In-situ elektrogesponnene Curcumin-Nanofasern: Doppelte antibakterielle Wirkung zur Sterilisation medikamentenresistenter Bakterien

Zusammenfassung

Bakterielle Infektionen, insbesondere durch multiresistente Bakterien, gefährden weiterhin das menschliche Leben. Photodynamische Therapie (PDT) kann Bakterien effektiv abtöten, und nanofaserbasierte PDT kann Schäden an normalem Gewebe effektiv reduzieren. Aktuelle Photosensibilisatoren, die auf den Oberflächen von Fasern beschichtet sind, würden jedoch in die Wunde freigesetzt und einige Nebenwirkungen verursachen. Und Nanofasern, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden, weisen eine schlechte Haftung auf der Wunde auf, was den PDT-Effekt aufgrund seiner Kurzstreckenwirkung stark verringert. Hier werden Kern-Schale-Curcumin-Komposit-Nanofasern durch in-situ-Elektrospinnen mittels eines selbstgebauten tragbaren Elektrospinn-Geräts hergestellt. Die erhaltenen Komposit-Nanofasern zeigen eine überlegene Haftung auf verschiedenen biologischen Oberflächen im Vergleich zur traditionellen Herstellungsmethode. Bei 808-nm-Bestrahlung erzeugen diese Komposit-Nanofasern effektiv Singulett-Sauerstoff (¹O₂), ohne dass Curcumin abfällt. Nach Exposition gegenüber medikamentenresistenten Bakterien zeigen diese Komposit-Nanofasern doppelte antibakterielle Verhaltensweisen und töten die medikamentenresistenten Bakterien effizient ab. Diese doppelten antibakteriellen Nanofasermembranen mit hervorragender Haftung könnten der Anwendung von Wundinfektionen als antibakterielle Verbände zugutekommen.

Hintergrund

Bakterielle Infektionen ohne rechtzeitige Behandlung verursachen Sepsis, die Leben und Gesundheit ernsthaft gefährdet [1–3]. Obwohl Antibiotika Bakterien abtöten können, führt die langfristige Anwendung von Antibiotika zur Entwicklung medikamentenresistenter Bakterien, wie methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) [4–6]. MRSA, als eine Art multiresistenter Bakterien, ist eines der häufigen 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 bewiesen, dass photodynamische Therapie (PDT) eine effektive Sterilisationsmethode ist [8–11]. Die meisten Photosensibilisatoren für PDT erfordern jedoch ultraviolettes Licht oder kurzwellige Anregung [12, 13]. Da die Eindringtiefe von Licht in Organismen von der Wellenlänge abhängt, ist die Eindringtiefe von ultraviolettem Licht und sichtbarem Licht flach, während die Eindringtiefe von Nahinfrarotlicht (NIR) relativ tief ist. Schlimmer noch, ultraviolettes Licht und kurzwelliges Licht werden menschliches Gewebe schwer verbrennen. Um sichere und antibakterielle Behandlungen in tiefem Gewebe zu erreichen, ist die Entwicklung von durch NIR-Licht anregbaren Photosensibilisatoren eine Notwendigkeit und ein Trend. Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) können NIR-Licht in kurzwelliges Licht umwandeln [14, 15]. Aufgrund dieser Eigenschaft können Photosensibilisatoren so konzipiert werden, dass sie mit Upconversion kombiniert werden, um NIR-Anregung zu erreichen. UCNPs werden als Wellenlängenkonversionsstation verwendet, die NIR-Licht in kurzwelliges Licht umwandelt, um die Photosensibilisatoren anzuregen und Singulett-Sauerstoff (¹O₂) zu erzeugen [16–19]. Bisherige Studien konzentrierten sich jedoch meist auf die Herstellung von photosensibilisatorbeschichteten Nanopartikelstrukturen. Photosensibilisatoren, die nackt auf der äußersten Schicht der Nanopartikel liegen, fallen leicht ab [20, 21], und sie haben auch einige Nebenwirkungen auf biologisches Gewebe durch direkten Kontakt, wie die Hemmung des Gewebekollagenwachstums [22, 23]. Tatsächlich können Photosensibilisatoren Sterilisation erreichen, weil sie Singulett-Sauerstoff produzieren, was bedeutet, dass kein direkter Kontakt der Photosensibilisatoren mit Bakterien oder biologischem Gewebe erforderlich ist. Daher können wir einen Spacer entwerfen, 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 [24–28]. Während des Herstellungsprozesses von Nanofasern lassen sich Nanopartikel leicht mit Fasern zu Komposit-Nanofasern kombinieren. Es gibt hauptsächlich zwei Methoden zur Bildung von Komposit-Nanofasern. Eine ist das Dotieren von Partikeln innerhalb der Nanofasern [29], die andere ist das Beladen von Partikeln auf den Oberflächen der Nanofasern [30, 31]. In Anbetracht des Zwecks, Photosensibilisatoren von biologischem Gewebe zu trennen, ist die Einarbeitung von Photosensibilisatoren in die Nanofasern im Vergleich zu auf den Faseroberflächen beladenen Photosensibilisatoren, die leicht abfallen, vorzuziehen. Wenn Nanofasern jedoch hydrophob sind und nicht infiltrieren können, ist es schwierig, Singulett-Sauerstoff zu erzeugen und an die Faseroberflächen zu liefern, um antibakterielle Eigenschaften zu erzielen [32]. Aber hydrophile Nanofasern lösen sich leicht auf, wenn sie durch interstitielle Flüssigkeit kontaminiert werden. Daher ist es notwendig, NIR-Photosensibilisatoren mit Nanofasern zu kombinieren und sicherzustellen, dass die photodynamischen Nanofasern Bakterien, insbesondere medikamentenresistente Bakterien, effektiv abtöten können.

