改性纤维素材料具有抗氧化和AntimicrobialProperties制药应用

文摘

细化两步物化过程获得抗菌和抗氧化材料。一个两步过程用于改性的纤维素/甲壳素纤维混合(CC)第一商业应用纤维素酶酶的酶激活,然后偶联反应与酚类抗氧化剂如羟基苯甲酸(HBA) gallicacid (GA)和丁香酚(欧盟)进行了进化抗菌和抗氧化特性。酶活性和随后修改具有抗氧化半个样本ATR-FTIR光谱学、x射线光电子能谱扫描电镜和热重量分析法。此外,抗氧化和抗菌能力进行了测试。所有结果确认后纤维表面形态和结构变化twostep程序修改。根据XPS结果,修改度的表层纤维不同的35 - 43%。抗菌素和自由基清除活性高达100%,抗氧化活性的顺序可以写成:CC /欧盟> CC / GA > CC / HBA。材料可以广泛应用于dermo-cosmetic这些功能领域保护皮肤免受氧化应激,透皮贴片可有效地用于伤口敷料的材料。

关键字

抗氧化,抗菌,ATR-FTIR光谱学、核酸化学治疗。

介绍

从多种多糖、纤维素和甲壳素是最重要的生物质资源1]。而纤维素纤维moisture-absorbent舒适,甲壳素纤维展示期静生的,炎症递减,odor-resistant, odorpreventing和itch-resistant属性(2]。因此,纤维素和甲壳素的结合是一个有吸引力的任务生产材料组合和/或特殊性质(3,4]。纤维素是用于广泛的应用程序包括复合材料、网、装饰、涂料、包装、纸等。纤维素的化学改性是改善加工性能和执行生产纤维素材料,可以针对特定的工业应用。一般来说,纤维素制品是强大的,可再生的,可回收的生物相容性,被用于各种生物医学应用程序(5]。

纺织品含有抗氧化剂可能允许一个类似程度的皮肤扩散的皮肤补丁用于制药领域(6]。纤维素不溶于水和大多数常见的溶剂。穷人溶解度主要是由于个体之间的强烈的分子内和分子间氢键链。对其修改、各种应用程序。不同的方法已被用于抗菌纺织材料的功能化避免这些发生在有机溶剂的物理过程等离子体激活(7,8]。

抗菌药物可以被纳入纤维(9),应用于纤维表面(10),或化学结合到纤维7,11]。抗氧化剂是天然物质用于调节过程引发的外部侵略,从而防止氧化应激。天然生物活性制剂对biofunctionalization抗菌性越来越重要的纺织纤维,因为他们使生产安全,无毒,皮肤和环保生物活性纺织产品。植物性产品代表了抗菌药物的主要组织,它包括物质,如酚类(简单酚类、酚酸奎宁,黄酮类化合物,黄酮类、单宁和香豆素)、萜类化合物、精油、生物碱、植物血凝素、多肽和聚乙炔。这些组件显示,不仅抗菌素,而且抗氧化性能。这是非常重要的在开发创新的生物医学应用,如生物活性敷料和愈合隔离材料。对于这类应用程序,除了抗菌药物抑制,是非常重要的提供一个减少那些强烈的活性氧与创伤的发病机制,造成损伤生物分子如脂质、蛋白质和核酸12]。

抗菌药物可以在两个不同的方面:(一)联系;雷竞技网页版抗菌剂被绑定到纤维表面,和(b)的扩散;抗菌剂是缓慢释放到纤维表面和/或表面。结合抗菌药物的主要优势是,他们不leach-off纺织品基质进入环境,所以微生物发展阻力的概率很小。自从绑定抗菌素牢牢地附着在纤维表面,他们更耐用比浸出抗菌素洗钱。缓释机制的情况下,物质不是纺织品表面的化学结合的“水库”代理交付是有限的,因此,最终活性剂的浓度降低,逐步属于有效性的限制,因而可以诱导阻力这些物质在微生物(13]。

酚类化合物是众所周知的,针对超氧化物自由基的抗氧化剂。众所周知,酚类有机方面的氧化率降低H原子转移(从他们哦组)chain-carrying ROO激进分子(14]。几种酚类化合物发挥抗氧化和抗菌活性已经被用来修改聚合物材料。他们可以与酶反应不同的区段,因此可能在纤维素纤维表面接枝开发基于共价结合抗氧化纤维产品(15]。

非常难去除表面的生物膜形成,自粘细菌显示一个伟大的抵抗各种各样的农药。至关重要。因此,设计表面不允许解决微生物在第一个地方。因此,记住这个策略,抗菌表面设计原则应该抵御微生物或杀死他们接触不会造成皮肤敏化(雷竞技网页版16]。

