In Situ Electrospinning Iodine-Based Fibrous Meshes untuk Pembalut Luka Antibakteri
Abstrak
Untuk aplikasi yang efektif dari electrospinning dan electrospun fibrous mesh pada pembalut luka, kami memiliki elektrospun poli(vinil pirolidon)/iodin (PVP/I) in situ, PVP/poli(vinil pirolidon)-iodin (PVPI), dan poli(vinil butiral). ) (PVB)/larutan PVPI ke dalam membran berserat dengan peralatan electrospinning genggam. Morfologi serat electrospun diperiksa dengan SEM, dan hidrofobisitas, permeabilitas gas, dan sifat antibakteri dari jerat as-spun juga diselidiki. Fleksibilitas dan kelayakan membran electrospinning PVP/I, PVP/PVPI, dan PVB/PVPI in situ, serta permeabilitas gas yang sangat baik dan sifat antibakteri dari as-spun mesh, menjanjikan aplikasi potensial mereka dalam penyembuhan luka.
Latar Belakang
Berkat keuntungan dari produksi skala besar yang mudah, rasio luas permukaan terhadap volume yang besar, porositas tinggi, dan struktur bagian dalam yang dapat disetel [1,2,3,4], jaring berserat electrospun telah menarik banyak minat di berbagai bidang seperti filtrasi [5, 6], perawatan medis [7,8,9,10,11,12], dan energi [13, 14]. Membran berserat electrospun cocok untuk pembalut luka karena struktur nanonya yang meniru fibril kolagen dari matriks ekstraseluler asli dan organ manusia [9, 11], dan kemudian, jerat pintal tidak hanya dapat secara fisik melindungi luka dari kontaminan dan infeksi, tetapi juga menyediakan lingkungan yang ideal untuk regenerasi kulit melalui mempertahankan pertukaran gas yang memadai, serta mempromosikan fase hemostasis dan menghindari induksi bekas luka [9, 11, 12].
Di antara ribuan bahan electrospun yang cocok, poli(vinil pirolidon) (PVP) dan poli(vinil butiral) (PVB) adalah dua polimer penting karena biokompatibilitasnya yang sangat baik, tidak beracun, kelarutan yang baik dalam alkohol, dan sebagainya [15,16,17] ,18]. Akibatnya, bahan berserat PVP dan PVB as-spun telah populer diterapkan untuk pembalut luka [18,19,20]. Selain itu, PVP dalam kombinasi dengan yodium membentuk kompleks yang disebut PVP-iodin (PVPI) dan telah menjadi disinfektan yang sangat efisien dan banyak digunakan untuk stimulasi kecil, toksisitas rendah, polusi cahaya, efek bakterisida spektrum luas, dan nonresistensi mikroorganisme untuk bahkan lama menggunakan [21,22,23,24]. Namun demikian, PVPI tidak direkomendasikan untuk penggunaan jangka panjang atau untuk luka kompleks [25]. Serat berbasis PVP-I electrospun dapat menjadi solusi yang membantu dan telah dilaporkan oleh beberapa kelompok [26,27,28,29,30,31,32,33]. Ignatova dkk. telah menyiapkan serat PVPI atau poli(etilen oksida) (PEO)/PVP-I dengan mengelektrospinning larutan PVPI atau PEO/PVP-I secara elektrospin secara langsung atau dengan mengikat silang alas PVP dan PEO/PVP dan mengolahnya dengan uap yodium atau larutan yodium [26]. Wang telah membuat nanofibers PVPI dengan electrospinning PVP, yodium, dan larutan etanol absolut, dan karakterisasi serat pintal dari spektrum inframerah, spektrum Raman, dan difraksi sinar-X memastikan pembentukan kompleks PVPI [27]. Uslu dkk. telah melaporkan serangkaian serat electrospun berbasis PVPI seperti serat poli(vinil alkohol) (PVA)/PVPI [28], PVA/PVPI/poli(etilena glikol) (PEG) yang mengandung (hidroksipropil)metil selulosa (HPMC) dan lidah buaya [29], serat nano PVA/PVPI dengan tambahan kitosan dan poloxamer 188 [30], dan serat PVA/poli(asam akrilat) (PAA)/PVPI [31]. Semua serat PVPI ini diketahui menunjukkan aplikasi potensial dalam pembalut luka, namun