In dieser Studie wird Curcumin als Photosensibilisator aufgrund seiner breiten Quellen aus Organismextrakten verwendet. Kern-Schale-Nanostruktur von UCNPs wird als Wellenlängenübertragungsstation verwendet und zeigt hohe Umwandlungseffizienz zur Erzeugung von ¹O₂. Die UCNPs@Curcumin-Komposit-Nanofasern werden durch in-situ-Elektrospinnen mittels eines selbstgebauten Elektrospinn-Geräts hergestellt. Die Haftung der mit dieser Methode erhaltenen Komposit-Nanofasern auf verschiedenen biologischen Oberflächen ist besser als die der traditionellen Elektrospinn-Herstellungsmethode. Bei 808-nm-Bestrahlung können diese Komposit-Nanofasern effektiv ¹O₂ erzeugen, ohne dass Curcumin abfällt. Nach Kontamination dieser Komposit-Nanofasern mit medikamentenresistenten Bakterien von MRSA treten doppelte antibakterielle Verhaltensweisen auf, die die medikamentenresistenten Bakterien effektiv abtöten.

Methoden

Materialien

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

Synthese von Kern-Schale NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd@Curcumin

Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) von NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd wurden mit Co-Fällungsmethoden [33, 34] synthetisiert. Anschließend wurden 200 mg der hergestellten UCNPs, 90 mg PEI und 180 mg Curcumin hinzugefügt und in Methylendichlorid gelöst. Die Reaktanten wurden 20 h bei Raumtemperatur gleichmäßig gerührt, und die erhaltenen Produkte wurden durch Zentrifugation gereinigt und zweimal mit Ethanol gewaschen.

Herstellung von Curcumin-Komposit-Nanofasern via In-situ-Elektrospinnen

1 g 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. 3 ml der Vorläuferlösung wurden in eine 5-ml-Spritze genommen, ein selbstgebautes handgehaltenes Elektrospinn-Gerät wurde für das Elektrospinnen verwendet, das aus einer 0,4-mm-Metallnadel im Durchmesser, zwei Alkalibatterien und einem Hochspannungswandler besteht, der 3 V der Batterie in 10 kV für das Elektrospinnen umwandeln kann. Der Elektrospinnabstand zwischen Kollektor und Elektrospinnnadel betrug etwa 10 cm.

Detektion der ¹O₂-Bildung

Singulett-Sauerstoff-Sensor-Grün (SOSG) wurde verwendet, um die ¹O₂-Bildung zu detektieren. Ein 9 × 9 mm großes Quadrat der hergestellten Nanokomposit-Fasermembran mit unterschiedlichen Konzentrationen von UCNPs@Curcumin wurde in eine Quarzküvette gegeben, und dann wurden 3 ml Methanol mit 25 μM SOSG hinzugefügt. Anschließend wurde die Küvette unter dem 808-nm-Laser mit unterschiedlichen Bestrahlungszeiten bestrahlt. Ein Fluoreszenzspektrophotometer mit 504 nm Anregungswellenlänge wurde verwendet, um die Fluoreszenzintensität dieser Lösung zu messen, was den Singulett-Sauerstoffgehalt widerspiegelt.

