposit-Nanofasern durch In-Situ-Elektrospinnen

Ein Gramm PCL, 0,16 g PVP und 0,1 g NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd@Curcumin wurden in 5 ml Aceton gegeben. Nach 12 h Rühren wurde eine homogene Vorläuferlösung für das Elektrospinnen erhalten. Unter Verwendung von 3 ml der Vorläuferlösung in einer 5-ml-Spritze wurde ein selbstgebautes Handelektrospinngerät zum Elektrospinnen verwendet, das aus einer 0,4-mm-Metallnadel im Durchmesser, zwei Alkalibatterien und einem Hochspannungswandler besteht, der umwandeln kann 3 V der Batterie bis 10 kV für Elektrospinnen. Der Elektrospinnabstand zwischen Kollektor und Elektrospinnnadel betrug etwa 10 cm.

Erkennung von ¹ O ₂ Formation

Singulett-Sauerstoffsensor grün (SOSG) wurde verwendet, um die ¹ . zu erkennen O₂ Formation. Ein 9 × 9 mm² großes Quadrat einer Nanokomposit-Fasermembran mit unterschiedlicher Konzentration an UCNPs@Curcumin wurde in eine Quarzküvette gegeben, und dann wurden 3 ml Methanol mit 25 μM SOSG zugegeben. Anschließend wurde die Küvette unter dem 808-nm-Laser mit unterschiedlicher Bestrahlungszeit bestrahlt. Das Fluoreszenzspektrophotometer mit einer Anregungswellenlänge von 504 nm wurde verwendet, um die Fluoreszenzintensität dieser Lösung zu messen, die den Singulett-Sauerstoffgehalt widerspiegelt.

Antibakterieller Assay

Zur Bewertung der antibakteriellen Wirkung wurden arzneimittelresistente Bakterien von MRSA und Escherichia coli verwendet. Kurz gesagt wurden Bakterienstämme in dem tryptischen Sojabrühe-Medium kultiviert. Die Bakterienstämme enthaltenden Kulturmedien wurden 15 h bei 37 °C inkubiert. Nach der Kultivierung betrug die Konzentration des Bakterienstamms 1 × 10 ⁶ KBE/ml. Insgesamt wurden 100 μl Bakterienlösung in jede Vertiefung einer 96-Well-Platte auf einem sterilen ultrareinen Tisch gegeben. Dann wurde jedem Well der 96-Well-Platte ein Stück Rundfasermembran mit 6 mm Durchmesser zugesetzt. Nach 20 min 808-nm-Laserbestrahlung wurde die Bakterienlösung in der Platte 10-fach mit sterilem Wasser verdünnt. 10 μl Verdünnungsmittel wurden in eine Nähragarplatte gegeben, um eine gleichmäßig beschichtete Agarplatte zu erhalten. Die behandelte Agarplatte wurde in einem Bakterieninkubator mit konstanter Temperatur bei 37 °C für 18 h kultiviert und dann fotografiert. In der Kontrollgruppe waren die Schritte die gleichen wie oben, außer dass keine 808-nm-Laserbestrahlung verwendet wurde. Jede Gruppe wurde mit 5 Platten wiederholt.

Charakterisierung

TEM- und SEM-Bilder wurden von den Elektronenmikroskopen JEM-2010 und SU-1510 aufgenommen. Das Fluoreszenzspektrum wurde auf einem Edinburgh FLS1000 Fluoreszenz-Spektrophotometer gemessen. Das Absorptionsspektrum wurde auf einem Shimadzu UV2550-Spektrometer aufgezeichnet. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie wurde mit einem Nicolet iS50-Spektrometer aufgenommen. Das Zetapotential wurde mit dem WJL-608-Analysator gemessen. Die Hydrophilie bei der Methode des sessilen Tropfens wurde mit einem PT-602Atest-Gerät getestet.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Nanopartikeln und zusammengesetzten Nanofasern