sebagian besar berfokus pada morfologi dan stabilitas termal dari serat/jerat pintal. Hong dkk. telah melaporkan PLLA/PVPI/TiO2 multikomponen ultrathin berserat nonwoven dengan electrospinning dan pengobatan uap yodium [32]. Ditemukan bahwa keberadaan PVPI memberikan nonwoven dengan daya serap air, aktivitas antimikroba, kemampuan perekat, dan karakteristik transformasi dari hidrofilisitas menjadi non-hidrofilisitas. Sebe dkk. telah menyiapkan serat nano PVP/poli(vinilpirolidon-vinilasetat)/yodium dengan rasio polimer berbeda dengan teknik pemintalan putar berkecepatan tinggi. Kecuali untuk analisis morfologi rinci, struktur supramolekul dan aktivitas antimikroba dari tikar yang diperoleh juga diselidiki, yang menyarankan aplikasi potensial dalam pembalut luka [33]. Namun, untuk aplikasi praktis, serat elektrospun PVPI ini hanya dapat dibuat berdasarkan model yang telah dirancang sebelumnya dan kemudian ditanamkan ke luka pasien, yang dapat menyebabkan cedera kedua pada luka. Electrospinning in situ mungkin memecahkan masalah ini.
Dalam makalah ini, kami memiliki solusi PVP dan PVB berbasis electrospun yodium in situ ke dalam jaring berserat oleh peralatan electrospinning portabel genggam. Morfologi, hidrofobisitas, permeabilitas gas, dan sifat antibakteri dari as-spun mesh diperiksa. Selain itu, efek konsentrasi yodium pada sifat-sifat ini juga diselidiki. Selanjutnya, fleksibilitas dan kelayakan in situ electrospun yodium berbasis fibrous mat disajikan, dan kemudian, aplikasi untuk pembalut luka dapat diharapkan.
Metode/Eksperimental
Materi
Polyvinylpyrrolidone (PVP, 250 kDa, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) dilarutkan dalam etanol (Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) pada 13% berat. Poli(vinil butiral) (PVB) (100 kDa, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) dilarutkan dalam etil alkohol pada 10% berat. Yodium (Reagen Analytical, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) ditambahkan ke dalam larutan PVP/etanol pada konsentrasi masing-masing 1 wt%, 2 wt%, dan 5 wt%. Kompleks poli(vinilpirolidon)-iodin (PVPI, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) dilarutkan dalam larutan PVP/etanol dan PVB/etanol masing-masing pada 1% berat, 2% berat, dan 5% berat. Solusi kompleks diaduk pada suhu kamar di bawah pengadukan konstan selama setidaknya 24 jam sebelum electrospinning. Cairan tubuh simulasi yang dimodifikasi (SBF) dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China.
Proses Electrospinning
Solusi yang disiapkan ditempatkan ke dalam jarum suntik 5 mL yang dilengkapi dengan nosel dengan diameter 0,1 mm, dan kemudian dimasukkan ke dalam peralatan electrospinning portabel genggam (HHE-1, Qingdao Junada Technology Co., Ltd), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Tegangan tinggi perangkat ini sekitar 10 kV tetap [34, 35]. Selama proses electrospinning in situ, pertama-tama seseorang dapat mengoperasikan perangkat dan kemudian menekan jarum suntik dengan jari. Serat as-spun dapat dibuat dan kemudian disimpan ke kolektor, seperti yang disarankan pada Gambar 1b. Pancaran electrospinning oleh perangkat ini dapat ditangkap oleh kamera berkecepatan tinggi, yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Untuk pemeriksaan lebih lanjut dari jaring serat electrospun in situ, kami juga melakukan elektrospun in situ serat-serat ini ke kolektor aluminium foil dengan jarak 8 cm. Jaring yang terkumpul dibuka dari aluminium foil untuk karakterisasi lebih lanjut.
