Telas fibrosas à base de iodo com eletrofiação in situ para curativo antibacteriano

Resumo

Para a aplicação eficaz de telas fibrosas de eletrofiação e eletrofiação em curativos, temos o complexo de poli (vinil pirrolidona) / iodo (PVP / I), PVP / poli (vinil pirrolidona) -iodino (PVPI) e poli (vinil butiral) ) (PVB) / soluções de PVPI em membranas fibrosas por um aparelho de eletrofiação portátil. As morfologias das fibras eletrofiadas foram examinadas por MEV, e a hidrofobicidade, permeabilidade ao gás e propriedades antibacterianas das malhas as-fiadas também foram investigadas. A flexibilidade e viabilidade das membranas PVP / I, PVP / PVPI e PVB / PVPI de eletrofiação in situ, bem como as excelentes permeabilidades de gás e propriedades antibacterianas das telas as-spun, prometem suas aplicações potenciais na cicatrização de feridas.

Histórico

Graças às vantagens de fácil produção em grande escala, grande relação área de superfície para volume, alta porosidade e estruturas internas ajustáveis [1,2,3,4], as malhas fibrosas eletrofiadas têm atraído muitos interesses em vários campos tais como filtração [5, 6], cuidados médicos [7,8,9,10,11,12] e energia [13, 14]. Membranas fibrosas eletrofiadas são adequadas para curativos devido às suas estruturas em nanoescala que imitam as fibrilas de colágeno da matriz extracelular nativa e órgãos humanos [9, 11] e, então, as telas as-fiadas podem não apenas proteger fisicamente a ferida de contaminantes e infecções, mas também proporcionam um ambiente ideal para a regeneração da pele por meio da manutenção de uma adequada troca de gases, além de promover a fase de hemostasia e evitar a indução de cicatrizes [9, 11, 12].

Entre os milhares de materiais eletrofiados adequados, poli (vinil pirrolidona) (PVP) e poli (vinil butiral) (PVB) são dois polímeros importantes por sua excelente biocompatibilidade, não toxicidade, boa solubilidade em álcool e assim por diante [15,16,17 , 18]. Consequentemente, os materiais fibrosos PVP e PVB as-spun têm sido popularmente aplicados para curativos de feridas [18,19,20]. Além disso, PVP em combinação com iodo forma um complexo denominado PVP-iodo (PVPI) e tem sido um desinfetante altamente eficiente e amplamente utilizado por sua pequena estimulação, baixa toxicidade, poluição luminosa, efeito bactericida de amplo espectro e não resistência dos microrganismos para mesmo por muito tempo usando [21,22,23,24]. No entanto, o PVPI não é recomendado para uso a longo prazo ou para feridas complexas [25]. Fibras à base de PVP-I eletrofiadas podem ser uma solução útil e foram relatadas por vários grupos [26,27,28,29,30,31,32,33]. Ignatova et al. tinha preparado PVPI ou fibras de poli (óxido de etileno) (PEO) / PVP-I por eletrofiação direta de soluções de PVPI ou PEO / PVP-I ou por reticulação de tapetes de PVP e PEO / PVP e tratando-os com vapor de iodo ou solução de iodo [26]. Wang havia fabricado nanofibras de PVPI por eletrofiação de soluções de PVP, iodo e etanol absoluto, e a caracterização de fibras como fiadas de espectros infravermelhos, espectros Raman e difração de raios-X garantem a formação do complexo PVPI [27]. Uslu et al. relataram séries de fibras eletrofiadas à base de PVPI, como poli (álcool vinílico) (PVA) / PVPI [28], PVA / PVPI / fibras de poli (etilenoglicol) (PEG) contendo (hidroxipropil) metil celulose (HPMC) e aloe vera [29], nanofibras de PVA / PVPI com quitosana adicional e poloxâmero 188 [30], e fibras de PVA / poli (ácido acrílico) (PAA) / PVPI [31]. Todas essas fibras de PVPI eram conhecidas por apresentar aplicações potenciais em curativos, no entanto, principalmente com foco nas morfologias e estabilidade térmica das fibras / malhas as-fiadas. Hong et al. relataram PLLA / PVPI / TiO ₂ não-tecidos fibrosos ultrafinos multicomponentes por eletrofiação e tratamento com vapor de iodo [32]. Verificou-se que a existência de PVPI dotou o não tecido com capacidade de absorção de água, atividade antimicrobiana, capacidade adesiva e característica transformável de hidrofilicidade para não hidrofilicidade. Sebe et al. prepararam nanofibras de PVP / poli (vinilpirrolidona-vinilacetato) / iodo com diferentes proporções de polímero por uma técnica de rotação rotativa de alta velocidade. Exceto pela análise morfológica detalhada, a estrutura supramolecular e a atividade antimicrobiana das mantas obtidas também foram investigadas, o que sugeriu as aplicações potenciais em curativos [33]. No entanto, para aplicações práticas, essas fibras eletrofiadas PVPI só podem ser fabricadas com base em modelos predefinidos e, em seguida, implantadas na ferida do paciente, o que pode levar ao segundo ferimento. A eletrofiação in situ pode resolver esse problema.