在这项研究中,羟基苯甲酸(HBA)、没食子酸(GA)和丁香酚(欧盟)被用作参考抗氧化和抗菌药物的改性纤维素/甲壳素纤维(CC)混合使用酶活化偶联反应。纤维表面改性的最适条件条件建立了为了获得材料等制药和医学应用皮肤伤口敷料或cosmeto-textiles补丁。

方法

材料

非织造纤维素/甲壳素纤维混合交付根据山东CHITCEL的贸易名称,(中国)包含9 - 11 wt %几丁质,这赋予了纤维抗菌性。Celluclast 1.5 L酶,纤维素酶产生的混合物木霉属从Sigma-Aldrich reesei (83 FPU /毫升)。用于激活的纤维。酶作为收到。没食子酸、羟基苯甲酸、丁香酚是从Sigma-Aldrich购买的。纯度是99%的对羟基苯甲酸为没食子酸和丁香酚和98%,他们使用前未经纯化。

纤维素/甲壳素纤维混合程序修改

纤维素酶酶处理的纤维素/甲壳素纤维进行混合1 g / l Celluclast 1.5 l在pH5 50°C 1小时(0.05 M醋酸缓冲)。fiber-to-enzyme解比例是1:10 (w / w)。潜伏期后,酶被释放在蒸馏水洗涤纤维样品90°C 5分钟。然后他们彻底冲洗两次冷水,热水和两次离心20分钟8000转,从而消除多余的水,最后风干。

酶激活后纤维沉浸在对羟基苯甲酸的解决办法,没食子酸和丁香酚,7.5 g / L浓度(解决方案是使用相同的缓冲溶液的酶激活),4小时,在室温下,vigurous搅拌(~ 120 rpm)。然后纤维在8000 rpm离心机15分钟以去除过量的反应物。修改后,在索氏提取器中提取的纤维改性羟基苯甲酸和丁香酚氯仿为样本,为没食子酸和甲醇,6小时,为了消除物理吸收和未反应的化学物质。修改后的纤维(CC / HBA, CC / GA和CC /欧盟)然后风干和分析。

调查方法

衰减全反射-傅里叶变换红外光谱学(ATR-FTIR)

ATR-FTIR光谱被记录在4 cm - 1与64年决议扫描通过光谱仪力量顶点的70年,在吸光度模式下,通过45°ATR技术奈米晶体。渗透厚度约为100微米。对于每一个样本,进行了评估平均频谱获得三个录音。背景和样品光谱中获得500 - 4000 cm - 1波数范围。光谱的处理是通过使用一个SPECVIEW程序。

x射线光电子能谱(XPS)

XPS测量用φ5000 Versa探针能谱仪(ULVAC-PHI公司)配备一个单色Al Kαx射线源(λ= 14866 eV)。分析室的压力保持在2 x 10 - 6 Pa或降低在每个测量。在起飞45°角测量样品表面。的MultiPak V8.2C软件被用于背景减法,集成、峰值拟合和定量化学分析。

扫描电子显微镜(SEM)

用扫描电子显微镜扫描电镜SEM分析/整体- EDAX广达200年,没有任何进一步的治疗,在10000倍的放大。

热重分析(TGA)

TGA进行了DTA / TG耦合仪器、模型STA 449 F1木星(Netzsch、德国)常数氮流(200毫升/分钟)的加热速度10ºC /分钟。加热和冷却运行进行速度10°C /分钟。

DPPH自由基清除实验

的自由基清除活性纤维素/甲壳素纤维测定混合使用适应稳定激进2,2-diphenyl-1——picrylhydrazyl (DPPH)方法。短暂,大约30毫克的纤维是放置在一个瓶/包含2毫升methanolic解决DPPH(0.06毫米),并且涡大力1/2 h在室温(20°C)在黑暗中。改性纤维的表面嫁接上酚类化合物与DPPH反应。剩下的DPPH由吸光度在517海里使用紫外光谱仪(卡里60紫外可见分光光度计)。获得的控制是使用相同的过程但是混合物包含未改性纤维。自由基清除活性(RSA)的纤维素/甲壳素纤维混合计算根据方程(1)

(1)

地点:一个^样本代表样品溶液的吸光度和一个_控制代表DPPH溶液的吸光度与未改性的纤维。

抗菌测试

两个系列的抗菌测试应用。第一个是根据标准完成老方法ISO 16649 - 2/2007-Microbiology食物和动物产品。实验测试协议对大肠杆菌抗菌效率,包括以下阶段:

灭菌介质的细菌增长(没有或样品);TBX Chromogenis琼脂,基于胰蛋白胨琼脂培养基胆汁盐被用来检测和列举大肠杆菌;x-ß-D-Glucuronide,作为显色剂,允许检测酶葡萄糖醛酸酶的存在,这是非常具体的大肠杆菌。这种细菌吸收显色剂x-ß-D-glucuronide,细胞内的葡萄糖醛酸酶酶活性破坏发色团之间的债券和葡糖苷酸。发色团发布的彩色,堆积在细胞内,导致大肠杆菌菌落是蓝颜色的。(SR ISO 16649(大肠杆菌;“水平方法β-glucuronidase-positive大肠杆菌-第2部分:菌落计数技术在37°C使用5-bromo-4-chloro-3-indolylβ-D-glucuronide”)根据“矿物改性谷氨酸汤”(目录1365)]。灭菌的培养基是在高压釜在110°C和0.5酒吧了20分钟。

获得的写明ATCC文化

是由播种0.1毫升的主要文化中(有或没有样品);

接种和孵化24和48小时37°C;

识别和计数目标细菌

殖民地通过选择性培养基分离、计数,对整洁的培养基和培养基与样本,通过使用一个Funke戈贝尔殖民地明星细菌计数。

5 -抑制效率计算通过使用方程(2)

(2)

地点:

E是抑制效率(%)

Nsample是殖民地的数量上开发包含测试纤维的生长介质

Ncontrol殖民地开发的数量在增长中

在第二个系列中,大肠杆菌定性测试确定大肠杆菌发达的殖民地或样品表面。它使用一个参考股票文化获得纯个人微生物群与已知的和可预见的增长需求。

获得的主要文化

Kwik-STIK E。写明ATCC 25922单元热杆菌平衡在室温下,删除的主要琼脂板识别进发。凝胶平板水化和琼脂培养基上接种材料转移与非选择性增长(主要文化)。接种面积中风获得独立的殖民地。媒介是立即孵化,这决定了选择代表绝缘殖民地,用于传输在板块中纤维样品将被应用。

获得二级文化

儿子以来的第七天处理参考应变获得初代培养,准备一个测试文化在非选择性琼脂培养基:代表,孤立的殖民地从主文化分散介质,接种一个圆形区域的直径25毫米然后中风的10 - 20倍接种区域孤立的殖民地。亚文化是培养24小时37°C。

接种

先前获得的亚文化用于播种大豆胰蛋白胨琼脂培养基的板块中曾介绍。纤维的样本被放置在每一个盒子中。他们孵化24小时在37°C。孵化后,细菌群落的发展或附着在纤维样品定性(视觉)评估。如果样本周围的培养基是透明的,可以认为纤维的抑菌效果。从媒介及其纤维去除后孵化新提交,没有样品和保持相同的条件下,一个新的评估细菌生长。如果细菌在最初的地方开发的示例已经定位,它可以假定聚合物只有抑菌效果。如果没有细菌样品的开发新潜伏期之后,一个样本的杀菌剂效果被认为是活跃。

结果

ATR-FTIR光谱结果

纤维的ATR-FTIR光谱包含的主要红外光谱波段纤维素和甲壳素,混合纤维的组件,以及乐队出现与羟基苯甲酸酶激活和随后的修改后,没食子酸和丁香酚(图1和表1)。

下面的光谱特性评估:

H-bonds已经计算的能量方程(3)17]。

(5)

地点:ν_o——标准频率对应的自由-哦组(3650 cm - 1)

ν-保税的频率-哦组;k = 4 * 10³kJ¹

H-bond形成的焓被评估使用方程(4)(18]。

ΔvΔH(焦每摩尔)= 0.0672_哦+ 2.646 (4)

地点:Δν_哦(cm -波数转变¹)

不对称指数(a / b)比值峰值的宽度的一半高度哦,吸收带(19]。

获得的数据进行了总结表2。

XPS结果

有用的比较光谱,调查显示,C与O是主要物种(他们通常发现在纤维素/甲壳素纤维表面混合),正如所料,O, N新特征发射峰出现在改性纤维素/甲壳素纤维混合样品光谱由于酶和/或化学治疗图2。

最明显的变化在纤维结构,或者至少表面的纤维,可以检测到碳原子的数目和类型。未经处理和酶处理过的纤维都有碳原子的四种类型:C1 -一个碳原子结合另一个碳(碳碳),或一个氢原子(碳氢键);C2 -一个碳原子连着一个氧原子从c哦(切断),一个氮原子(氮),或从C-O-C组;C3 -一个碳原子结合的两个氧原子(-O-C-O)或一个羰基原子(- c = O)或一个连着一个氮原子和氧原子双键(c = O);C4 -一个碳原子单连着一个氧原子和一个羰基氧原子(O c = O)。