Abbildung 1a zeigt das TEM-Bild von NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd-Nanopartikel (UCNPs). Es zeigt eine einheitliche Größenverteilung von UCNPs mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 45 nm. Das Zetapotential dieser Nanopartikel wurde weiter auf + 19 mV getestet (Zusatzdatei 1:Abb. S1). Nachdem die UCNPs mit Curcumin beschichtet wurden, zeigt Abb. 1b eine Kern-Schale-Struktur und die Curcumin-Schale-Dicke beträgt etwa 5 nm. Anschließend wurden diese Kern-Schale-Curcumin-Nanopartikel in PCL/PVP-Fasern eingebettet. Abbildung 1c zeigt das SEM-Bild dieser zusammengesetzten Nanofasern, die mit einem selbst entwickelten tragbaren Elektrospinngerät hergestellt wurden. Der Durchmesser der kontinuierlichen und bruchfreien Nanofasern, die mit diesem Gerät hergestellt werden, beträgt etwa 400 nm, und die Fasergleichmäßigkeit ist ähnlich der von herkömmlichen Elektrospinngeräten (Zusatzdatei 1:Abb. S2). Es ist zu beachten, dass dieses tragbare Elektrospinngerät mit zwei Trockenbatterien von 1,5 V betrieben werden kann (Ergänzungsdatei 1:Abb. S3), wodurch die Beschränkung der Nutzung der städtischen Stromversorgung aufgehoben wird. In Kombination mit den anderen Vorteilen des geringen Gewichts (160 g Gewicht) und der geringen Größe wird es der Verwendung im Freien zugute kommen. Abbildung 1d zeigt das TEM-Bild dieser zusammengesetzten Nanofasern, was darauf hinweist, dass die Nanopartikel eine gute Dispergierbarkeit in den Nanofasern aufweisen.

TEM-Bilder von a NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd-Nanopartikel (UCNPs) und b Kern-Schale-strukturierte UCNPs@Curcumin-Nanopartikel. c REM-Aufnahme von Curcumin-Komposit-Nanofasern, d TEM-Aufnahme von Curcumin-Komposit-Nanofasern

Der Grund für die Beschichtung von NaYF₄ :Nd-Shell auf dem NaYF₄ :Yb/Tm-Kern bestand darin, dass er die Photolumineszenz verstärken kann (Abb. 2a). Da sich die Fluoreszenzspektren von UCNPs gut mit den UV-Vis-Absorptionsspektren von Curcumin überlappten (Abb. 2b), bedeutet dies, dass eine stärkere Photolumineszenz von UCNPs mehr Energie auf Curcumin übertragen kann, was der Anregung von Photosensibilisatoren förderlich war. Angesichts der Tatsache, dass NIR-Licht mit einer Wellenlänge von 808 nm tiefer in lebendes Gewebe eindringt als NIR-Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm, ist die Einführung dieses NaYF₄ :Nd Shell kann die Anregungswellenlänge von 980 bis 808 nm modulieren (Zusatzdatei 1:Abb. S4), wodurch unerwünschte Verbrennungen an normalem Gewebe reduziert werden. Die FTIR-Messung wurde weiter gemessen. Wie aus Abb. 2c ersichtlich, Streckschwingungen von C=O bei 1628 cm ⁻¹ , C–O bei 1282 cm ⁻¹ , und C–O–C bei 1028 cm ⁻¹ kommen in den Nanokomposit-Partikeln vor (orange Linie), die aus Curcumin stammen (grüne Linie). In der Zwischenzeit gibt es eine Streckschwingung von C–N bei 1125 cm ⁻¹ , die vom PEI stammt (blaue Linie). Ihre Molekülstrukturdiagramme sind im Anhang dargestellt (Ergänzungsdatei 1:Abb. S5). Darüber hinaus gibt es ein schwaches C=C bei ungefähr 1660 cm ⁻¹ , die der Ölsäure zur gleichen Zeit der Synthese von UCNPs entspricht. Es kann die Komponenten von UCNPs@Curcumin-Komposit-Nanofasern demonstrieren.

a Fluoreszenzspektrum von Kern-Schale-NaYF₄ :Yb/Tm@NaYF₄ :Nd bei 808 nm aufgeregt, b Fluoreszenzspektrum von UCNPs und UV-Vis-Absorptionsspektrum von Curcumin, c FTIR-Spektren von UCNPs@Curcumin, Curcumin und PEI, d zeitaufgelöste Fluoreszenzspektren von UCNPs und UCNPs@Curcumin