Neste artigo, temos soluções de PVP e PVB baseadas em iodo por eletrofiação in situ em malhas fibrosas por um aparelho de eletrofiação portátil. A morfologia, hidrofobicidade, permeabilidade ao gás e propriedade antibacteriana das malhas as-fiadas foram examinadas. Além disso, os efeitos das concentrações de iodo sobre essas propriedades também foram investigados. Além disso, a flexibilidade e a viabilidade de mantas fibrosas à base de iodo eletrofiados in situ foram apresentadas e, então, a aplicação de curativo pode ser esperada.

Métodos / Experimental

Materiais

Polivinilpirrolidona (PVP, 250 kDa, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) foi dissolvida em etanol (Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) a 13% em peso. Poli (vinilbutiral) (PVB) (100 kDa, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) foi dissolvido em álcool etílico a 10% em peso. Iodo (Reagente analítico, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) foi adicionado a soluções de PVP / etanol na concentração de 1% em peso, 2% em peso e 5% em peso, respectivamente. O complexo de poli (vinilpirrolidona) -iodine (PVPI, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) foi dissolvido nas soluções de PVP / etanol e PVB / etanol a 1% em peso, 2% em peso e 5% em peso, respectivamente. As soluções complexas foram agitadas à temperatura ambiente sob agitação constante por pelo menos 24 h antes da eletrofiação. O fluido corporal simulado modificado (SBF) foi adquirido na Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China.

Processo de eletrofiação

As soluções preparadas foram colocadas em uma seringa de 5 mL equipada com um bocal com um diâmetro de 0,1 mm e, em seguida, carregadas no aparelho portátil de eletrofiação (HHE-1, Qingdao Junada Technology Co., Ltd), conforme mostrado em Fig. 1a. A alta tensão deste dispositivo é de cerca de 10 kV fixos [34, 35]. Durante o processo de eletrofiação in situ, pode-se primeiro operar o dispositivo e, em seguida, pressionar a seringa com um dedo. As fibras como fiadas podem ser fabricadas e então depositadas no coletor, como sugerido na Fig. 1b. Os jatos de eletrofiação por este dispositivo podem ser capturados por uma câmera de alta velocidade, que é mostrada na Fig. 1c. Para os exames adicionais das malhas fibrosas eletrofiadas in situ, também efetuamos a eletrofiação in situ dessas fibras em um coletor de folha de alumínio com distância de 8 cm. As malhas coletadas foram descobertas da folha de alumínio para posterior caracterização.

O aparelho de eletrofiação portátil ( a ) e o processo de eletrofiação in situ ( b ) Os jatos de eletrofiação podem ser vistos da fieira ( c )

