光/磁熱Fe2SiO4/Fe3O4雙相生物陶瓷及其復合電紡絲膜制備及抗菌性能研究

盛麗麗, 常江

光/磁熱Fe2SiO4/Fe3O4雙相生物陶瓷及其復合電紡絲膜制備及抗菌性能研究

盛麗麗1,2, 常江1,2

(1. 中國科學院 上海硅酸鹽研究所 高性能陶瓷與超微結構國家重點實驗室, 上海 200050; 2. 中國科學院大學 材料與光電研究中心, 北京 100049)

兼具抗菌和組織修復活性的生物材料在再生醫學領域具有廣闊的應用前景。以光熱和磁熱為基礎的熱療技術都具有抗菌作用, 但光的穿透能力有限, 磁熱試劑的熱轉換效率較低, 限制了其在生物醫學領域的應用。本研究合成了Fe2SiO4/Fe3O4雙相復合生物陶瓷粉體, 不僅同時具有良好的光熱和磁熱效應, 還能有效釋放活性的鐵和硅酸根離子。用陶瓷粉體與明膠/聚己內酯復合制備的電紡絲膜不僅具有良好的細胞相容性, 而且具有光熱和磁熱效應。復合膜在相對溫和的條件下近紅外光(808 nm, 0.36 W·cm–2)與交變磁場(506 kHz, 837 A·m–1)同時處理15 min后, 與單獨近紅外光或磁場熱處理相比, 具有更強的細菌抑制活性。因此, 這種集光熱、磁熱功能于一體且具有細胞相容性的Fe-Si基生物陶瓷及其復合材料在再生醫學領域具有潛在的應用前景。

Fe; 硅酸鹽; 雙相生物陶瓷; 靜電紡絲; 抗菌性能

組織缺損時由細菌引起的感染嚴重阻礙了組織修復的進程[1-3], 給病人造成了極大痛苦。解決該問題的關鍵在于如何有效地抑制細菌增殖并促進組織再生[4]。因此, 開發一種既具有優異的抗菌性能, 又具有組織修復活性的生物材料對感染型組織缺損的修復具有重要意義。

在眾多抗菌策略中, 熱療作為一種直接、快速和有效的方法受到了廣泛關注[5-7]。由于光熱材料可在近紅外光的照射下產生局部表面等離子體共振效應將光能轉換為熱能, 磁熱材料可在交變磁場(AMF)中通過Néel-Brownian弛豫效應將電磁能轉換為熱能。目前, 人們已開發了大量光熱和磁熱材料用于抗菌研究。例如, Wu等[8]合成了具有優異光熱性能的MoS2納米顆粒, 可在808 nm近紅外光照射下產生較高的溫度, 破壞細菌壁的完整性、能量供應系統等, 從而起到高效殺菌作用。Chen等[9]報道Fe3O4納米顆粒是性能優異的磁熱材料, 并且Li等[10]證明了其在交變磁場中對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有顯著的抗菌效果。但具有光熱和磁熱效應的材料在應用中均各自存在優勢和缺陷。在光熱方面, 光熱材料通常具有較高的光熱效率, 但近紅外光在穿透皮膚或脂肪組織時大部分會被反射或吸收, 在體內的穿透深度極為有限。磁場雖然具有優異的組織通透性, 但磁熱材料的熱轉化效率相對較低, 且臨床對磁場強度及磁熱試劑的注射劑量都有限制[11-13]。因此, 開發兼具優異光熱性能(加熱效率高)和良好磁熱性能(組織穿透性強)的材料, 有可能起到更好的殺菌作用。

另外, 組織修復活性是組織缺損修復材料的一個重要性能。然而, 目前大多數光熱或磁熱材料都不具有這一活性。已有大量研究證明硅酸鹽生物活性玻璃/陶瓷釋放的活性離子(如硅酸根離子)不僅能促進相關細胞的增殖、分化[14], 還能促進骨組織或軟組織的修復[15-16]。例如, Mao等[17]證明硅酸鹽生物陶瓷釋放的鍶和硅酸根離子可有效促進成骨和成血管, 可顯著促進骨組織再生。Gao等[18]證明含硅酸鹽生物玻璃的復合水凝膠可作為創面敷料, 有效促進血管形成和組織再生。為結合抗菌和組織修復性能, 本研究將探索合成兼具光熱/磁熱性能的硅酸鹽生物陶瓷。

