基于聚乙烯醇/层状双氢氧化物/氧化石墨烯的薄膜的制备与评估：该薄膜负载头孢氨苄作为伤口愈合用抗菌支架

《Applied Clay Science》：Fabrication and Evaluation of Polyvinyl alcohol/Layered double hydroxide/Graphene oxide-based Thin Films Loaded with Cephalexin as Antimicrobial Scaffold for Wound Healing Applications

　　苏罗什·巴尔霍达里|莫尔泰扎·阿巴扎里|瓦拉·迪扎耶|萨法·莫梅尼·巴德莱赫
伊朗德黑兰阿尔扎赫拉大学化学学院有机化学系

摘要
随着耐抗生素微生物的出现以及现有伤口愈合治疗方法效果下降，开发有效的支架对于改善临床伤口修复至关重要。本文报告了一种基于聚乙烯醇/层状双氢氧化物/氧化石墨烯的复合薄膜的成功制备，该薄膜负载了头孢氨苄，有望作为一种抗菌伤口敷料用于治疗各类伤口。首先，通过共沉淀法制备了层状双氢氧化物/头孢氨苄纳米杂化物，随后利用溶剂浇铸法将其负载到含有或不含氧化石墨烯的PVA薄膜中。所有制备的薄膜在FESEM形态分析中均显示出均匀的纹理。然而，与纯PVA薄膜相比，添加氧化石墨烯、层状双氢氧化物和头孢氨苄后样品的表面粗糙度有所增加。EDX分析证实药物在支架结构中均匀分布。此外，将氧化石墨烯和层状双氢氧化物引入薄膜可提高其热稳定性，而添加头孢氨苄则产生了相反的效果。层状双氢氧化物/头孢氨苄纳米杂化物的药物负载效率为83.32%。所得薄膜表现出依赖pH值的降解、膨胀和释放行为。此外，所有含药物的样品都显示出非菲克扩散机制下的两阶段释放特征（0.45 < n < 1）。就所制备薄膜的功能特性而言，含药物的样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有强效的抗菌活性。尽管在研究的浓度范围（2–64 mg/mL）内，所有样品的细胞存活率均在65%–100%之间，且对HFF-1细胞的毒性较低，但在24小时细胞存活实验中，较高浓度下细胞毒性会增加。

引言
由不同材料制成的聚合物薄膜是一类重要的伤口敷料。尽管这类支架具有诸多优点，但在伤口愈合应用中仍存在一些缺陷，如机械性能较差、降解较快、在水环境中的稳定性较低以及伤口愈合效果有限。为了解决这些问题，先前的研究提出了将这些结构与其他聚合物和非聚合物材料（如氧化石墨烯和层状双氢氧化物）结合，形成不同的（纳米）复合材料（Edwin等人，2025；Saraiva等人，2023）。

由于具有理想的伤口愈合特性，氧化石墨烯及其还原形式rGO被广泛用于制备各种伤口敷料。氧化石墨烯和rGO具有高比表面积、优异的水溶性和分散性、高电导率、良好的机械性能、丰富的化学功能基团以及其他生物活性特性，因此是制备用于治疗各类伤口的复合伤口敷料的理想材料。将氧化石墨烯或rGO与传统聚合物薄膜结合，不仅可以弥补它们单独使用时的各种缺陷，还能通过协同作用增强伤口愈合效果（Chandrasekaran等人，2023）。

层状双氢氧化物纳米片材料因其二维结构，也被视为在包括伤口愈合在内的多种应用中进行药物递送的理想载体（Dadakhani等人，2024；Mohammadi等人，2022）。这类材料具有有趣的物理化学性质，在催化、能量存储、防腐、超级电容器、生物医学和制药科学以及环境应用等多个技术和工业领域都具有广泛的用途（Donnadio等人，2021；Rashed等人，2022）。层状双氢氧化物材料也被称为类水滑石黏土，属于层状黏土家族中的一类重要成员，其结构由宿主层和层间通道中的客体物质组成。这类材料的一般化学式为M1?XIIMxIIIOH2X+An?X/n.mH2O，其中MII和MIII分别代表具有相同原子半径的二价和三价金属阳离子。X表示MIII/(MII + MIII)的摩尔比，其值通常在0.17到0.33之间，A-n则是插入层中的电荷平衡阴离子（Abd El-Aziz等人，2024）。由于二价阳离子被部分三价金属阳离子取代，这类材料通常带正电。层状双氢氧化物材料的抗菌活性源于其层结构的阳离子特性，以及这些阳离子从层状结构中的部分释放。有研究表明，MII离子从层状双氢氧化物中的释放程度取决于其物理化学性质，如结晶度、MII:MIII比例以及插入层阴离子的性质（Abd El-Aziz等人，2024；Awassa等人，2022）。此外，层状双氢氧化物材料的正电荷及其层状结构使其成为有效封装和递送各种治疗剂和药物的理想载体（33, 36）。

将不同材料和治疗剂的独特伤口愈合特性结合到单一或复合载体中，为设计和开发具有理想特性和附加价值的新型高效药物递送系统提供了重要机会，从而更好地应用于伤口愈合。为此，本研究旨在基于负载有头孢氨苄的PVA/LDH/GO薄膜，开发一种高效且先进的伤口敷料，用于治疗局部感染和感染性伤口。通过多种仪器分析和体外实验，对所获得的支架进行了全面的物理化学和功能特性分析，重点关注药物递送和伤口愈合方面的应用。

材料与试剂
PVA（分子量=145,000，完全水解）、硝酸钠（NaNO3）、氢氧化钠（NaOH）和石墨粉（粒径≤20 μm）购自德国Merck Chemical Company。Zn(NO3)2·6H2O（分子量297.49 g/mol，纯度99.78%）、Al(NO3)3·9H2O（分子量212.99 g/mol，纯度99.80%）、氢氧化钠（NaOH）、硫酸（H2SO4）、过氧化氢（H2O2）、高锰酸钾（KMnO4）、硝酸钠（NaNO3）、盐酸（HCl）、磷酸盐缓冲液（PBS）、甘油和MTT也由该公司提供。

结果与讨论
在本研究中，通过溶剂浇铸法制备了新型PVA/LDH/GO基薄膜，将其作为负载和递送头孢氨苄的潜在支架，用于治疗局部感染和感染性伤口。图1示意性地展示了制备过程及所得薄膜的图像。从图1可以看出，首先根据“材料与方法”部分描述的方法分别合成了Zn/Al-LDH和氧化石墨烯。

结论
本研究系统地研究了负载有头孢氨苄的PVA/LDH/GO薄膜的制备与表征方法，以用于伤口管理与愈合。研究结果表明，所获得的薄膜具有均匀性且物理稳定性良好，这表明溶剂浇铸法适用于制备用于伤口愈合的支架。此外，含头孢氨苄的薄膜呈现出简单的平面形态，并具有适度的多孔结构。

作者贡献声明
苏罗什·巴尔霍达里：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，监督，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念设计。
莫尔泰扎·阿巴扎里：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，软件应用，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念设计。
瓦拉·迪扎耶：写作——初稿撰写，验证，软件应用，方法学，正式分析，数据整理。
萨法·莫梅尼

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。