DOI:10.1016/j.ceramint.2020.12.078
本研究使用良性溶剂制备了5种不同的电纺丝壳聚糖基支架，以促进伤口愈合。研究人员发现壳聚糖/PEO支架在水溶液中通常是不稳定的，并且力学性能较差，尤其是在潮湿条件下，因此必须通过对支架进行改性来解决这些问题。在所有支架中，壳聚糖与PEO的比例相同，但它们含不同量的铈掺杂生物活性玻璃（Ce-BG）。在本文作者之前进行的一项研究中，对这五种支架的形态、结构、化学键、细胞生物相容性和细胞培养进行了分析。同时，本研究参数包括对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌细胞的抗菌活性、力学性能、离子释放行为和溶胀性能。结果表明，尽管将Ce-BG/CH（w/w）的比例提高到20％（w/w）可以显著改善支架的溶胀度和力学性能，但将Ce-BG/CH（w/w）比例提高20％（w/w）以上会降低Ce-BG对上述性能的正向影响。后一种现象可能是由于Ce-BG纳米粒子的团聚所致。即使Ce-BG纳米颗粒的团聚有一定的不利影响，但对支架的抗菌活性和离子释放行为不会产生影响。事实上，直至Ce-BG/CH=40％（w/w），这些性能会得到持续的改善。然而，值得注意的是，将Ce-BG/CH（w/w）比例提高到40％可显著提高支架对革兰氏阴性大肠杆菌细胞的抗菌活性，但对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌活性没有影响。由于没有一种电纺丝支架在潮湿条件下能提供令人满意的力学性能，因此研究者制备了一种改性样品来提高该性能。改性包括在将Ce-BGs纳米粒子嵌入壳聚糖-聚环氧乙烷静电纺丝溶液之前，先用壳聚糖对其进行涂覆。在干燥状态下，与未改性样品和基础支架相比，改性样品的拉伸强度分别提高了287％和889％，峰值应变增加了88％和330％。总体而言，湿态改性支架的力学性能非常接近皮肤，其断裂伸长率为28.6％，仅比皮肤组织支架所需的断裂伸长率低20％。
图1.（a）不同CH-PEO-（8Ce-BG）支架的溶胀度和（b，c，d，e）ICP测量。支架溶胀度测定表明，本研究中的电纺CH-PEO和CH-PEO-（8Ce-BG）纳米纤维垫在蒸馏水和PBS中极为不稳定，24h后几乎完全溶解在水溶液中。因此，在重复测量溶胀性能之前，所有样品均用含NaOH的70/30甲醇水溶液进行稳定。新的实验结果表明（a）溶胀度最初随着8Ce-BG/CH）（w/w）的增加而增加，直至10％，然后降低。支架吸水率的单向方差分析（ANOVA）显示，在所有样品中，CHB2和CHB3与其他两个后续样品相比差异更大。上述样品之间吸水率的显著差异可归因于与CHB2相比，CHB3中8Ce-BG纳米粒子团聚频率增加。对浸泡在SBF中的含8Ce-BG的支架的（b）Si、（c）Ca、（d）P和（e）Ce浓度进行测定，结果表明，第一次（12h后）和最后一次测量（120h）中Si浓度的变化与支架的8Ce-BG/CH比值成正比。
图2.具有不同BG含量的样品对（i）革兰氏阴性大肠杆菌和（ii）革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）细菌细胞的抗菌作用。在暴露于（a）对照样品，（b）CHB1，（c）CHB2，（d）CHB3，（e）CHB4之前和之后，计数细菌细胞的CFU。样品对（i-f）革兰氏阴性大肠杆菌和（ii-f）革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）抗菌活性的单向方差分析（P<0.001）。与各支架相关的细菌细胞存活率百分比显示在每个柱形的上方。
图3.干燥状态下，（8Ce-BG/CH）（w/w）不同的CH-PEO-（8Ce-BG）支架的力学性能表明纳米复合材料的破坏机理不同。由于8Ce-BG纳米粒子的硬化作用，将（8Ce-BG/CH）（w/w）增加至20％可以改善支架的力学性能。超过20wt％时，CHB3和CHB4中频繁出现团聚体会降低8Ce-BG-NPs与聚合物基质之间的相互作用。因此，与CHB1和CHB2相比，CHB3和CHB4的模量和峰值应力大大降低，样品的峰值应变增加。
图4.（a，b）背向散射和（c）正常模式下具有不同放大倍率的改性样品（MCHB4）的FESEM图像及其EDX分析。（a）支架在背向散射模式下的缩小图像显示了纳米粒子的整体分布，由于铈的高分子量，纳米粒子可以通过其明亮的颜色来区分。通过对MCHB4中的纳米纤维与CHB4中的纳米纤维进行EDX分析，发现8Ce-BG-NPs在MCHB4主基质中的分散度比在CHB4主基质中更均匀。（b）MCHB4中纳米纤维的放大图片有助于更好地识别纳米粒子的存在。这些用黄色箭头标记。（c）MCHB4中聚集区域的放大图像及其EDX分析表明8Ce-BG-NPs在MCHB4主基质中的分散度比在CHB4中（此处未显示）更均匀。
图5.改性样品（MCHB4）在干燥和潮湿状态下的力学行为。通过对CHB4进行改性以提高其力学性能，合成了MCHB4。改性样品（MCHB4）在干燥和潮湿状态下均显示出合理的力学性能。处于湿态的MCHB4的断裂伸长率为28.6％，接近皮肤组织支架应用所需的断裂伸长率。
图6.这项研究中合成的所有样品的力学性能比较。（a），（c）所有电纺样品的峰值应力和模量的比较表明，将8Ce-BG/CH（w/w）的比例提高超过20％会降低拉伸强度和模量。此外，与未改性样品（CHB4）相比，改性样品（MCHB4）的拉伸强度明显更高。（b）每个连续样品之间8Ce-BG/CH（w/w）比值的差异为10％时不会显著改变峰值应变。此外，在将8Ce-BG-NPs转移到静电纺丝溶液中之前对其进行涂覆的策略是一种提高支架力学性能的有效方法（P<0.001）。（除了CHB0，标有黑星的样品的力学性能与之前的样品存在显著性差异。标有黑星的CHB0意味着其力学性能与CHB1的力学性能显著不同。）