鐵元素作為功能元素, 在不同狀態下展現了不同的功能。大多數含鐵材料都具有光熱性能[13], 其中Fe3O4等還具有磁性[10]。此外, 鐵元素作為人體內含量最多的微量元素, 不僅是血紅蛋白的重要組成成分, 還可促進膠原的合成[19]。鐵橄欖石(Fe2SiO4)已被證明具有良好的生物活性, 能顯著促進慢性創面愈合[20]。這些研究顯示, 鐵元素有可能賦予硅酸鹽材料良好的磁性、光熱性和生物相容性。

基于上述進展, 本研究通過控制煅燒氣氛合成了不同相組成的Fe/Si生物陶瓷, 研究了Fe/Si雙相陶瓷粉體(Fe2SiO4/Fe3O4)的磁熱、光熱性能以及離子釋放性能。在此基礎上, 進一步制備了Fe/Si雙相陶瓷粉體與聚己內酯/明膠復合的電紡絲膜。并通過體外細胞實驗和抗菌實驗, 進一步研究了該復合膜材料的細胞相容性及光磁熱抗菌效果。

1 實驗方法

1.1 實驗試劑

研究所采用的試劑正硅酸四乙酯((C2H5O)4Si,TEOS)、硝酸(HNO3)、乙二醇((CH2OH)2)、聚己內酯(PCL)、明膠(Gelatin)均購自國藥集團上?；瘜W試劑有限公司; 醋酸鐵(II)(Fe(C2H3O2)2)購自阿拉丁公司; CCK-8檢測試劑盒購自碧云天生物技術(中國)公司。所有市售試劑和溶劑均直接使用, 未經進一步純化。

1.2 材料合成

1.2.1 陶瓷粉體制備

首先, 將TEOS加入2 mol/L的HNO3去離子水溶液中攪拌30 min, 使TEOS被催化水解。其中TEOS、水和HNO3的摩爾比為1 : 8 : 0.16。將醋酸鐵(II)和乙二醇以摩爾比1 : 20的比例混合, 攪拌30 min以充分溶解。隨后, 將醋酸鐵(II)乙二醇溶液加入TEOS混合液中進一步反應(其中TEOS與Fe(C2H3O2)2摩爾比為1 : 2)。在Ar氣氛保護下, 將混合反應物在室溫下攪拌5 h, 得到溶膠。然后, 在Ar氣保護下密封溶膠, 并在60 ℃下保溫24 h, 形成濕凝膠, 再在真空烘箱中120 ℃干燥24 h, 得到干凝膠。將該干凝膠研磨, 在不同氣氛下置于管式爐中800 ℃煅燒3 h。將煅燒后的粉末進行研磨、篩分。通過充入氬氣排除空氣, 降低爐內的氧氣含量以達到控制煅燒氣氛的目的。沒有氬氣充入的條件記為條件1; 充入氬氣至爐內，使氣壓達到10、25、＞25 kPa的條件下，分別記為條件2、3、4。(圖2)。在氣氛條件1、2、3、4下煅燒得到的粉體(FF)產物分別記為FF-1、FF-2、FF-3、FF-4。

1.2.2 復合電紡絲膜制備

對粉體性能進行測試和分析后, 選用光熱、磁熱和離子釋放性能都良好的FF-2粉體制備復合靜電紡絲膜。首先, 分別將0、0.1、0.2、0.3和0.4 g的FF-2粉體與0.5 g PCL和0.5 g明膠混合加入10 mL的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中, 通過超聲以及磁力攪拌12 h, 使粉體在混合液體中均勻分散。將混合液裝入10 mL注射器中作靜電紡絲(流速0.02 mL·min–1,電壓8～10 KV, 固定接受距離為15 cm), 在靜電紡絲的過程中使噴頭勻速左右來回移動, 使纖維絲在接收器表面均勻沉積。得到粉體復合量為0、10%、20%、30%和40%的電紡絲膜, 分別標記為FG-0、FG-10、FG-20、FG-30、FG-40。使用直徑為10 mm的打孔器將靜電紡絲復合膜制備成直徑為10 mm的圓形薄膜以備后續實驗使用。