Abbildung 2d zeigt Fluoreszenzschwächungskurven von UCNPs vor und nach der Beschichtung mit Curcumin. Es zeigt, dass die Fluoreszenzlebensdauer von UCNPs nach der Beschichtung mit Curcuminschalen von 700 auf 390 μs abnahm. Auf der Grundlage von γ = 1 − τ ₂ /τ ₁ , wobei τ ₂ und τ ₁ sind die Lebensdauer von UCNPs vor und nach der Hülle von Curcumin, γ ist die Energieübertragungseffizienz [35]. Also, γ wurde mit 44,3% berechnet. Es wurde eine so hohe Energieübertragungseffizienz erzielt, die im ersten Aspekt auf die guten Überlappungen zwischen den Absorptionsspektren von Curcumin und den Photolumineszenzspektren von UCNPs zurückzuführen war (Abb. 2b), sodass zwischen ihnen ein strahlungsfreier Energietransfer stattfinden kann. Der zweite Aspekt war, dass UCNPs ein NaYF₄ . hatten :Nd-Schale, die die Fluoreszenzintensität erhöht und so ihren integralen Bereich der spektralen Überlappung erhöht. Der dritte Aspekt war, dass der Abstand zwischen Curcumin und UCNPs die Schichtdicke (< 5 nm) war und dieser geringe Abstand zur Erzeugung eines hocheffizienten Fluoreszenzresonanzenergietransfers (FRET) förderlich war. Die FRET-Methode kann eine Energieübertragungseffizienz von bis zu 44,3% erreichen, was auch der folgenden effizienten Produktion von ¹ . zugute kommt O₂ .

Produktion von ¹ O₂ aus zusammengesetzten Nanofasern

Um die Fähigkeit von Nanokompositfasern zu bewerten, ¹ . zu produzieren O₂ , wurde die SOSG-Methode verwendet. Zuerst nahmen wir Nanokompositfasern mit einer festen Dotierungskonzentration und beobachteten die Erzeugung von ¹ O₂ unter unterschiedlicher Bestrahlungszeit. Wie in Abb. 3a gezeigt, ist die Bestrahlungszeit bei einer festen Konzentration wie 0,20 Gew. % einer der Faktoren, die die Bildung von ¹ . beeinflussen O₂ . Je länger die Bestrahlungszeit, desto mehr ¹ O₂ wurde produziert. Es zeigt jedoch auch, dass, obwohl die Konzentration von ¹ O₂ nimmt mit zunehmender Bestrahlungszeit allmählich zu, die Anstiegsgeschwindigkeit verlangsamt sich allmählich und bleibt nach 20 min nahezu konstant, was sich in einem dichten Kurvenintervall manifestiert. Dieses Phänomen kann auf den schnellen lokalen Sauerstoffverbrauch durch die Produktion von ¹ . zurückzuführen sein O₂ mit anhaltender NIR-Lichtstrahlung, was zu einem relativ niedrigen Sauerstoffgehalt im lokalen Bereich führt und somit die steigende Produktionsrate von ¹ . verringert O₂ .

Singulett-Sauerstoffproduktion einer mit UCNPs@Curcumin dotierten Verbund-Nanofasermembran, die 808-nm-Licht bei verschiedenen a . ausgesetzt wurde Konzentration und b Bestrahlungszeit

Um den Einfluss der Dotierungskonzentration auf die Produktion von ¹ . zu beobachten O₂ , Fig. 3b wird weiter dargestellt. Wie in Abb. 3b gezeigt, beträgt für eine feste Bestrahlungszeit wie 20 Minuten mit zunehmender Dotierungskonzentration mehr ¹ O₂ wurde produziert. Die steigende Rate von ¹ O₂ verlangsamte sich, wenn die Konzentration mehr als 0,20 Gew. % betrug. Diese experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass die Bestrahlungszeit und die Dotierungskonzentration nicht unendlich erhöht werden müssen, um mehr ¹ . zu produzieren O₂ . Die optimale Wahl beträgt 0,20 Gew. % bei 20 Minuten und nimmt daher in den folgenden Experimenten diese Konzentration und Bestrahlungszeit in Anspruch.

