Green Chemistry：数字光处理(DLP) 3D打印制备基于甲基丙烯酸木本多糖和银木质素纳米球的抗菌水凝胶

背景介绍

基于光刻技术的数字光处理(DLP) 3D打印技术在定制水凝胶支架制造中获得了越来越多的关注。木质纤维素由于其生物相容性、生物降解性和化学修饰的多功能性，在高价值生物医学水凝胶方面具有重要应用价值。

基于此，Åbo Akademi大学Xiaoju Wang教授团队利用甲基丙烯酸邻乙酰半乳糖甘露聚糖作为光交联聚合物基质，将表面嵌入银纳米粒子的纳米复合木质素纳米粒子(LNP@Ags)作为高性能抗菌试剂，通过DLP打印技术制备了一种生物基抗菌水凝胶。

图文解读

可持续抗菌水凝胶的设计原理

GGMMA/LNP@Ag水凝胶的制备分为两步（如图1所示）。首先，以漆酶聚合木质素为原料，采用溶剂转移法制备木质素纳米粒子（LNPs），将银前驱体[Ag(NH₃)₂]⁺配合物与LNPs通过氧化还原反应合成了LNP@Ag纳米粒子。然后，将LNP@Ag分散液加入含有10 wt% GGMMA溶液中，采用苯基-2,4,6 -三甲基苯甲酰亚磷酸锂(LAP)作为光引发剂，通过紫外光引发自由基聚合制备紫外光交联的GGMMA/LNP@Ag纳米复合水凝胶。其中表面包埋AgNPs的木质素纳米微球作为纳米抗生素可以在水溶液中释放出Ag⁺，从而赋予GGMMA/LNP@Ag水凝胶抗菌活性，同时由于漆酶聚合木质素的耐化学性能显著增强，从而有利于制备耐碱LNPs。

图1. 可持续、抗菌GGMMA/LNP@Ag纳米复合水凝胶的设计策略。

漆酶催化聚合可调木质素反应性决定LNP和LNP@Ag的性质

通过定量³¹P和¹H NMR检测了木质素中用于Ag⁺还原的官能团(酚羟基和甲氧基)，研究发现LM木质素中的酚羟基和甲氧基的总量随着漆酶培养时间的增加逐渐降低。LM 木质素的胶体微球的强度加权平均流体动力学直径（Z-平均值）取决于木质素的氧化聚合/缩合度，范围为 290-120 nm（图 2b)。木质素聚合对LNP耐碱能力的影响如图2c所示，研究发现在此碱性条件下，80%以上的LNPs可以保留为均匀的纳米木质素。如图2d所示，LNPs显示ζ电位为负值，这可能是由于去质子化的酚羟基和羧酸基团带负电荷。

图2. (a) LM木质素中官能团含量随漆酶培养时间的变化，(b) LM-NP分散在中性去离子水中的z-平均值，(c)在中性去离子水中，LM-NP的耐碱性和LM-NP@Ag的z-平均值，(d)LM-NP和LM-NP@Ag的ζ-电位。

GGMMA/LNP@Ag水凝胶:光交联动力学和水凝胶力学性能

采用光流变学方法研究了GGMMA/LNP@Ag凝胶的光交联动力学。图3a所示交联过程只需30秒即可达到平衡的储能模量(G')。值得注意的是，最大G'值随着LNP@Ag含量从0.1增加到0.5 wt%而逐渐降低。机械性能研究发现在GGMMA中添加至0.1wt%的LNP@Ag不会显著影响水凝胶的机械刚度，但是当LNP@Ag的添加量从0.1 wt%增加到0.25 wt%，凝胶的断裂应力显著降低(图3b)。通过SEM研究发现0.1 wt%添加量的 LNP@Ag在水凝胶内均匀分布(图3c)。然而，AFM分析表明当LNP@Ag的用量从0.1增加到0.25 wt%时，LNP@Ag在GGMMA基体中的分布不均匀，存在较大尺寸的LNP@Ag聚集体(图6d, e)。

图3. (a) GGMMA/LNP@Ag凝胶在UV₄₀₅照射下的光交联曲线；(b)不同LNP@Ag含量的GGMMA/LNP@Ag水凝胶的应力-应变曲线；(c) 10GGMMA/0.1LNP@Ag凝胶横截面SEM图像；(d)10GGMMA/0.1LNP@Ag和(e) 10GGMMA/0.25LNP@Ag旋涂膜的AFM图像。

生物质基GGMMA/LNP@Ag 凝胶的 DLP可打印性

以10GGMMA/0.1LNP@Ag树脂为原料，以0.25 %的LAP为光引发剂，通过DLP增材制造制备GGMMA/LNP@Ag水凝胶。如图4所示，打印了蜂窝和交叉影线支架以及超薄图案（490 µm 厚度），作为这种生物基树脂在 DLP 水凝胶打印中的兼容性的演示。

图4. 通过数字光处理(DLP) 3D打印打印 3D 物体。

GGMMA/LNP@Ag水凝胶的Ag⁺释放及抗菌性能

GGMMA/LNP@Ag水凝胶的释放曲线显示了GGMMA/LNP@Ag水凝胶持续稳定的释放动力学(图5a)，这可以在延长治疗效果中发挥作用。定量分析结果显示，GGMMA/LNP@Ag水凝胶与大肠杆菌(图5c、d)和金黄色葡萄球菌(图5e、f)共培养1小时后，微生物存活量明显低于对照组(无水凝胶菌悬液)和GGMMA、GGMMA/LNP水凝胶。进一步对比研究发现这项工作制备的LNP@Ag相对于木质素银纳米复合材料负载较少，具有较高的抗菌活性。

图5. (a) GGMMA/LNP@Ag水凝胶中Ag⁺的体外释放曲线；(b)光固化树脂旋涂膜的水接触角；(c-d)大肠杆菌和(e-f)金黄色葡萄球菌在GGMMA基水凝胶上的活力测定；(d) (f) 10GGMMA/0.1LNP水凝胶与菌落共培养1小时的琼脂平板。

总结展望

该研究团队采用原位还原法制备了一种由惰性球形LNP载体和表面包埋的AgNPs组成的复合抗菌纳米复合物。通过应用漆催化木质素聚合策略，我们解决了传统LNPs在银氨溶液(pH 11)中的耐碱性不足的问题。在随后与光交联的多糖整合后，一种新的可持续凝胶含有10wt% GGMMA和0.1wt% LNP@Ag被提出用于基于平版印刷的DLP印刷。此外，该GGMMA/LNP@Ag水凝胶具有杀菌能力，是一种很有前途的适用于生物医学应用的材料。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1GC03841A

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