Aparatus electrospinning genggam (a ) dan proses electrospinning in situ (b ). Pancaran electrospinning dapat dilihat dari spinneret (c )
Karakterisasi
Morfologi dan sistem dispersi energi (EDS) dari serat pintal diperiksa dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM, Phenom ProX, Phenom Scientific Instruments Co., Ltd., China) pada 10 kV, dan semua sampel dilapisi dengan emas selama 30 s sebelum analisis. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) diukur dengan spektrometer Thermo Scientific Nicolet iN10. Sudut kontak cairan tubuh yang disimulasikan (SBF) diperiksa oleh Penganalisis Sudut Kontak (JY-PHb, China) dengan tetesan SBF 2-μL. Berdasarkan standar ASTM D 737, permeabilitas udara di bawah penurunan tekanan 200 Pa diuji oleh penguji permeabilitas udara (Textest FX3300). Ukuran pori dari anyaman fibrous mesh diperiksa oleh PSM 165 (Jerman, Topas GmbH, PSM 165) pada tekanan 200 Pa. Sifat antibakteri dari mesh pintal diselidiki terhadap Escherichia coli (E.coli , ATCC 10536) dan Staphylococcus aureus (S. aureus , ATCC 25923) bakteri. Sel bakteri E. koli (ATCC 10536) dan S. aureus (ATCC 25923) ditumbuhkan selama 24 jam pada shaker pada suhu 37°C dan 100 rpm.
Hasil dan Diskusi
Morfologi Serat Electrospun
Dengan peralatan HHE-1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, larutan PVP/I, PVP/PVPI, dan PVB/PVPI yang telah disiapkan dapat dipintal secara elektro menjadi serat dengan mudah. Morfologi as-serat dapat ditemukan dari gambar SEM yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Dari gambar SEM, orang dapat dengan jelas menemukan bahwa serat electrospun menunjukkan permukaan yang halus, sedangkan diameter serat as-spun menunjukkan distribusi yang berbeda karena bahan dan konsentrasi yang berbeda. Menggabungkan gambar SEM dan data pada Tabel 1 secara komprehensif, terlihat bahwa untuk serat PVP/I, dengan meningkatnya konsentrasi yodium, diameter rata-rata serat as-spun menurun dengan jelas, yang mungkin disebabkan oleh konduktivitas larutan yang lebih tinggi. sebagai yodium ditambahkan [36]. Sedangkan untuk PVP/PVPI dan PVB/PVPI, diameter rata-rata serat as-spun keduanya meningkat dengan konsentrasi PVPI yang lebih tinggi, yang mungkin diakibatkan oleh peningkatan viskositas larutan campuran [37].
Gambar SEM dari serat PVP/I (a1–a4), PVP/PVPI (b1–b4), PVB/PVPI (c1–c4) yang dipintal dengan konsentrasi I atau PVPI 0%, 1%, 2%, dan 5%, masing-masing
EDS dan FTIR
Untuk mencapai sifat antibakteri dan kemudian menguntungkan aplikasi penyembuhan luka, yodium memainkan peran penting dalam serat electrospun. Untuk memverifikasi keberadaan yodium, EDS diperiksa dalam model analisis spektrum penuh. Seperti yang ditampilkan pada Gbr. 3, kami memilih serat pintal dengan konsentrasi I/PVPI yang lebih tinggi, 5%, misalnya, dan gambar menunjukkan bahwa di setiap jenis serat electrospun, kecuali sebagian besar karbon (Gbr. 3 ( a1), (b1), dan (c1)) dan oksigen (Gbr. 3 (a2), (b2), dan (c2)) elemen dalam polimer, elemen ekstra yodium juga diamati (Gbr. 3 (a3), (b3), dan (c3)). Selain itu, yodium yang ditambahkan ke dalam larutan PVT secara langsung menunjukkan konsentrasi yodium yang tinggi selain PVPI yang ditambahkan. Meskipun yodium dapat ditemukan pada gambar EDS, orang dapat dengan jelas menemukan dari Gambar 3 bahwa kandungan yodium lebih kecil dibandingkan dengan unsur lainnya. Kesimpulan yang sama dapat diperoleh dari spektrum FTIR pada Gambar. 4.
Elemen berbeda dari gambar EDS dari serat PVP/I (a–a3), PVP/PVPI (b–b3), PVB/PVPI (c–c3) yang dipintal dengan 5% doping I/PVPI
Spektrum FTIR dari serat pintal PVP/I (a ), PVT/PVPI (b ), PVB/PVPI (c )
Gambar 4a-c menunjukkan spektrum FTIR dari serat pintal dengan konsentrasi yang berbeda dari penambahan yang berbeda. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 4, penambahan yodium atau PVPI jelas tidak mengubah struktur kimia polimer, yang mungkin disebabkan oleh jumlah penambahan yang kecil. Polimer yang tidak berubah juga memastikan stabilitas polimer untuk penyembuhan luka, tanpa ketidakpastian lainnya.