1.3 材料的性能表征

使用熱重分析儀(TG-DTA, Netzsch STA 449C)對凝膠粉體在不同氣氛下的熱穩定性及相轉變溫度進行表征。采用XRD(Rigaku D/Max-2550V)分析所有FF粉體的物相組成; 用振動探針式磁強計(MPMS XL5)測試各種FF粉體的磁性; 利用紅外熱像儀對所有FF粉體的光熱和磁熱升溫性能進行表征; 將粉體浸入ECM培養基中(0.2 g·mL–1), 置于37 ℃恒溫搖床(120 r·min–1), 24 h后取上清液, 采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES, Varian 715-ES, Agilent)檢測所有粉體釋放鐵和硅酸根離子的性能。根據磁熱、光熱以及離子釋放性能結果分析, 選取光熱、磁熱和離子釋放性能都良好的FF-2粉體作進一步實驗。用激光粒度儀(Bettersize2600)對FF-2粉體的粒徑進行測試; 采用透射電鏡(TEM, Tecnai G2 F20, FEI Electron Optics)對FF-2粉體作高分辨觀察和分析; 利用紅外熱像儀對靜電紡絲復合膜的光熱和磁熱升溫性能進行表征; 使用場發射電子掃描電子顯微鏡(SEM, S-4800, Hitachi)觀察FF-2粉體和靜電紡絲復合膜的表面微觀形貌。將直徑為10 mm的靜電紡絲復合膜圓片放入ECM培養液中, 放入恒溫搖床, 24 h后取上清液, 檢測復合膜釋放鐵和硅酸根離子的性能。

1.4 光熱和磁熱性能測試

在干燥環境下, 將FF粉體置于直徑為10 mm的專用容器中研究其光熱/磁熱效應。首先, 取0.05 g粉體在波長為808 nm的近紅外激光(VLSM-808-B, 上海瀚宇光纖通信技術有限公司)照射下, 通過熱像儀(A325sc, FLIR)實時監測和記錄粉體的溫度變化, 以評估其光熱特性。同樣, 在交變磁場中(高頻感應加熱設備SPG800K2-10(A)B, 深圳市雙平電源技術有限公司)記錄粉體的溫度變化, 以評估其磁熱特性。為研究復合電紡絲膜的光熱與磁熱性能, 將直徑為10 mm的圓形復合薄膜放入48孔細胞培養板中, 并加入0.3 mL去離子水, 然后用808 nm近紅外激光或者交變磁場評估其光磁熱性能。本實驗所用的激光功率密度均為0.36 W·cm–2, 交變磁場頻率為506 kHz、強度為837 A·m–1。激光和交變磁場的處理時間均為10 min。統一用紅外熱成像系統實時記錄溫度, 并用FLIR軟件導出時間–溫度曲線數據。

1.5 細胞粘附

實驗選用人臍靜脈內皮細胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cell, HUVEC)研究FG-30靜電紡絲復合膜對細胞的黏附及形態的影響。

a)采用直徑為10 mm的打孔器將FG-0和FG-30靜電紡絲復合膜制備成直徑為10 mm的圓形膜片, 放入48孔細胞培養板中, 用鈦環固定。最后放入紫外交聯儀中紫外滅菌4 h。

b)在滅菌后的靜電紡絲復合膜上種植HUVEC, 每孔接種5×104個細胞。在37 ℃、5% CO2濃度的恒溫細胞培養箱中培養24 h后, 選用4%的多聚甲醛溶液固定細胞, PBS洗滌3次后, 采用梯度濃度酒精(30%、40%、50%、60%、70%、80%、85%、90%、95%、100%)和六甲基二硅氮烷(HDMS)脫水, 然后放入通風櫥中過夜干燥。最后利用SEM觀察靜電紡絲復合膜上粘附的細胞形貌。

