Chem. Eng. J. Adv. 喷雾干燥纤维素纳米晶/金属氧化物纳米颗粒微球的抗菌性能

背景介绍

抗生素是目前最常用的治疗细菌感染的药物，然而，部分细菌会对抗生素产生耐药性，因此，寻求抗生素的替代方案成为当前的研究重点。与口服或静脉注射相比，靶向给药可以将药物输送到更具针对性的感染位置，有利于平衡药物疗效和给药剂量。喷雾干燥技术是生产干粉的常用技术，其具有可扩大生产规模、易于使用和价格合理等优势，此外，其可对最终产品具有很好的调控，可用于制备具有治疗性的抗菌药物。

加拿大不列颠哥伦比亚大学Anubhav Pratap-Singh（通讯）在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal Advances》上发表题为“Antimicrobial properties of spray-dried cellulose nanocrystals and metal oxide-based nanoparticles-in-microspheres”的文章。该研究制备由氧化铝纳米颗粒、氧化锌、氧化锌纳米颗粒和纤维素纳米晶（CNC）组成的喷雾干燥微球，探究基质成分（比例）在调控金属氧化物生物材料抗菌活性和细胞毒性方面的作用，以期获得具有良好抗菌性能的生物材料。

图文解读

研究表明，随着ZnO含量的增加，喷雾干燥微球微观粗糙度可能会增加，当表面粗糙度较高时，微球与表面之间的接触点会增强，并且较高的接触表面积与较高的抗菌活性有关。当Al₂O₃和ZnO纳米粒子的质量百分比接近时，微球抗菌活性会进一步增强。与ZnO粉末相比，ZnO纳米粒子表现出更高的抗菌活性。结合两种抗菌微球表面的高微粗糙度和紧密分布，结果表明，0.25% Al₂O₃和ZnO纳米粒子组合是最有效的。

含有三种抗菌剂（Al₂O₃纳米颗粒、ZnO和ZnO纳米颗粒）的微球尺寸和形态没有明显差异。然而，不同配方会影响微球化学元素的分布和抗菌活性的效果。当CNC、Al₂O₃纳米粒子、ZnO和ZnO纳米粒子的比例分别为4:1:4:1和2:1:0:1时，微球的抗菌活性最高，这与表面上化学元素的均匀分布有关。

结果表明，在一定浓度下，所有配方的微球对PBMC的毒性相对较低≤500微克/毫升。在较高浓度下，毒性显著增加。对相同细胞而言，与喷雾干燥微球相比，原金属材料（粉末形式）的毒性作用明显更高（图7b），在125~250微克/毫升的浓度下对PBMB毒性最高，表明微球中的这些纳米复合材料与金属氧化物原材料相比优势显著。

图1氧化铝纳米颗粒与氧化锌的比例对喷雾干燥微球（a）形貌及尺寸，（b）抗菌性，（c）（d）表面化学分布的影响

图2 氧化铝纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒比例对喷雾干燥微球（a）形貌及尺寸，（b）抗菌性，（c）（d）表面化学分布的影响

图6 生物膜抑制实验

图7 不同配方的微球和原金属材料的细胞毒性

总结与展望

1、与原始金属氧化物材料相比，喷雾干燥微球的抗菌性和抗生物膜活性显著提高，并且纳米颗粒微球的生物相容性和细胞毒性低于原始材料，喷雾干燥技术可用于生产治疗细胞感染的颗粒干粉。

2、纤维素纳米晶作为金属氧化物材料组成的配体部分，较小的添加量无法形成微球，而过量又会影响纳米颗粒的抗菌活性。

3、金属氧化物纳米颗粒有助于增强微球中纳米颗粒表面的粗糙度，降低纳米颗粒与细菌之间的接触面积；通过调整氧化铝和氧化锌纳米颗粒的含量可提高微球对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的抗菌活性。因此，控制悬液中纳米颗粒的形成过程对于制造具有最佳抗菌性能的干粉具有重要作用。

4、未来研究可考虑其他纳米颗粒（如钼纳米粒子）和配体组成，深入分析表面性质，如N₂吸附-解吸等温线或表面电荷，将有助于进一步解析喷雾干燥微粒的化学分布及对其抗菌性能的影响。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceja.2022.100273

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