Caracterização

A morfologia e o sistema dispersivo de energia (EDS) das fibras as-fiadas foram examinados por um microscópio eletrônico de varredura (SEM, Phenom ProX, Phenom Scientific Instruments Co., Ltd., China) a 10 kV, e todas as amostras foram revestidas com ouro por 30 s antes da análise. Os espectros de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foram medidos por um espectrômetro Thermo Scientific Nicolet iN10. O ângulo de contato simulado do fluido corporal (SBF) foi examinado por um analisador de ângulo de contato (JY-PHb, China) com uma gota de SBF de 2 μL. Com base no padrão ASTM D 737, a permeabilidade do ar sob uma queda de pressão de 200 Pa foi testada por um verificador de permeabilidade do ar (Textest FX3300). Os tamanhos dos poros das malhas fibrosas fiadas foram examinados por PSM 165 (Alemanha, Topas GmbH, PSM 165) a uma pressão de 200 Pa. As propriedades antibacterianas das malhas fibrosas fiadas foram investigadas contra Escherichia coli ( E. coli , ATCC 10536) e Staphylococcus aureus ( S. aureus , ATCC 25923) bactérias. Células bacterianas de E. coli (ATCC 10536) e S. aureus (ATCC 25923) foram cultivadas por 24 h em um agitador a 37 ° C e 100 rpm.

Resultados e discussão

Morfologias de fibras eletrofiadas

Pelo aparelho HHE-1 como mostrado na Fig. 1, as soluções de PVP / I, PVP / PVPI e PVB / PVPI preparadas podem ser eletrofiadas em fibras convenientemente. As morfologias das fibras como podem ser encontradas nas imagens SEM mostradas na Fig. 2. A partir das imagens SEM, pode-se obviamente descobrir que as fibras eletrofiadas exibiram superfícies lisas, enquanto os diâmetros das fibras como fiadas mostraram distribuições diferentes porque dos diferentes materiais e concentrações. Combinando imagens SEM e os dados da Tabela 1 de forma abrangente, é mostrado que para fibras PVP / I, conforme a concentração de iodo aumenta, o diâmetro médio das fibras as-fiadas diminui obviamente, o que pode ser devido à maior condutividade das soluções à medida que o iodo é adicionado [36]. Já para PVP / PVPI e PVB / PVPI, os diâmetros médios das fibras as-fiadas aumentaram com a maior concentração de PVPI, o que pode resultar do aumento das viscosidades das soluções misturadas [37].

Imagens SEM das fibras PVP / I (a1-a4), PVP / PVPI (b1-b4), PVB / PVPI (c1-c4) fiadas com concentrações I ou PVPI de 0%, 1%, 2% e 5%, respectivamente

EDS e FTIR

Para atingir as propriedades antibacterianas e, em seguida, beneficiar a aplicação de cicatrização de feridas, o iodo desempenhou um papel crucial nas fibras eletrofiadas. Para verificar a existência de iodo, o EDS foi examinado no modelo de análise de espectro total. Conforme mostrado na Fig. 3, escolhemos as fibras as-fiadas com maiores concentrações de I / PVPI, 5%, por exemplo, e as imagens mostraram isso em cada tipo de fibras eletrofiadas, exceto para o carbono principalmente (Fig. 3 ( a1), (b1) e (c1)) e elementos de oxigênio (Fig. 3 (a2), (b2) e (c2)) nos polímeros, elemento de iodo extra também foi observado (Fig. 3 (a3), (b3) e (c3)). Além disso, o iodo adicionado às soluções de PVP mostrou diretamente uma alta concentração de iodo diferente de PVPI adicionado. Embora o iodo pudesse ser encontrado nas imagens EDS, pode-se obviamente descobrir na Fig. 3 que o conteúdo de iodo é pequeno em comparação com outros elementos. A mesma conclusão pode ser obtida a partir dos espectros de FTIR na Fig. 4.

Diferentes elementos de imagens EDS das fibras como fiado PVP / I (a – a3), PVP / PVPI (b – b3), PVB / PVPI (c – c3) com dopagem 5% I / PVPI

Espectros de FTIR das fibras como fiadas PVP / I ( a ), PVP / PVPI ( b ), PVB / PVPI ( c )

A Fig. 4a-c mostrou os espectros de FTIR das fibras as-fiadas com diferentes concentrações de adições diferentes. Como pode ser visto na Fig. 4, as adições de iodo ou PVPI não alteram obviamente as estruturas químicas dos polímeros, o que pode ser devido à pequena quantidade das adições. Os polímeros inalterados também garantiram a estabilidade dos polímeros para a cicatrização de feridas, sem quaisquer outras incertezas.

