다제내성균에 의한 세균 감염은 여전히 인간 생명을 위협합니다. 광역학 치료(PDT)는 세균을 효과적으로 살균할 수 있으며, 나노파이버 기반 PDT는 정상 조직 손상을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 기존 섬유 표면 코팅 광감작제는 상처로 방출되어 부작용 유발. 기존 방법 제조 나노파이버는 상처 부착성이 나빠 단거리 효과인 PDT 효과 심각 저하. 본 연구에서는 자가 제작 휴대용 전기방사 장치로 제자리 전기방사법으로 코어-쉘 커큐민 복합 나노파이버 제조. 얻어진 복합 나노파이버가 기존 제조법보다 다양한 생물 표면에서 우수한 부착성 보임. 808nm 조사 시 커큐민 탈락 없이 단일항 산소(¹O₂) 효과적 생성. 약물내성균 노출 시 이중 항균 거동으로 약물내성균 효율적 살균. 우수한 부착성 가진 이중 항균 나노파이버 막이 항균 드레싱으로 상처 감염 응용에 유익할 수 있음.
제때 치료하지 않은 세균 감염은 패혈증 유발, 생명과 건강 심각 위협[1-3]. 항생제로 세균 살균 가능하지만 장기 사용 시 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA) 등 약물내성균 발생[4-6]. MRSA는 다제내성균 일종으로 상처 감염 유발 흔한 세균[7]. 이 상황에서 내성 발생 없이 안전하게 세균 살균 전략 필요. 광역학 치료(PDT)가 효과적 살균법임 입증[8-11]. 그러나 대부분 PDT 광감작제는 자외선이나 단파장 여기 필요[12, 13]. 생체 내 빛 침투 깊이는 파장 의존, 자외선과 가시광 침투 얕은 반면 근적외선(NIR) 상대적으로 깊음. 더구나 자외선과 단파광은 인체 조직 심각한 화상 유발. 따라서 심부 조직 안전 항균 치료 위해 NIR 여기 광감작제 개발이 수요이자 트렌드. 업컨버전 나노입자(UCNP)가 NIR을 단파장으로 변환[14, 15]. 이 특성으로 광감작제와 업컨버전 결합해 NIR 여기 달성. UCNP는 NIR을 단파장으로 변환해 광감작제 여기, 단일항 산소(¹O₂) 생성 파장 변환 스테이션 역할[16-19]. 그러나 선행 연구 대부분 광감작제 코팅 나노입자 구조 제조. 나노입자 최외층 노출 광감작제 쉽게 탈락[20, 21], 생체 조직 직접 접촉으로 조직 콜라겐 성장 억제 등 부작용[22, 23]. 사실 광감작제 살균은 단일항 산소 생성 때문이므로 광감작제가 세균이나 생체 조직과 직접 접촉할 필요 없음. 따라서 광감작제와 생체 조직 분리 스페이서 설계로 부작용 회피 가능.
전기방사는 유기/무기 나노파이버 제조 빠르고 효율적 방법[24-28]. 나노파이버 제조 중 나노입자 쉽게 섬유와 결합 복합 나노파이버 형성. 복합 나노파이버 형성 두 주요 방법: 나노입자 나노파이버 내부 도핑[29], 나노입자 나노파이버 표면 적재[30, 31]. 생체 조직과 광감작제 분리 목적 고려 시 나노파이버 내부에 광감작제 포함이 표면 적재(탈락 쉬움)보다 바람직. 그러나 나노파이버 소수성으로 침투 안 되면 단일항 산소 생성 및 섬유 표면 전달 어려워 항균성 확보 곤란[32]. 하지만 친수성 나노파이버는 간질액 오염 시 쉽게 용해. 따라서 NIR 광감작제와 나노파이버 결합 및 광역학 나노파이버가 세균, 특히 약물내성균 효과적 살균 보장 필요.
본 연구에서 커큐민을 생물 추출물 유래 광범위한 공급원 가진 광감작제로 사용. 코어-쉘 나노구조 UCNP를 파장 변환 스테이션으로 사용, ¹O₂ 생성 높은 변환 효율 보임. UCNPs@커큐민 복합 나노파이버를 자가 제작 전기방사 장치로 제자리 전기방사법 제조. 이 방법 제조 복합 나노파이버 생물 표면 부착성 기존 전기방사 제조법보다 우수. 808nm 조사 시 복합 나노파이버 커큐민 탈락 없이 ¹O₂ 효과적 생성. MRSA 약물내성균 오염 시 이중 항균 거동 발생해 약물내성균 효과적 살균.