1.6 細胞增殖

實驗共設置3組, 分別為空白對照組(Blank)、加FG-0膜組(FG-0)和FG-30膜組(FG-30)。將細胞以2.0×103個/孔的密度接種于48孔細胞培養板中, 待細胞貼壁后, 將滅菌后的FG-0膜和FG-30膜小心放置于細胞的上方, 每組4個平行樣, 隔天換液。到達預設的時間點(1、3和5 d)時, 加入10%的CCK-8試劑, 再置于培養箱內孵育1.5 h后, 用酶標儀(Epoch, BIO-TEK)檢測450 nm處吸光度。

1.7 抗菌實驗

實驗采用菌落計數法研究了光熱、磁熱及光–磁熱聯合治療對金黃色葡萄球菌()的抑制效果。

設置空白對照組 (Blank)、FG-0膜對照組, 設置FG-30膜、FG-30膜加光熱(FG-30(PTT))、FG-30膜加磁熱(FG-30(MTT))、FG-30膜加光熱和磁熱(FG-30(PTT+MTT))為實驗組。激光和交變磁場的處理時間均為15 min。每孔加入0.1 mL OD (Optical Density, 600 nm)值為0.01的.細菌懸浮液共培養12 h; 將共培養后菌液用PBS緩沖液稀釋104倍后取25 μL均勻涂于瓊脂培養板, 每組做3個平行樣。培養16 h后對細菌培養板進行拍照, 統計菌落個數, 并根據以下公式計算抑菌率()。

其中,0是Blank組的菌落數量,是實驗組的菌落數量。

2 結果與討論

2.1 FF生物陶瓷粉體的制備及性能表征

用熱分析法TG-DTA探索氣氛對凝膠粉體的熱穩定性及相轉變溫度的影響, 發現在空氣氛圍下320 ℃左右DTA曲線有1個明顯的放熱峰, DTG曲線上對應的位置也有一個正的峰值(圖1(a)), 說明此溫度下發生了重量增加的放熱反應。由此推斷在此溫度下發生氧化反應, 結合XRD的結果(圖2)可以推斷在有氧氣存在的情況下320 ℃左右, Fe2+被氧化成Fe3+并生成Fe3O4。從圖1(b)的DTA曲線可以看出在氬氣氣氛下600 ℃左右有個寬的放熱峰, 而從DTG曲線來看沒有質量的變化, 說明此處發生了相變。結合XRD結果(圖2), 可以推斷出在氬氣氣氛下600 ℃左右開始生成Fe2SiO4相。

本實驗通過控制氬氣的充入量改變煅燒氣氛, 從而得到不同物相組成的樣品。從煅燒產物的XRD分析結果(圖2)可以看出, 產物中出現了Fe2SiO4和Fe3O4兩種晶相組成。并且通入氬氣的量越多, 產物中Fe2SiO4含量越多, Fe3O4含量越少。根據XRD圖譜中的峰面積對結晶相中Fe3O4含量進行半定量計算分析, 發現FF-1、FF-2、FF-3、FF-4粉體中Fe3O4含量分別為100%、45%、10%、0。

不同條件下制備的FF粉體的離子釋放量見表1。所有粉體產物都釋放鐵和硅酸根離子, 24 h內從FF-1粉體釋放鐵離子43.96 μg·mL–1、硅酸根離子70.12 μg·mL–1; 從FF-4粉體釋放Fe離子5.76 μg·mL–1、硅酸根離子12.68 μg·mL–1。此結果顯示隨著產物中Fe2SiO4含量的增加, 離子釋放速率顯著減小, 說明控制產物相組成可控制離子釋放的規律?？紤]到XRD結果顯示FF-1粉體中只有Fe3O4相并沒有出現含硅的結晶相(圖2), 但離子釋放實驗顯示樣品有硅的釋放, 說明FF-1粉體中硅以非晶態形式存在。磁性分析結果進一步顯示(圖3(a)), 隨著充入氬氣量的增加, 產物的磁性越來越弱, 可能是因為產物中的Fe3O4為主要磁性成分, 而Fe2SiO4沒有磁性。產物的磁熱性能如圖3(b)所示, 其磁熱性能結果趨勢與磁性結果類似, 都是隨著產物中Fe3O4含量的降低而減弱。而產物的光熱性能如圖3(c)所示, 所有粉體產物都有較好的光熱性能, 說明產物的相組成對其光熱性能并沒有顯著的影響。綜合考慮, 本實驗選擇了光熱和磁熱性能以及離子釋放性能都較好的FF-2粉體(充入氬氣至爐內氣壓10 kPa的條件下800 ℃煅燒3 h)作后續研究。