Molhabilidade

Além disso, acreditava-se que um curativo ideal deveria incluir algumas vantagens, como manutenção da hidratação da ferida e absorção do excesso de exsudato da ferida, o que pode exigir a molhabilidade do curativo projetado [5, 7,8,9]. Consequentemente, também examinamos a hidrofilia das malhas fibrosas fiadas medindo seus ângulos de contato SBF. Como sugerido na Fig. 5, todos os três tipos de membranas fibrosas eletrofiadas exibiram boa hidrofilicidade com o aumento da concentração de iodo e PVPI. Para malhas baseadas em PVP, devido à hidrofilicidade do polímero, as malhas fibrosas eletrofiadas também estabeleceram pequenos ângulos de contato SBF, e o ângulo aumentou para 19,5 ° para PVP / I, conforme mostrado na Fig. 5 (a – a3) e ( b – b3). Os ângulos de contato SBF aumentados podem resultar do aumento da rugosidade da superfície dessas malhas. No entanto, o caso em malhas baseadas em PVB era diferente. Em nosso estudo anterior, foi apontado que as telas fibrosas de PVB submetidas a eletrofiação mostraram hidrofobicidade devido às suas estruturas desiguais [38]. Na ausência de PVPI, as malhas eletrofiadas de PVB mostraram o caso do ângulo de contato semelhante, como pode ser visto na Fig. 5 (c). Como PVPI é dopado em PVB, o ângulo de contato SBF diminuiu e rapidamente para zero com PVPI maior que 2%, o que indicou que PVPI aumentou a hidrofilicidade das malhas fibrosas fiadas. A boa hidrofilicidade dessas telas fibrosas garantiu a capacidade de absorção do excesso de exsudado da ferida e, então, seria benéfica para aplicações de curativos.

Exame de contato SBF das fibras fiadas PVP / I (a – a3), PVP / PVPI (b – b3), PVB / PVPI (c – c3) com diferentes concentrações de iodo / PVPI

Permeabilidade ao ar

Um curativo ideal também requer boa permeabilidade ao ar para fornecer um ambiente positivo para a cicatrização de feridas [9, 11,12,13]. Aqui, também investigamos a permeabilidade ao ar desses tipos de telas fibrosas dopadas com iodo, conforme mostrado na Tabela 2. Como pode ser encontrado na Tabela 2, com o aumento da dopagem de iodo em PVP, a permeabilidade ao ar também aumentou de 59,92 para 324,3 mm s ⁻¹ , que pode resultar da diminuição do diâmetro e do aumento da porosidade, enquanto a permeabilidade ao ar das telas fibrosas com PVPI dopado em PVP e PVB não apresenta tendências evidentes. No entanto, os dopantes a 5% apresentam melhor permeabilidade aos gases do que os polímeros puros. Para efeito de comparação, também testamos a permeabilidade ao ar de dois curativos tradicionais (TWD) comprados no mercado. É claro que os curativos fibrosos eletrofiados elaborados estabelecem melhor permeabilidade ao ar do que os existentes no mercado.

Para um exame mais aprofundado da permeabilidade do ar, testamos o tamanho dos poros e a distribuição dos poros nas malhas fiadas. Conforme mostrado na Tabela 3, os tamanhos médios dos poros das malhas como fiadas foram listados. Geralmente, quanto maior o tamanho médio dos poros, melhor a permeabilidade ao ar, em comparação com os dados da Tabela 2. Além disso, os tamanhos dos poros das telas fibrosas fiadas eram principalmente uniformes, com a maior porção nos tamanhos médios, que podem ser encontrado no arquivo adicional 1:Figura S1. Os tamanhos dos poros dessas telas eletrofiadas estavam na região de 1,936–9,152 μm, combinando com os tamanhos das células do tecido humano, o que seria benéfico para a cicatrização de feridas. No entanto, devido à precisão do instrumento, os tamanhos dos poros do TWD eram muito pequenos para serem testados, o que pode resultar na baixa permeabilidade dos mesmos ao ar.