툴륨 염화물, 이터븀 염화물, 네오디뮴 염화물, 이트륨 염화물 Sigma-Aldrich 구매. 메탄올, 에탄올, 사이클로헥세인, 커큐민, 디클로로메탄, 아세톤, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리카프롤락톤(PCL), 폴리에틸렌이민(PEI) 신풍제약 시약 구매. 모든 재료 추가 정제 없이 사용.
업컨버전 나노입자(UCNP) NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd 공동침전법으로 합성[33, 34]. 이후 제조 UCNPs 200mg, PEI 90mg, 커큐민 180mg 메틸렌 디클로라이드에 첨가 용해. 실온에서 20시간 균일 교반, 원심분리 정제 후 에탄올로 2회 세척.
PCL 1g, PVP 0.16g, NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd@커큐민 0.1g 아세톤 5mL 첨가. 12시간 교반 후 균일 전구체 용액 전기방사용 얻음. 5mL 주사기에 전구체 용액 3mL 취해 자가 제작 휴대용 전기방사 장비로 전기방사. 직경 0.4mm 금속 바늘, 두 알칼리 건전지, 3V 건전지 전압을 10kV 전기방사용으로 변환하는 고전압 변환기 구성. 수집기와 전기방사 바늘 사이 거리 약 10cm.
단일항 산소 센서 그린(SOSG)으로 ¹O₂ 생성 검출. 제조 나노복합 파이버 막 9×9mm 정사각형 다양한 UCNPs@커큐민 농도 석영 큐벳 넣고 25μM SOSG 함유 메탄올 3mL 첨가. 이후 808nm 레이저 다양한 조사 시간 조사. 여기 파장 504nm 형광 분광광도계로 용액 형광 강도 측정, ¹O₂ 수준 반영.
약물내성균 MRSA와 대장균으로 항균 능력 평가. 간략히, 세균주를 트립틱 대두 배지 배양. 배양액 37°C 15시간 배양. 배양 후 세균주 농도 1×10⁶CFU/mL. 총 100μL 세균 용액 96웰 플레이트 각 웰 멸균 초청정대 위 배치. 직경 6mm 원형 파이버 막 조각 각 웰 추가. 808nm 레이저 20분 조사 후 세균 용액 멸균수로 10배 희석. 10μL 희석액 영양 한천 플레이트 도말 균일 코팅. 처리된 한천 플레이트 37°C 항온 배양기 18시간 배양 후 촬영. 대조군 단계 동일하나 808nm 레이저 조사 미사용. 각 그룹 5개 플레이트 반복.
TEM, SEM 이미지 JEM-2010, SU-1510 전자 현미경 촬영. 형광 스펙트럼 Edinburgh FLS1000 형광 분광광도계 측정. 흡수 스펙트럼 Shimadzu UV2550 분광계 기록. 푸리에 변환 적외선 분광법 Nicolet iS50 분광계 측정. 제타 전위 WJL-608 분석기 측정. 고정 방울법 친수성 PT-602A 시험 장비 테스트.
그림 1a는 NaYF₄:Yb/Tm@NaYF₄:Nd 나노입자(UCNP) TEM 이미지. 약 45nm 평균 직경 균일 크기 분포 UCPN 입증. 이 나노입자 제타 전위 추가 시험 +19mV(추가 파일 1: Fig. S1). UCNPs 커큐민 코팅 후 그림 1b 코어-쉘 구조, 커큐민 쉘 두께 약 5nm 나타남. 이후 코어-쉘 커큐민 나노입자 PCL/PVP 파이버 내 매립. 그림 1c 자가 설계 휴대용 전기방사 장치 제조 복합 나노파이버 SEM 이미지. 연속 비파단 나노파이버 직경 약 400nm, 파이버 균일도 기존 전기방사 장치와 유사(추가 파일 1: Fig. S2). 이 휴대용 전기방사 장치 1.5V 건전지 2개로 작동 가능(추가 파일 1: Fig. S3), 상용 전원 제약 극복. 가벼운 무게(160g), 작은 크기 등 장점 결합 야외 사용 유리. 그림 1d 복합 나노파이버 TEM 이미지, 나노입자 나노파이버 내 좋은 분산성 나타냄.