Benetzbarkeit und Haftfähigkeit von in-situ elektrogesponnenen Nanofasermembranen

Erwägen die Produktion von ¹ O₂ ist ein Prozess, bei dem UCNPs@Curcumin-Nanopartikel in Fasern mit Sauerstoff in Körperflüssigkeiten interagieren müssen, daher wurde der Kontaktwinkel dieser Fasermembran weiter getestet. Abbildung 4a zeigt einen Wassertropfen, der auf die Oberfläche dieser zusammengesetzten Nanofasermembran getropft wurde, und seine Benetzbarkeit nach 20 s. Verglichen mit einer reinen PCL-Nanofasermembran (Abb. 4b) weist die Verbundnanofasermembran eine bessere Benetzbarkeit auf. Interessanterweise wurde nach dem Einweichen der Verbund-Nanofasermembran in Phosphatpufferlösung (PBS) kein UCNPs@Curcumin in PBS durch das Absorptionsspektrometer nachgewiesen, was bedeutet, dass kein Curcumin aus den Fasern abgegeben wurde. Der Grund dafür kann sein, dass die UCNPs mit Curcumin beschichtet wurden, sodass die Größe von UCNPs@Curcumin (~ 50 nm) zu groß war, um die Faser zu durchdringen. Verglichen mit Methoden, bei denen die Partikel oder Fasern mit Photosensibilisatoren beschichtet werden, kann durch eine erste Erhöhung der Größe von Curcumin und anschließende Dotierung in die benetzenden Fasern das Ablösen von Photosensibilisatoren effektiv vermieden und die Bildung und Diffusion von ¹ . verbessert werden O₂ . Bedenkt man außerdem, dass der Nahbereichseffekt der PDT und die schlechte Adhäsion der nach dem traditionellen Elektrospinnverfahren hergestellten Fasermembran an der Wundoberfläche (Abb. 4c; Zusatzdatei 1:Abb. S6), würde der photodynamische Effekt beeinträchtigt aufgrund des Abstands zwischen der Fasermembran und der Oberfläche. Glücklicherweise konnten diese Curcumin-Komposit-Nanofasern durch in-situ-Elektrospinnverfahren mit guter Morphologie (Abb. 1c) hergestellt werden und zeigten auch eine gute Haftung auf verschiedenen Objektoberflächen (Abb. 4d). Dies bedeutet, dass das in-situ-Elektrospinn-Abscheidungsverfahren zur Herstellung der photodynamischen Fasermembran besser ist als das traditionelle Spinnverfahren, bei dem die Fasermembran auf der Folie gesammelt und dann auf die gewickelte Oberfläche gepresst wird.

Messung des Wasserkontaktwinkels einer zusammengesetzten Nanofasermembran mit einer Matrix von a PCL/PVP und b PCL, c traditionelle elektrogesponnene Nanofasermembran und elektrogesponnene Nanofasermembran in situ-Abscheidung, d In-situ-Abscheidung elektrogesponnen auf verschiedenen Objektoberflächen