Atividade antibacteriana

Outro requisito para o curativo ideal é assepsia e até mesmo antibiose para prevenir e tratar infecções da ferida [11,12,13]. Neste trabalho, o doping com iodo e PVPI tem razão para conseguir isso. As atividades antibacterianas das telas fibrosas fiadas foram avaliadas contra bactérias patogênicas típicas, como E. coli e S. aureus , conforme mostrado na Fig. 6. A partir da Fig. 6, pode-se descobrir que nenhum círculo bacteriostático foi formado para PVP ou PVB puro. Uma vez que o iodo ou PVPI foi dopado no polímero, as membranas fibrosas como fiadas mostraram zonas de inibição óbvias para as duas cepas bacterianas após intervalos de 24 horas. Além disso, o PVP dopado com iodo mostrou as melhores propriedades antibacterianas contra ambos E. coli e S. aureus , o PVP dopado com PVPI ocupando o segundo lugar e o PVB / PVPI por último. As boas propriedades antibacterianas garantiram que as telas fibrosas eletrofiadas à base de iodo pudessem ser usadas para a cura de feridas contra infecções bacterianas da ferida. Além disso, pode-se esperar que quanto maior a concentração dos antibacterianos adicionais, melhores serão as propriedades antibacterianas das telas. Consequentemente, pode-se facilmente obter melhores propriedades antibacterianas adicionando mais iodo ou PVPI em suas soluções.

A atividade antibacteriana das membranas as-spun contra E. coli e S. aureus

Aplicativos In Situ

Acredita-se que o curativo in situ irá beneficiar sua eficiência devido à superioridade adicional, como conformabilidade sem enrugamento ou ondulação no leito da ferida, facilidade de aplicação e melhor adesão e conforto do paciente [39]. Consequentemente, a eletrofiação in situ é considerada um conceito útil para produzir substitutos adequados para a reparação de tecidos e cicatrização de feridas diretamente na lesão do paciente, independentemente do tamanho e profundidade da ferida [18, 34, 35, 40, 41]. Como mostrado na Fig. 7a, b, as malhas fibrosas à base de iodo podem ser submetidas a eletrofiação in situ na "mão ferida" pelo dispositivo HHE-1 e formar uma película fina na superfície da pele como uma segunda camada de pele devido às forças de atração eletrostática. A membrana fibrosa de PVP-I submetida a eletrofiação mostra boa flexibilidade e compactação e pode ser facilmente removida se necessário [ver Fig. 7c, d). Os detalhes mais vívidos da eletrofiação in situ do curativo PVP-I podem ser encontrados no arquivo adicional 1:Vídeo S1 e S2 e Figura S2.

Aplicações in situ do aparelho portátil e tapetes fibrosos eletrofiados à base de iodo. Por meio do HHE-1, pode-se facilmente fazer a eletrofiação in situ de PVP / I à base de iodo na "mão ferida" ( a - b ), as esteiras de eletrofiação podem ser facilmente removidas do "leito da ferida" ( c - d )

Conclusões

Em resumo, temos PVP / I, PVP / PVPI e PVB / PVPI in situ eletrofiados em membranas fibrosas por um aparelho de eletrofiação manual. Essas malhas eletrofiadas apresentam diâmetros uniformes e melhor hidrobilicidade com dopagem de iodo ou PVPI. Além disso, a boa permeabilidade ao ar das malhas eletrofiadas PVP / I, PVP / PVPI e PVB / PVPI garante sua aplicação em curativos. As concentrações aumentadas de iodo e seu complexo favorecem as propriedades antibacterianas dessas telas e, então, melhoram os efeitos como curativo. Além disso, a eletrofiação in situ também beneficia o processo de eletrofiação e as telas fibrosas como fiadas para a cicatrização de feridas.

Abreviações

E. coli :: Escherichia coli
EDS:: Sistema dispersivo de energia
FTIR:: Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier
HPMC:: (Hidroxipropilmetilcelulose
PAA:: Poli (ácido acrílico)
PEG:: Polietileno glicol)
PEO:: Poli (óxido de etileno)
PVA:: Álcool polivinílico)
PVB:: Poli (vinil butiral)
PVP:: Poli (vinilpirrolidona)
PVP / I:: Poli (vinilpirrolidona) / iodo
PVPI:: Poli (vinilpirrolidona) -iodo
S. aureus :: Staphylococcus aureus
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
WCA:: Ângulo de contato com a água (WCA)

Dispositivos emissores de luz orgânicos fosforescentes de três camadas eficientes sem camada de modificação de eletrodo e seu mecanismo de trabalho Confinamento aprimorado de polaritons de plasma de superfície Terahertz em guias de onda de metal semimetal-isolador de Dirac a granel

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