Antibakterieller Assay

Medikamentenresistente Bakterien von MRSA und Escherichia coli wurden verwendet, um die antibakterielle Fähigkeit zu bewerten. Kurz gesagt, bakterielle Stämme wurden in Tryptic-Soy-Bouillon-Medium kultiviert. Die Kulturmedien mit bakteriellen Stämmen wurden 15 h bei 37 °C inkubiert. Nach dem Kultivieren betrug die Konzentration des bakteriellen Stamms 1 × 10⁶ CFU/ml. Insgesamt wurden 100 μl bakterielle Lösung in jedes Well einer 96-Well-Platte auf einem sterilen Ultrasauberschrank gegeben. Dann wurde ein Stück kreisförmige Fasermembran mit 6 mm Durchmesser zu jedem Well der 96-Well-Platte hinzugefügt. Nach 20 min 808-nm-Laserbestrahlung wurde die bakterielle Lösung in der Platte 10-mal mit sterilem Wasser verdünnt. 10 μl der Verdünnung wurden in eine Nähragarplatte gegeben, um eine gleichmäßig beschichtete Agarplatte zu erhalten. Die behandelte Agarplatte wurde 18 h bei 37 °C in einem konstanten Temperaturbakterieninkubator kultiviert und dann fotografiert. In der Kontrollgruppe waren die Schritte dieselben wie oben, außer dass keine 808-nm-Laserbestrahlung verwendet wurde. Jede Gruppe wurde mit 5 Platten wiederholt.

Charakterisierung

TEM- und SEM-Bilder wurden von JEM-2010 und SU-1510 Elektronenmikroskopen aufgenommen. Fluoreszenzspektrum wurde auf Edinburgh FLS1000 Fluoreszenzspektrophotometer gemessen. Absorptionsspektrum wurde auf Shimadzu UV2550 Spektrometer aufgezeichnet. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie wurde auf Nicolet iS50 Spektrometer aufgenommen. Das Zeta-Potenzial wurde mit WJL-608 Analysator gemessen. Die Hydrophilie mit der Sessile-Drop-Methode wurde mit PT-602A Testgerät getestet.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierung von Nanopartikeln und Komposit-Nanofasern

Abbildung 1a zeigt das TEM-Bild von NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd Nanopartikeln (UCNPs). Es zeigt eine gleichmäßige Größenverteilung der UCNPs mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 45 nm. Das Zeta-Potenzial 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-Schalendicke beträgt etwa 5 nm. Anschließend wurden diese Kern-Schale-Curcumin-Nanopartikel in PCL/PVP-Fasern eingebettet. Abbildung 1c zeigt das SEM-Bild dieser Komposit-Nanofasern, hergestellt mit einem selbstentwickelten handgehaltenen Elektrospinn-Gerät. Der Durchmesser der kontinuierlichen und bruchfreien Nanofasern, die mit diesem Gerät hergestellt wurden, beträgt etwa 400 nm, und die Faseruniformität ist ähnlich wie bei traditionellen Elektrospinn-Geräten (Zusatzdatei 1: Abb. S2). Es sei angemerkt, dass dieses tragbare Elektrospinn-Gerät mit zwei 1,5-V-Trockenbatterien betrieben werden kann (Zusatzdatei 1: Abb. S3), was die Beschränkung der Nutzung der Netzstromversorgung aufhebt. In Kombination mit seinen anderen Vorteilen wie geringem Gewicht (160 g) und kleiner Größe wird es den Außeneinsatz begünstigen. Abbildung 1d zeigt das TEM-Bild dieser Komposit-Nanofasern, was darauf hinweist, dass die Nanopartikel eine gute Dispergierbarkeit in den Nanofasern haben.