Doppelte antibakterielle Wirkung von Curcumin-Komposit-Nanofasern

Die mit dem Gerät hergestellten Nanokompositfasern haben sich im MTT-Assay als nicht toxisch erwiesen (Ergänzungsdatei 1:Abb. S7). Um außerdem zu beweisen, dass die Fasern gute antibakterielle Eigenschaften aufweisen, wurde die Zählmethode verwendet, um die antibakteriellen Eigenschaften von Verbundnanofasern zu bewerten. Wie in Abb. 5 gezeigt, gibt es keine antibakterielle Eigenschaft, unabhängig davon, ob 808-nm-Licht auf reine Fasern gestrahlt wird oder nicht (Abb. 5a, b). Diese Ergebnisse zeigen, dass 808-nm-Licht selbst keine bakterizide Wirkung hat. Wenn die Fasern mit UCNPs dotiert werden, nehmen die Bakterien nicht ab, was bestätigt, dass UCNPs keine bakterizide Wirkung haben (Abb. 5a′, b′). Interessanterweise nimmt die Anzahl der Bakterien bei Dotierung der Fasern mit Curcumin bis zu einem gewissen Grad ab, was beweist, dass Curcumin selbst eine gewisse antibakterielle Wirkung zeigt (Abb. 5c, c′). Darüber hinaus trat bei mit UCNPs@Curcumin dotierten Fasern unter NIR-Lichtbestrahlung ein offensichtliches bakterizides Ergebnis auf (Abb. 5d′, e′). In Kombination mit den Ergebnissen von Abb. 3 zeigen diese bakteriziden Ergebnisse, dass die ¹ O₂ aus UCNPs@Curcumin unter 808-nm-Bestrahlung hergestellt, könnte Bakterien effektiv abtöten. Andererseits war die antibakterielle Aktivität von Curcumin in Gegenwart und Abwesenheit von 808-nm-Bestrahlung gleich, da die Absorption von Curcumin im sichtbaren Lichtbereich lag (Abb. 2b), also 808-nm-Licht war nicht wirksam. Dies war auch der Grund, warum Curcumin entwickelt wurde, um die Oberfläche von UCNPs zu beschichten. Darüber hinaus zeigt Abb. 5d, e Fasern, die mit UCNPs@Curcumin zu 0,15 Gew. % bzw. 0,20 Gew. % dotiert sind. Im Vergleich wurde festgestellt, dass die 0,20 Gew.-%-Gruppe bei 20 Minuten Lichtbestrahlung bessere bakterizide Eigenschaften aufwies und die antibakterielle Wirkung 95 % erreichte. Dies liegt daran, dass die ¹ O₂ Der durch den Photosensibilisator Curcumin produzierte photodynamische Effekt kann arzneimittelresistente Bakterien abtöten. Dieses Ergebnis stimmt auch mit der ¹ . überein O₂ Ergebnis in Abb. 3. Diese Daten zeigen ferner, dass mit UCNPs@Curcumin dotierte Fasern MRSA aufgrund ihrer doppelten antibakteriellen Aktivität abtöten können, nämlich mit UCNPs@Curcumin und PDT dotierte Fasern, und PDT hat eine bessere antibakterielle Wirkung als mit UCNPs@Curcumin dotierte Fasern . Darüber hinaus führten wir auch Experimente mit Escherichia coli durch, die auch bestätigten, dass in situ elektrogesponnene Curcumin-Komposit-Nanofasern eine doppelte antibakterielle Wirkung auf arzneimittelresistente Bakterien haben (Zusatzdatei 1:Abb. S8). Und die entzündungshemmende Wirkung der Nanofasern wurde durch die H&E-Färbung von MRSA weiter verifiziert (Ergänzungsdatei 1:Abb. S9). Nach unterschiedlicher Behandlung von Wundinfektionen wurde eine große Anzahl von Neutrophilen in der Gruppe ohne Nanokompositfasern gesammelt, die aufgrund von Gewebeverletzungen und eitrigen Infektionen violette und blaue Zellcluster waren. In der Gruppe der Nanofasern trat jedoch eine geringe Menge Granulationsgewebe und rote Blutkörperchen auf, was indirekt die antibakteriellen Eigenschaften der Nanokompositfasern widerspiegelte. Es hat eine blockierende Wirkung bei Entzündungen von Wundinfektionen.

Antibakterielle Leistung von mit verschiedenen Proben dotierten Nanofasern gegen MRSA a –e ohne und a′ –e′ mit 808-nm-Lichtbelichtung:a , a′ Kontrollgruppe, b , b′ UCNPs-Gruppe, c , c′ Curcumin-Gruppe, d , d′ UCNPs@Curcumin mit Niedrigdosisgruppe und e , e′ Hochdosisgruppe

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kern-Schale-Curcumin-Komposit-Nanofasern durch in-situ-Elektrospinnverfahren über eine selbstgebaute tragbare Elektrospinnvorrichtung hergestellt werden. Die erhaltenen Verbund-Nanofasern zeigen eine überlegene Haftfähigkeit auf verschiedenen biologischen Oberflächen als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren. Die Methode, die zuerst die Größe von Curcumin erhöht, gefolgt von der Dotierung in die benetzbare Faser, kann das Ablösen von Photosensibilisatoren effektiv verhindern und so die Produktion von ¹ . steigern O₂ und seine Diffusion, die als Inspiration für die Entwicklung anderer photodynamischer Nanomaterialien dienen kann. Nachdem diese Verbund-Nanofasern mit arzneimittelresistenten Bakterien kontaminiert sind, zeigen sie ein doppeltes antibakterielles Verhalten und töten die arzneimittelresistenten Bakterien effizient ab. Diese dualen antibakteriellen Nanofasermembranen haben eine ausgezeichnete Haftung und können als antibakterielle Verbände in Kombination mit der Hämostase verwendet werden, wodurch eine Hämostase im Freien ermöglicht wird.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der laufenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

PDT:

Photodynamische Therapie

¹ O₂ :

Singulett-Sauerstoff

MRSA:

Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus

NIR:

Nahinfrarot

UCNPs:

Upconversion-Nanopartikel

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PCL:

Polycaprolacton

PEI:

Polyethylenimin

SOSG:

Singulett-Sauerstoffsensor grün

FRET:

Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer

PBS:

Phosphatpufferlösung