结合能和deconvoluted碳峰面积百分比为纤维素/甲壳素纤维混合,未经处理和修改中列出图3。

氧气deconvoluted山峰证明两种类型的氧原子:O1群:一个氧原子与一个碳原子通过单键(切断)或羟基氧(哦);O2:羰基氧原子连着一个原子(- c = O),单一的两个碳原子成键(C-O-C)或羟基氧原子连着一个碳原子(哦)。

deconvoluted氧的结合能和相对浓度峰值为未经处理和改性纤维素/甲壳素纤维混合进行了总结图4。

扫描电镜结果

未经处理的表面形态和改性纤维是由SEM分析了-图5。

DPPH自由基清除实验

混合的自由基清除活性纤维素/甲壳素纤维改性前后与酚类化合物和这项研究的结果发表在决定表3。

酚酸的自由基清除活动取决于羟基的数量的芳环连着半个苯甲酸分子。没食子酸,三个羟基,观察比羟基苯甲酸更活跃。同时,甲氧基根附着在芳环增加自由基清除活性;这就是为什么丁香酚比没食子酸和羟基苯甲酸(更活跃20.]。

抗菌测试

抗菌测试的结果给出了抑制革兰氏阴性的大肠杆菌表4。

的影响抗菌材料上的内容也可以被考虑定性的评价营养琼脂板上的细菌生长。在图6代表图像对应于大肠杆菌接种。

营养琼脂板与所选菌株的接种了改性纤维的处理可以抑制细胞生长的纤维区(图6)。

讨论

一些新的乐队出现在ATR-FTIR光谱的酶激活纤维(图1一个)即:1561 cm - 1(分配给C = O伸展振动);1411 cm - 1(指派给c组,在平面弯曲哦),1268 cm - 1(分配给CONHR集团酰胺三世,碳氮伸展振动和NH变形振动)。酶激活,内含有更多的纤维层甲壳素揭示并提供C - N和NH链接。

一些乐队出现在ATR-FTIR光谱-图1 b对应于羟基苯甲酸1560 cm - 1(分配给羧基,不对称C = O伸展振动)或新链接之间形成纤维素/甲壳素纤维和羟基苯甲酸:1263 cm - 1(对应于Aryl-COO集团,切断伸展振动)。同样来自图1 c一些新的乐队可以观察到与没食子酸:1560 cm - 1(分配给羧基,非对称C = O伸展振动),或新链接之间形成纤维素/甲壳素纤维和没食子酸混合:1264 cm - 1(对应于Aryl-COOgroup,切断伸展振动)。新乐队也确定了对应于丁香酚:1560 cm - 1(分配给非对称C = O伸展振动),或新链接之间形成纤维素/甲壳素纤维和丁香酚混合:1265 cm - 1(分配给非对称C-O-C伸展振动)- (图1 d)。

也有乐队的重要转变位置更低或更高的波数或分割不同的乐队,这表明新化合物形成后两步处理过程(表1)。基于这些结果可以得出结论,修改后发生激活的酶治疗。

修改后,可以观察到(表2)增加不对称指数从0.75到0.88的CC / HBA, 0.85 CC / GA和0.87 CC /欧盟,并增加了氢键能源从20.27 kJ 21.44 kJ CC / HBA, 21.58 kJ CC / GA和21.44 kJ CC /欧盟,和氢键焓降低,这将意味着结构性订单已修改。

XPS数据表明,表面氧检测的比例较高的纤维素/甲壳素-改性纤维(CC / HBA 37.8%, 34.3%为CC / GA和32.2 CC /欧盟)比未经处理的(27.9%),而表面碳原子的比例较低的纤维素/ chitin-modified纤维(61.8%为CC / HBA, 64.9%为CC / GA和CC /欧盟为66.7%)比未经处理的(72.1%)。

修改后,O / C比所有酶——激活纤维增加,表明发生了表面改性。没有发现大量的氮表面未经处理的纤维。氮只能检测到表面的酶激活纤维和随后处理样品(CC / HBA 3.4%, 4.5%为CC / GA和CC /欧盟5.8%),它能产生更有效地从几丁质酶激活后在表面。