如圖4所示, 對FF-2粉體的粒度進行表征分析, 結果顯示粉體的粒徑主要分布在1～45 μm之間。為了進一步分析FF-2粉體以及表面形貌與成分組成, 利用SEM和TEM對其進行觀察(圖5(a, b))。粉體表面粗糙有細小孔隙。粉體的TEM高分辨照片(圖5(c))中出現了三種取向的晶格條紋, 通過計算晶格間距并與標準卡片進行對比, 確定這三種晶格條紋分別為Fe3O4的(011)和(020)晶面, 以及Fe2SiO4的(111)晶面。另外, 電子衍射圖像(圖5(c)插圖)中出現了非晶衍射暈, 推測FF-2中有部分硅以非晶形式存在。

圖1 (a)空氣氣氛和(b)氬氣氣氛中凝膠粉體的TG-DTA曲線

圖2 800 ℃不同氣氛條件下FF煅燒產物的XRD圖譜

FF-1: the product obtained by calcining without argon gas; FF-2–FF-4: the product obtained by calcining with argon gas at 10, 25 and >25 kPa in the furnace, respectively.

表1 不同條件下粉體產物在ECM中24 h的離子釋放量

2.2 復合膜的形貌及離子釋放性能

圖6(a)為不同FF-2粉體含量(0、10%、20%、30%、40%)的復合靜電紡絲纖維膜光學照片。隨著粉體含量增大, 靜電紡絲膜的顏色逐漸加深。SEM的結果(圖6(b))也可以看出越來越多的粉體顆粒摻入紡絲纖維中。

不同FF-2粉體含量的復合靜電紡絲纖維膜的離子釋放結果如表2所示。結果顯示, 含有粉體的復合膜也能釋放出鐵和硅酸根離子。且隨著粉體含量增大, 復合膜的離子釋放量也逐漸增加。從結果來看, 不含粉體的電紡絲膜不釋放鐵和硅酸根離子, 而粉體含量40%的復合膜24 h內釋放鐵離子達0.61 μg·mL–1和硅酸根離子達5.98 μg·mL–1。該結果證實控制粉體復合量可以有效控制復合膜的離子釋放。粉體復合量30%的復合膜釋放的鐵和硅酸根離子濃度分別為0.32和2.76 μg·mL–1, 與文獻報道的鐵和硅酸根離子活性濃度相近[21-22]。

2.3 復合膜的光熱、磁熱性能

復合膜的光熱及磁熱性能表征結果(圖7)顯示, 在固定功率密度為0.36 W·cm–2的激光照射下, 粉體復合量為0的電紡絲膜的表面溫度維持在26 ℃左右, 而粉體復合量為40%的復合膜表面溫度可升高到55 ℃左右。從(圖7(a))結果可以看出在相同功率密度激光照射下, 隨著粉體含量增加, 復合膜表面最高溫度逐漸升高, 證明復合膜的光熱性能隨著粉體含量的增加而增強。磁熱實驗也有相似的結果(圖7(b)),在固定的交變磁場中(506 kHz, 837 A·m–1),隨著粉體含量增加, 處于交變磁場中的復合膜表面最高溫度也逐漸升高, 不含FF-2粉體的纖維膜的表面溫度維持在23 ℃左右, FF-2粉體復合量為40%的復合膜表面最高溫度能升高到46 ℃。證實復合膜的磁熱性能隨著粉體含量增加而增強。另外, 從圖7(a, b)的結果可以看出, 30%粉體含量的復合膜在本實驗所使用的激光(0.36 W·cm–2)和交變磁場(506 kHz, 837 A·m–1)條件下可分別升溫至42和48 ℃左右。而在激光和交變磁場疊加的情況下, 30%粉體含量的復合膜可以升溫至60 ℃左右(圖7(c))。該結果證明, 溫和強度下的激光和磁場疊加可以協同使材料發揮更強的熱效應。因此本研究對粉體含量為30%的復合膜(記為FG-30)進行細胞相容性和抗菌性能的研究。