Keterbasahan
Selain itu, diyakini bahwa pembalut luka yang ideal harus mencakup beberapa keuntungan seperti pemeliharaan hidrasi luka dan penyerapan eksudat luka berlebih, yang mungkin memerlukan kemampuan pembalut luka yang dirancang [5, 7,8,9]. Akibatnya, kami juga memeriksa hidrofilisitas dari anyaman berserat pintal dengan mengukur sudut kontak SBF mereka. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, ketiga jenis membran berserat electrospun semuanya menunjukkan hidrofilisitas yang baik dengan meningkatnya konsentrasi yodium dan PVPI. Untuk mesh berbasis PVP, karena hidrofilisitas polimer, mesh berserat electrospun juga membentuk sudut kontak SBF kecil, dan sudut meningkat menjadi 19,5° untuk PVP/I, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 (a–a3) dan ( b–b3). Sudut kontak SBF yang meningkat dapat dihasilkan dari peningkatan kekasaran permukaan dari jerat ini. Namun, kasus di mesh berbasis PVB berbeda. Dalam penelitian kami sebelumnya, telah ditunjukkan bahwa mesh berserat PVB electrospun menunjukkan hidrofobisitas karena strukturnya yang tidak sama [38]. Dengan tidak adanya PVPI, jerat electrospun PVB menunjukkan kasus sudut kontak yang sama seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5(c). Saat PVPI didoping dalam PVB, sudut kontak SBF menurun dan dengan cepat menjadi nol dengan PVPI lebih tinggi dari 2%, yang menunjukkan bahwa PVPI meningkatkan hidrofilisitas dari anyaman berserat pintal. Hidrofilisitas yang baik dari jaringan fibrosa ini memastikan kemampuan penyerapan eksudat luka berlebih dan kemudian akan bermanfaat untuk aplikasi pembalut luka.
Pemeriksaan kontak SBF dari serat pintal PVP/I (a–a3), PVP/PVPI (b–b3), PVB/PVPI (c–c3) dengan konsentrasi yodium/PVPI yang berbeda
Permeabilitas Udara
Pembalut luka yang ideal juga membutuhkan permeabilitas udara yang baik untuk menyediakan lingkungan yang positif untuk penyembuhan luka [9, 11,12,13]. Di sini, kami juga menyelidiki permeabilitas udara dari jenis mesh berserat yang didoping yodium ini, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Seperti yang dapat ditemukan pada Tabel 2, dengan meningkatnya doping yodium dalam PVP, permeabilitas udara juga meningkat dari 59,92 menjadi 324.3 mm s
−1
, yang mungkin diakibatkan oleh penurunan diameter dan peningkatan porositas, sedangkan permeabilitas udara dari mesh berserat dengan PVPI yang didoping dalam PVP dan PVB tidak menunjukkan tren yang jelas. Namun demikian, yang doping 5% menunjukkan permeabilitas gas yang lebih baik daripada polimer murni. Sebagai perbandingan, kami juga menguji permeabilitas udara dari dua pembalut luka tradisional (TWD) yang dibeli dari pasar. Jelas bahwa pembalut luka berserat electrospun yang dirancang menghasilkan permeabilitas udara yang lebih baik daripada yang ada di pasaran.
Untuk pemeriksaan lebih lanjut permeabilitas udara, kami menguji ukuran pori dan distribusi pori dari jerat pintal. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3, ukuran pori rata-rata dari mesh as-spun dicantumkan. Umumnya, semakin besar ukuran pori rata-rata, permeabilitas udara yang lebih baik, dibandingkan dengan data pada Tabel 2. Selain itu, ukuran pori dari mesh berserat as-spun umumnya seragam, dengan porsi terbesar pada ukuran rata-rata, yang dapat ditemukan di File tambahan 1:Gambar S1. Ukuran pori jerat elektrospun ini berada di wilayah 1,936–9,152 μm, cocok dengan ukuran sel jaringan manusia, yang akan bermanfaat untuk penyembuhan luka. Namun, karena presisi instrumen, ukuran pori TWD terlalu kecil untuk diuji, yang dapat mengakibatkan permeabilitas udara yang buruk.