Der Grund für die Beschichtung der NaYF₄:Nd-Schale auf dem NaYF₄:Yb/Tm-Kern war, dass sie die Photolumineszenz verstärken kann (Abb. 2a). Da die Fluoreszenzspektren der UCNPs gut mit den UV-Vis-Absorptionsspektren von Curcumin überlappen (Abb. 2b), bedeutet dies, dass stärkere Photolumineszenz der UCNPs mehr Energie an Curcumin übertragen kann, was der Anregung der Photosensibilisatoren förderlich war. Darüber hinaus, da NIR-Licht mit einer Wellenlänge von 808 nm tiefer in lebendes Gewebe eindringt als NIR-Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm, kann die Einführung dieser NaYF₄:Nd-Schale die Anregungswellenlänge von 980 auf 808 nm modulieren (Zusatzdatei 1: Abb. S4), wodurch unerwünschte Verbrennungen an normalem Gewebe reduziert werden. FTIR-Messung wurde weiter durchgeführt. Wie aus Abb. 2c ersichtlich, treten Streckschwingungen von C=O bei 1628 cm⁻¹, C–O bei 1282 cm⁻¹ und C–O–C bei 1028 cm⁻¹ in den Nanokompositpartikeln (orangene Linie) auf, die von Curcumin (grüne Linie) stammen. Gleichzeitig gibt es eine Streckschwingung von C–N bei 1125 cm⁻¹, die von PEI (blaue Linie) stammt. Ihre molekularen Strukturdiagramme sind im Anhang dargestellt (Zusatzdatei 1: Abb. S5). Zudem gibt es ein schwaches C=C bei ca. 1660 cm⁻¹, das gleichzeitig der Ölsäure bei der Synthese der UCNPs entspricht. Dies kann die Komponenten der UCNPs@Curcumin-Komposit-Nanofasern demonstrieren.

Abbildung 2d zeigt Fluoreszenzabschwächungskurven von UCNPs vor und nach der Beschichtung mit Curcumin. Es zeigt, dass die Fluoreszenzlebensdauer der UCNPs von 700 auf 390 μs nach der Beschichtung mit Curcumin-Schalen abnahm. Auf der Basis von γ = 1 − τ₂/τ₁, wobei τ₂ und τ₁ die Lebensdauer der UCNPs vor und nach der Ummantelung mit Curcumin sind, ist γ die Energieübertragungseffizienz [35]. Somit wurde γ auf 44,3 % berechnet. Eine so hohe Energieübertragungseffizienz wurde erzielt, was zum einen auf die gute Überlappung zwischen den Absorptionsspektren von Curcumin und den Photolumineszenzspektren der UCNPs (Abb. 2b) zurückzuführen war, sodass nicht-strahlende Energieübertragung zwischen ihnen auftreten konnte. Der zweite Aspekt war, dass UCNPs eine NaYF₄:Nd-Schale hatten, die die Fluoreszenzintensität erhöhte, wodurch ihr spektraler Überlappintegralbereich erhöht wurde. Der dritte Aspekt war, dass der Abstand zwischen Curcumin und UCNPs die Beschichtungsdicke (< 5 nm) betrug, und dieser kleine Abstand förderlich für die Erzeugung hocheffizienter Fluoreszenzresonanz-Energieübertragung (FRET) war. Die FRET-Methode kann eine Energieübertragungseffizienz von bis zu 44,3 % erreichen, was auch der folgenden effizienten Erzeugung von ¹O₂ zugutekommt.

Erzeugung von ¹O₂ aus Komposit-Nanofasern

Um die Fähigkeit der Nanokompositfasern zur Erzeugung von ¹O₂ zu bewerten, wurde die SOSG-Methode verwendet. Zunächst nahmen wir Nanokompositfasern mit einer festen Dotierkonzentration und beobachteten die Erzeugung von ¹O₂ unter verschiedenen Bestrahlungszeiten. Wie in Abb. 3a gezeigt, ist für eine feste Konzentration wie 0,20 Gew.-% die Bestrahlungszeit einer der Faktoren, die die Erzeugung von ¹O₂ beeinflussen. Je länger die Bestrahlungszeit, desto mehr ¹O₂ wurde erzeugt. Allerdings zeigt es auch, dass obwohl die Konzentration von ¹O₂ allmählich mit der Zunahme der Bestrahlungszeit zunimmt, die Anstiegsrate allmählich abnimmt und nach 20 min fast konstant bleibt, was sich durch einen dichten Kurvenabstand manifestiert. Dieses Phänomen könnte auf den schnellen lokalen Sauerstoffverbrauch durch die Erzeugung von ¹O₂ bei anhaltender NIR-Lichtbestrahlung zurückzuführen sein, was zu einem relativ niedrigen Sauerstoffgehalt im lokalen Bereich führt und somit die Anstiegsrate der ¹O₂-Erzeugung verringert.