圖3 不同煅燒條件制備的粉體產物的磁熱和光熱性能

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圖4 FF-2粉體的粒度表征

表2 不同粉體含量的復合電紡絲膜的離子釋放性能

圖5 FF-2粉體的SEM和TEM照片。

(a, b) SEM images at low (a) and high (b) magnification; (c) TEM high-resolution image of the powder with inset showing electron diffraction pattern of the powder

2.4 FG-30復合膜的細胞相容性

為了研究靜電紡絲復合膜的生物性能, 采用HUVEC研究了FG-30復合膜對細胞粘附和增殖的影響(圖8)。與FG-0組相比, FG-30復合紡絲膜上的HUVEC粘附更多, 并鋪展良好, 細胞偽足伸展更為明顯。這說明與未復合粉體的FG-0膜相比, 有粉體復合的FG-30復合膜具有更優異的促細胞粘附作用(圖8(d～f))。從增殖實驗的結果(圖8(g))可以看出, 與對照組相比, FG-30復合膜能明顯促進內皮細胞增殖。Xing等[23]證實硅酸根離子對細胞周期有刺激作用, 促進細胞S和G2/M期, 使其具有更高的增殖活性。Zhang等[24]也證實鐵離子可以促進內皮細胞增殖?？紤]到本研究已經證實復合膜具有離子釋放性能, 可以有效釋放鐵和硅酸根離子, 因此, 可以推知FG-30靜電紡絲復合膜具有良好的細胞相容性是因其通過釋放活性鐵和硅酸根離子促進了細胞的粘附和增殖[21-22]。為進一步證明靜電紡絲復合膜在組織損傷修復方面的應用, 后續還需進行深入的生物學評價, 包括細胞成血管基因表達及體內動物創傷模型實驗驗證。

圖6 不同FF-2粉體含量的復合電紡絲膜的形貌

(a) Optical photos; (b) SEM images. 0, 10, 20, 30, and 40 in the figures represent composite membranes with powder contents of 0, 10%, 20%, 30%, and 40%, respectively

圖7 不同粉體含量的復合膜的光熱和磁熱性能

(a) Under NIR light (0.36 W·cm–2) irradiation at a wavelength of 808 nm; (b) In an alternating magnetic field (506 kHz, 837 A·m–1); (c) Composite film with 30% powder content under laser, alternating magnetic field and laser in combination with alternating magnetic field, respectively. 0, 10, 20, 30, and 40 in the figures represent composite membranes with powder contents of 0, 10%, 20%, 30%, and 40%, respectively. MTT: magnetothermal; PTT: photothermal; MTT+PTT: combined photothermal and magnetothermal

圖8 FG-30復合電紡絲膜的細胞相容性

(a-f) SEM images of cell adhesion on FG-0 membrane (a-c) and FG-30 composite membrane (d-f) after 24 h of HUVEC culture, respectively; (g) Effect of composite membrane on HUVECs proliferation. Blank, FG-0, and FG-30 in the figures indicate blank control group, FG-0 electrospun membrane group, and FG-30 composite electrospun membrane group, respectively. * indicates<0.05 which means significant difference between groups

2.5 FG-30復合膜光–磁熱抗菌性能表征

為了研究復合膜的光/磁熱抗菌性能, 選用作為實驗菌種, 并根據上述實驗結果選用FF-2粉體復合的FG-30復合膜為研究對象。設置了空白對照、FG-0膜、FG-30膜、FG-30膜加磁熱、FG-30膜加光熱、FG-30膜加光/磁熱六組。從實驗結果可以看出(圖9), 在溫和強度的交變磁場中(506 kHz, 837 A·m–1), 復合膜沒有明顯的抑菌作用。溫和的激光(0.36 W·cm–2)照射下復合膜的抑菌能力也很微弱。而在溫和的交變磁場與激光聯合作用下, 復合膜表現出顯著的抗菌作用, 其抑菌效果遠大于溫和的激光與交變磁場單獨作用的效果。這可能是因為在溫和的交變磁場和激光單獨作用時, 只能使復合膜升溫至42和48 ℃左右, 該溫度下細菌在短時間(15 min)內并不會產生有效的殺菌效果; 而在交變磁場與激光聯合作用下, 能使溫度升高至60 ℃左右, 這個溫度足以抑制細菌增殖[25]。研究發現, 溫度升高不僅導致細菌細胞膜滲透性增加、蛋白質合成降低, 還會增加自溶和菌壁損傷, 從而起到抗菌作用[26]?？梢? 光熱與磁熱聯合作用可使復合膜在溫和的激光和較低的交變磁場強度下展現出顯著的抗菌效果。

