近红外光响应MoS2/PVA抗菌复合水凝胶的研究

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细菌感染一直威胁着人类的健康。由于抗生素的过度或不当使用导致细菌耐药性的增加,人们开发了抗菌生物材料作为抗生素的替代品。其中,抗菌水凝胶因其制备工艺简单、结构多样,并且具有较高韧性和可拉伸性等多种功能而备受关注。基于此,本文分别在二硫化钼(MoS2)表面包覆银纳米粒子和季铵盐壳聚糖,将其引入到聚乙烯醇(PVA)水凝胶中。利用MoS2高效的近红外光热效应,重点研究MoS2结合其他抗菌材料的抗菌作用,并探究该响应性水凝胶的结构和性能。为了进一步拓宽水凝胶在生物医用领域的应用,将季铵盐壳聚糖-二硫化钼/聚乙烯醇(QCS-MoS2/PVA)水凝胶浸泡在有多酚结构的单宁酸(TA)溶液中,探讨了复合水凝胶的机械性能和粘附性能。主要研究内容如下:(1)通过水热法合成MoS2,之后依次利用三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)和银氨溶液,合成了二硫化钼@聚多巴胺(MoS2@PDA)和二硫化钼@聚多巴胺@银(MoS2@PDA@Ag),紫外可见吸收光谱(UV-vis)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)结果表征了MoS2、MoS2@PDA和MoS2@PDA@Ag的结构。将合成的复合纳米粒子添加到PVA溶液中,通过冻融循环形成MoS2/PVA、MoS2@PDA/PVA和MoS2@PDA@Ag/PVA复合水凝胶。MoS2基纳米粒子和PVA分子链的氢键相互作用显著改善了水凝胶的力学性能。该水凝胶表现出良好的光热效应和抗菌活性,且银掺杂显著提高了其光催化性能。由于活性氧和高温的协同作用,水凝胶在808 nm近红外光照射15 min后表现出良好的抗菌活性。同时,体外3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化(MTT)试验进一步证明,水凝胶对小鼠成纤维细胞(L929)均无毒。此外,与纯PVA水凝胶相比,MoS2@PDA@Ag/PVA可以促进伤口愈合,显示出其在减轻伤口细菌感染方面的潜力。(2)在水热法合成MoS2的基础上,成功制备了季铵盐壳聚糖包覆的二硫化钼(QCS-MoS2)纳米材料,通过溶胶-凝胶法制备了物理交联的PVA复合水凝胶。QCS-MoS2引入后,QCS-MoS2可作为交联剂与PVA水凝胶基质形成氢键网络,从而显著提高其机械性能。研究QCS-MoS2/PVA的光热性能发现,水凝胶的光热性与QCS-MoS2的含量呈正比。此外,抑菌圈法实验显示,该复合水凝胶具有优异的抗菌性能。且在近红外光照射15 min后,对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的抗菌率可达到94.60和98.82%。同时,MTT实验表明,QCS-MoS2的引入对细胞活力没有明显影响,表现出良好的生物相容性。(3)将QCS-MoS2/PVA水凝胶浸泡于不同浓度的TA溶液,得到QCS-MoS2/PVA/TA复合水凝胶。利用TA的多酚结构,与PVA分子链形成多种相互作用,从而显著提高水凝胶的性能。研究表明,经TA浸泡后,QCS-MoS2/PVA/TA水凝胶的孔洞随TA浓度的增大而变得更为紧密,且力学性能、粘附性能均与TA浓度呈正相关关系。其中,压缩强度和拉伸强度分别可达到2.42和1.35 MPa,是QCS-MoS2/PVA水凝胶的14.0和12.3倍,断裂伸长率最高达到451%。粘附实验表明该水凝胶能够粘附高达50.0 g重量的物质。同时,TA的引入赋予了复合水凝胶优异的抗菌性能。
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