Aktivitas Antibakteri
Persyaratan lain untuk pembalut luka yang ideal adalah asepsis dan bahkan antibiosis untuk mencegah dan mengobati infeksi luka [11,12,13]. Dalam karya ini, doping yodium dan PVPI tepat untuk mencapai itu. Aktivitas antibakteri dari jaring berserat as-spun dinilai terhadap bakteri patogen yang khas, seperti E. koli dan S. aureus , seperti yang ditampilkan pada Gbr. 6. Dari Gbr. 6, kita dapat menemukan bahwa tidak ada lingkaran bakteriostatik yang terbentuk untuk PVP atau PVB murni. Setelah yodium atau PVPI didoping dalam polimer, membran berserat yang berputar menunjukkan zona inhibisi yang jelas untuk dua strain bakteri setelah interval 24 jam. Selain itu, PVP yang didoping yodium menunjukkan sifat antibakteri terbaik terhadap keduanya E. koli dan S. aureus , PVT yang didoping PVPI mengambil tempat kedua dan PVB/PVPI terakhir. Sifat antibakteri yang baik memastikan bahwa mesh berserat electrospun berbasis yodium dapat digunakan untuk penyembuhan luka terhadap infeksi bakteri pada luka. Selain itu, dapat diharapkan bahwa semakin tinggi konsentrasi antibakteri tambahan, semakin baik sifat antibakteri mesh. Akibatnya, seseorang dapat dengan mudah mendapatkan sifat antibakteri yang lebih baik dengan menambahkan lebih banyak yodium atau PVPI dalam larutannya.
Aktivitas antibakteri dari membran as-spun terhadap E. koli dan S. aureus
Aplikasi In Situ
Diyakini bahwa pembalut luka in situ akan menguntungkan efisiensinya karena keunggulan tambahan seperti kesesuaian tanpa kerutan atau alur di dasar luka, kemudahan aplikasi, dan peningkatan kepatuhan dan kenyamanan pasien [39]. Akibatnya, electrospinning in situ dianggap sebagai konsep yang berguna untuk menghasilkan pengganti yang tepat untuk perbaikan jaringan dan penyembuhan luka langsung pada lesi pasien terlepas dari ukuran dan kedalaman luka [18, 34, 35, 40, 41]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b, jaring fibrosa berbasis yodium dapat dipintal dengan listrik in situ ke "tangan yang terluka" oleh perangkat HHE-1 dan membentuk lapisan tipis pada permukaan kulit seperti lapisan kedua kulit karena terhadap gaya tarik elektrostatik. Membran berserat PVP-I electrospun menunjukkan fleksibilitas dan kekompakan yang baik dan dapat dengan mudah dilepas jika diperlukan [lihat Gbr. 7c, d). Detail yang lebih jelas tentang electrospinning in situ dari pembalut luka PVP-I dapat ditemukan di File tambahan 1:Video S1 dan S2 dan Gambar S2.
Aplikasi in situ dari peralatan genggam dan tikar berserat electrospun berbasis yodium. Dengan HHE-1, seseorang dapat dengan mudah menghubungkan PVP/I berbasis yodium electrospun in situ ke "tangan yang terluka" (a –b ), tikar electrospun dapat dengan mudah dilepas dari "tempat tidur luka" (c –d )
Kesimpulan
Singkatnya, kami memiliki PVP/I electrospun in situ, PVP/PVPI, dan PVB/PVPI ke dalam membran berserat oleh peralatan electrospinning genggam. Jaring elektrospun ini menunjukkan diameter yang seragam dan hidrobilisitas yang lebih baik dengan doping yodium atau PVPI. Selain itu, permeabilitas udara yang baik dari mesh campuran PVP/I, PVP/PVPI, dan PVB/PVPI memastikan aplikasinya dalam pembalut luka. Peningkatan konsentrasi yodium dan kompleksnya mendukung sifat antibakteri dari jerat ini dan kemudian meningkatkan efeknya sebagai pembalut luka. Selain itu, elektrospining in situ juga menguntungkan proses elektrospinning dan anyaman fibrosa yang berputar untuk penyembuhan luka.