Um den Einfluss der Dotierkonzentration auf die Erzeugung von ¹O₂ zu beobachten, wird Abb. 3b weiter dargestellt. Wie in Abb. 3b gezeigt, wird für eine feste Bestrahlungszeit wie 20 min mit increasing Dotierkonzentration mehr ¹O₂ erzeugt. Allerdings verlangsamt sich die Anstiegsrate von ¹O₂, wenn die Konzentration größer als 0,20 Gew.-% war. Diese experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass es nicht notwendig ist, die Bestrahlungszeit und die Dotierkonzentration unendlich zu erhöhen, um mehr ¹O₂ zu erzeugen. Die optimale Wahl ist 0,20 Gew.-% mit 20 min, und daher werden in den folgenden Experimenten diese Konzentration und Bestrahlungszeit verwendet.

Benetzbarkeit und Haftung von In-situ elektrogesponnener Nanofasermembran

Da die Erzeugung von ¹O₂ ein Prozess ist, der erfordert, dass UCNPs@Curcumin-Nanopartikel in Fasern mit Sauerstoff in Körperflüssigkeit interagieren, wurde der Kontaktwinkel dieser Fasermembran weiter getestet. Abbildung 4a zeigt einen Wassertropfen, der auf die Oberfläche dieser Komposit-Nanofasermembran getropft wird und seine Benetzbarkeit nach 20 s. Im Vergleich zur reinen PCL-Nanofasermembran (Abb. 4b) hat die Komposit-Nanofasermembran eine bessere Benetzbarkeit. Interessanterweise wurde nach dem Einweichen der Komposit-Nanofasermembran in Phosphatpufferlösung (PBS) kein UCNPs@Curcumin in PBS durch Absorptionsspektrometer detektiert, was bedeutet, dass kein Curcumin aus den Fasern ausgewaschen wurde. Der Grund könnte sein, dass Curcumin auf die UCNPs beschichtet war, sodass die Größe von UCNPs@Curcumin (~50 nm) zu groß war, um in die Faser einzudringen. Im Vergleich zu Methoden, bei denen Photosensibilisatoren auf Partikeln oder Fasern beschichtet sind, kann die Erhöhung der Größe von Curcumin zuerst und dann das Dotieren in die benetzbaren Fasern das Abfallen von Photosensibilisatoren effektiv vermeiden und die Erzeugung und Diffusion von ¹O₂ verbessern. Zusätzlich, in Anbetracht des Kurzstreckeneffekts von PDT und der schlechten Haftung der mit der traditionellen Elektrospinn-Methode hergestellten Fasermembran auf der Wundoberfläche (Abb. 4c; Zusatzdatei 1: Abb. S6), würde der photodynamische Effekt durch den Abstand zwischen der Fasermembran und der Oberfläche beeinträchtigt. Glücklicherweise konnten diese Curcumin-Komposit-Nanofasern durch In-situ-Elektrospinnen mit guter Morphologie (Abb. 1c) hergestellt werden und zeigten auch gute Haftung auf verschiedenen Objektflächen (Abb. 4d). Das bedeutet, dass die In-situ-Elektrospinn-Abscheidungsmethode zur Herstellung der photodynamischen Fasermembran vorzuziehen ist gegenüber der traditionellen Spinnmethode, bei der die Fasermembran auf der Folie gesammelt und dann auf die Wundoberfläche gedrückt wird.