没有明显的结合能的变化观察deconvoluted碳峰的修改样品。对所有样本,修改后C1峰下降的百分比;此外,C2峰值有修改。一个可能的解释是,通过酶治疗新的链接,同时形成表面的纤维被激活。因此,甲壳素可以交互提供C - N链接。此外,C3和C4峰值显示增加修改样品。C4峰值在一小部分在所有样本最有可能由于羧基组的低浓度表面的纤维。

羟基含量的表层混合纤维素/甲壳素纤维是32.69%。C2组(切断- c哦)遭受的变化对于所有修改后的样品。C3组也显著增加,从17.44%降至48.16%。基于上述值,表面改性程度的层可以为CC / HBA估计在42.45%左右,36.92% CC / GA, CC /欧盟为35.43%。大HBA的反应性和GA可以解释为羧基团体的存在,还可以参与反应的活性位点上激活纤维表面。没食子酸和羟基苯甲酸显著成功嫁接到纤维表面,增加羧酸团体的数量按照结果由钱德拉et al。21]。

此外,含氧unoxygenated碳比率(C_牛/ C_unox)还与下面的计算

方程5

(5)

XPS数据中列出图3显示增加总含氧碳键,C_牛/ C_unox也表明表面改性。

O1和峰值显示减少修改后酶激活。同时,修改后,O2高峰,特点是高结合能增加引起的酶治疗期间创建的新的链接。

氮被发现只有表面上的激活和修改样品,由于部分降解纤维素表面更加明显。氮deconvoluted乐队被证明为酶处理两种类型的氮原子结合能和相对浓度给定的样本表4。N1:单键的氮原子与两个碳原子C-NH-C或氮原子与一个羰基原子(c = O);N2:一个氮原子与一个碳原子由一个单键(氮)。价值的N1 N2峰的峰值高于所有修改后的样品。

从SEM图像,一个可以观察到的表面未经处理的纤维很均匀,个别纤维完好无损(图5一个)。图5罪犯说明了修改HBA治疗的作用,GA和欧盟,证据在纤维表面,纤维显示粗糙表面,显然还有一层薄薄的存款,覆盖整个表面。

改性纤维素/甲壳素纤维混合显示自由基清除活性5.54% CC / HBA, 16.26% CC / GA和CC /欧盟为100% (表3)。酚类化合物的抗氧化活性的功能使用。结果证明丁香酚改性纤维可以以最高的抗氧化活性,可以关联到的酸性羟基(22]。

就像上面提到的,不同的自由基清除效果观察可以归因于个人的不同能力和DPPH酚类化合物反应,给一个稳定非激进的产品。

使用酶治疗,混合纤维素/甲壳素纤维的表面清洗和蚀刻,表面可获得更多的甲壳素可能传授更好的抗菌性能的纤维。修改与酚类抗氧化剂进一步提高抗菌性能。抗菌活性高达100%。

纤维素/甲壳素改性纤维的抗菌效果被删除后没有增长显示板的纤维(图6 c)。没有增长的改性纤维(re-incubated后)表明,新获得的纤维具有抗菌效果(而不是一个抑菌效果如细菌增长的情况下)。缺乏细菌菌落在接触区域的标本被认为是一个可接受的抗菌活性。雷竞技网页版

酚类化合物的抗菌效果提供纤维素/甲壳素纤维混合是依照结果发现本色牛皮纸板纤维的抗菌活性15]。酚类化合物的抗菌机制通常是与氢氧根和delocalisation相关的电子结构。纤维素酶启动抗菌芳香结构的修改增加这些抗菌物质的功效和可能采取一个有效的方法来建立共价结合生物活性表面。类似抗菌材料混合使用纤维素/甲壳素纤维是通过等离子体激活(7]。

结论

混合纤维素/甲壳素纤维与羟基苯甲酸被成功修改,没食子酸和丁香酚使用纤维素酶酶的激活。修改证明使用ATR-FTIR光谱、x射线光电子能谱和扫描电镜。修改度估计XPS数据42.45%的CC / HBA, 36.92% CC / GA和CC /欧盟为35.43%。

抗氧化能力和微生物活动混合纤维素/甲壳素纤维的改性与酚类化合物进行了评估,结果表明,效率取决于类型的酚类化合物用于修改。抗菌活性和自由基清除活性增加了100%。丁香酚被发现传授最佳抗氧化纤维素/甲壳素纤维混合。

抗氧化和抗菌性能的改性纤维素纤维推荐cosmeto-textiles领域的潜在材料作为水库系统能够逐步实现活性物质对皮肤层。也可以作为伤口敷料材料或经皮肤补丁。

这个修改过程提供的选项增强水凝胶与坚实的支持和准备与潜在应用膜透析膜,药物输送载体等。

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