圖9 FG-30復合膜對金黃色葡萄球菌的光/磁熱聯合抑制作用

(a) Optical photographs of colony coated plates; (b) Statistical results of inhibition rate. Blank, FG-0, FG-30, FG-30 (MTT), FG-30 (PTT), and FG-30 (MTT+PTT) denote blank control, FG-0 membrane , FG-30 membrane, FG-30 membrane with magnetothermal, FG-30 membrane with photothermal, FG-30 membrane with combined photothermal and magnetothermal, respectively. * indicates<0.05 which means significant difference between groups

3 結論

本研究通過控制煅燒氣氛成功制備了既有光熱又有磁熱性能且離子釋放性能可控的Fe2SiO4/Fe3O4雙相復合陶瓷粉體。在此基礎上, 采用PCL和明膠與雙相復合陶瓷粉體復合, 成功制備了陶瓷粉體復合的電紡絲膜, 并證實該復合膜兼具光熱和磁熱特性, 而且通過調節粉體的復合量可有效調節復合膜的光熱、磁熱性能以及離子釋放性能。粉體復合量為30%的FG-30復合膜具有良好的細胞相容性, 且在溫和的激光與交變磁場聯合作用下具有顯著的抑菌效果。因此, Fe2SiO4/Fe3O4雙相生物陶瓷及其復合材料在光/磁熱抗菌、促進生物組織修復方面具有潛在應用前景。

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Photo/Magnetic Thermal Fe2SiO4/Fe3O4Biphasic Bioceramic and Its Composite Electrospun Membrane: Preparation and Antibacterial

SHENG Lili1,2, CHANG Jiang1,2

(1. State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 2. Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Biomaterials with both antibacterial and tissue repair activity have promising applications in the field of regenerative medicine. Both photothermal and magnetothermal-based techniques have antimicrobial effects, but the limited penetration capacity of light and the low thermal conversion efficiency of magnetothermal reagents limit their applications in biomedical fields. Here, we synthesized Fe2SiO4/Fe3O4biphasic composite bioceramic powders, which not only display good photothermal and magnetothermal effects, but also effectively release active Fe and silicate ions, and prepared electrospun membranes by combining ceramic powders with gelatin/polycaprolactone, which not only exhibit good cytocompatibility, but also, importantly, possess both photothermal and magnetothermal properties. The composite membranes, under conditions of being irradiated with near-infrared light (808 nm, 0.36 W·cm–2) and placed in alternating magnetic field (506 kHz, 837 A·m–1) for 15 min simultaneously, are able to inhibit bacterial activity more effectively than the thermal treatment with near-infrared light or magnetic field alone. Therefore, this Fe-Si-based bioceramic and its composite material with photothermal, magnetothermal, antimicrobial, and biocompatible properties, have potential application in the field of regenerative medicine.

Fe; silicate; biphasic bioceramic; electrospun; antibacterial

1000-324X(2022)09-0983-08

10.15541/jim20210659

TQ174

A

2021-10-25;

2021-12-24;

2022-01-24

國家重點研發計劃(2016YFC1100201); 上海市科學技術委員會項目(19441902300)

National Key Research and Development Program of China (2016YFC1100201); Funding of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (19441902300)

盛麗麗(1992–), 女, 博士研究生. E-mail: lilissic@163.com

SHENG Lili (1992–), female, PhD candidate. E-mail: lilissic@163.com

常江, 研究員. E-mail: jchang@mail.sic.ac.cn

CHANG Jiang, professor. E-mail: jchang@mail.sic.ac.cn