Doppelte antibakterielle Wirkung von Curcumin-Komposit-Nanofasern

Die mit dem Gerät hergestellten Nanokompositfasern wurden durch MTT-Assay als ungiftig erwiesen (Zusatzdatei 1: Abb. S7). Weiterhin, um zu beweisen, dass die Fasern gute antibakterielle Eigenschaften haben, wurde die Zählmethode verwendet, um die antibakteriellen Eigenschaften der Komposit-Nanofasern zu bewerten. Wie in Abb. 5 gezeigt, egal ob 808-nm-Licht auf reine Fasern bestrahlt wird, gibt es keine antibakterielle Eigenschaft (Abb. 5a, b). Diese Ergebnisse zeigen, dass 808-nm-Licht selbst keine bakterizide Wirkung hat. Wenn die Fasern mit UCNPs dotiert sind, nehmen die Bakterien nicht ab, was bestätigt, dass UCNPs keine bakterizide Wirkung haben (Abb. 5a′, b′). Interessanterweise nimmt die Anzahl der Bakterien in einem gewissen Maße ab, wenn die Fasern mit Curcumin dotiert sind, was beweist, dass Curcumin selbst eine gewisse antibakterielle Aktivität zeigt (Abb. 5c, c′). Darüber hinaus trat ein offensichtliches bakterizides Ergebnis in Fasern auf, die mit UCNPs@Curcumin unter NIR-Lichtbestrahlung dotiert waren (Abb. 5d′, e′). In Kombination mit den Ergebnissen von Abb. 3 zeigen diese bakteriziden Ergebnisse, dass das ¹O₂, das aus UCNPs@Curcumin unter 808-nm-Bestrahlung erzeugt wird, Bakterien effektiv abtöten konnte. 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), sodass 808-nm-Licht nicht wirksam war. Dies war auch der Grund, warum Curcumin so konzipiert wurde, dass es die Oberfläche der UCNPs beschichtet. Zusätzlich zeigt Abb. 5d, e Fasern, die mit UCNPs@Curcumin bei 0,15 Gew.-% und 0,20 Gew.-% dotiert sind. Durch Vergleich stellt man fest, dass die 0,20 Gew.-%-Gruppe bei 20 min Lichtbestrahlung bessere bakterizide Eigenschaften aufwies, und der antibakterielle Effekt erreichte 95 %. Dies liegt daran, dass das ¹O₂, das durch den Photosensibilisator Curcumin im photodynamischen Effekt erzeugt wird, medikamentenresistente Bakterien abtöten kann. Dieses Ergebnis ist auch konsistent mit dem ¹O₂-Ergebnis in Abb. 3. Diese Daten weisen weiter darauf hin, dass Fasern, die mit UCNPs@Curcumin dotiert sind, MRSA aufgrund ihrer doppelten antibakteriellen Aktivität abtöten können, nämlich Fasern, die mit UCNPs@Curcumin dotiert sind, und PDT, und PDT hat einen besseren antibakteriellen Effekt als Fasern, die mit UCNPs@Curcumin dotiert sind. Zusätzlich führten wir auch Experimente mit Escherichia coli durch, was ebenfalls bestätigte, dass in-situ elektrogesponnene Curcumin-Komposit-Nanofasern doppelte antibakterielle Effekte auf medikamentenresistente Bakterien haben (Zusatzdatei 1: Abb. S8). Und die entzündungshemmende Wirkung der Nanofasern wurde durch H&E-Färbung von MRSA weiter verifiziert (Zusatzdatei 1: Abb. S9). Nach verschiedenen Behandlungen der Wundinfektion sammelten sich eine große Anzahl von Neutrophilen in der Gruppe ohne Nanokompositfasern, die lila und blaue Zellcluster aufgrund von Gewebeschäden und eitriger Infektion waren. In der Nanofasergruppe erschienen jedoch eine kleine Menge Granulationsgewebe und rote Blutkörperchen, was indirekt die antibakteriellen Eigenschaften der Nanokompositfasern widerspiegelte. Es hat eine blockierende Wirkung auf Entzündungen von Wundinfektionen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend werden Kern-Schale-Curcumin-Komposit-Nanofasern durch In-situ-Elektrospinnen mittels eines selbstgebauten tragbaren Elektrospinn-Geräts hergestellt. Die erhaltenen Komposit-Nanofasern zeigen eine überlegene Haftung auf verschiedenen biologischen Oberflächen im Vergleich zur traditionellen Herstellungsmethode. Die Methode, zunächst die Größe von Curcumin zu erhöhen und es dann in die benetzbare Faser zu dotieren, kann das Abfallen von Photosensibilisatoren effektiv vermeiden, wodurch die Erzeugung von ¹O₂ und seine Diffusion verbessert werden, was Inspiration für das Design anderer photodynamischer Nanomaterialien bieten kann. Nach Kontamination dieser Komposit-Nanofasern mit medikamentenresistenten Bakterien zeigen sie doppelte antibakterielle Verhaltensweisen und töten die medikamentenresistenten Bakterien effizient ab. Diese doppelten antibakteriellen Nanofasermembranen haben eine hervorragende Haftung und können als antibakterielle Verbände in Kombination mit Hämostase verwendet werden, was die hämostatische Behandlung im Freien ermöglicht.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage bei den korrespondierenden Autoren verfügbar.

Abkürzungen

PDT:

Photodynamische Therapie

¹O₂:

Singulett-Sauerstoff

MRSA:

Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus

NIR:

Nahinfrarot

UCNPs:

Upconversion-Nanopartikel

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PCL:

Polycaprolacton

PEI:

Polyethylenimin

SOSG:

Singulett-Sauerstoff-Sensor-Grün

FRET:

Fluoreszenzresonanz-Energieübertragung

PBS:

Phosphatpufferlösung