NaYF₄:Yb/Tm 코어에 NaYF₄:Nd 쉘 코팅한 이유는 광발광 향상 때문(그림 2a). UCNP 형광 스펙트럼이 커큐민 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 잘 중첩(그림 2b), 더 강한 UCNP 광발광이 커큐민에 더 많은 에너지 전달, 광감작제 여기 유리. 또한 NIR 빛 중 808nm 파장이 980nm보다 생체 조직 깊숙이 침투하므로 NaYF₄:Nd 쉘 도입으로 여기 파장 980→808nm 조절(추가 파일 1: Fig. S4), 정상 조직 원치 않는 화상 감소. FTIR 추가 측정. 그림 2c에서 나노복합 입자(주황 선) 1628cm⁻¹ C=O, 1282cm⁻¹ C-O, 1028cm⁻¹ C-O-C 신축 진동 발생, 커큐민(초록 선) 유래. 동시에 1125cm⁻¹ C-N 신축 진동 PEI(파란 선) 유래. 분자 구조도 부록(추가 파일 1: Fig. S5)에 도시. 또한 약 1660cm⁻¹ 약한 C=C, UCNP 합성 시 올레산과 동시 대응. UCNPs@커큐민 복합 나노파이버 구성 성분 입증.
그림 2d 커큐민 코팅 전후 UCNP 형광 감쇠 곡선. 커큐민 쉘 코팅 후 UCNP 형광 수명 700→390μs 감소. γ=1-τ₂/τ₁ 기반, τ₁, τ₂ 커큐민 포락 전후 UCNP 수명, γ 에너지 전달 효율[35]. γ=44.3% 계산. 높은 에너지 전달 효율 얻음: 첫째, 커큐민 흡수 스펙트럼과 UCNP 광발광 스펙트럼 좋은 중첩(그림 2b)으로 비복사 에너지 전달 발생. 둘째, UCNP NaYF₄:Nd 쉘 형광 강도 향상, 스펙트럼 중첩 적분 면적 증가. 셋째, 커큐민-UCNP 거리 코팅 두께(<5nm)로 작아 고효율 형광 공명 에너지 전달(FRET) 생성 유리. FRET 법으로 44.3% 에너지 전달 효율 달성, 이후 효율적 ¹O₂ 생성 유리.
나노복합 파이버 ¹O₂ 생성 능력 평가 위해 SOSG 법 사용. 고정 도핑 농도 나노복합 파이버 취해 다양한 조사 시간 ¹O₂ 생성 관찰. 그림 3a와 같이 0.20wt% 고정 농도 시 조사 시간 ¹O₂ 생성 영향 인자. 조사 시간 길수록 더 많은 ¹O₂ 생성. 그러나 ¹O₂ 농도 증가율 점차 둔화되어 20분 후 거의 일정, 촘촘한 곡선 간격으로 나타남. 지속적 NIR 조사로 ¹O₂ 생성 시 국소 산소 빠른 소비로 국소 산소 농도 상대적 저하, ¹O₂ 생성 증가율 감소 때문일 수 있음.
도핑 농도 ¹O₂ 생성 영향 관찰 위해 그림 3b 추가 묘사. 그림 3b에서 20분 고정 조사 시간 시 도핑 농도 증가에 따라 더 많은 ¹O₂ 생성. 그러나 농도 0.20wt% 초과 시 ¹O₂ 증가율 둔화. 실험 결과 무한히 조사 시간과 도핑 농도 증가 불필요 시사. 최적 선택 0.20wt%, 20분으로 이후 실험 이 조건 사용.
¹O₂ 생성이 파이버 내 UCNPs@커큐민 나노입자 체액 산소 상호작용 필요 과정 고려 시 파이버 막 접촉각 추가 시험. 그림 4a 복합 나노파이버 막 표면 물방울 떨어뜨린 후 20초 습윤성. 순수 PCL 나노파이버 막(그림 4b) 대비 복합 나노파이버 막 더 좋은 습윤성. 흥미롭게도 복합 나노파이버 막 인산염 완충 용액(PBS) 침지 후 흡수 분광계로 PBS에서 UCNPs@커큐민 검출 안 됨, 커큐민 섬유 탈락 없음 의미. 이유는 커큐민이 UCNP에 코팅되어 UCNPs@커큐민 크기(~50nm)가 파이버 관통 너무 큼. 광감작제 입자/섬유 표면 코팅 방법 대비 커큐민 크기 먼저 키운 후 습윤 파이버 도핑으로 광감작제 탈락 효과적 방지, ¹O₂ 생성 및 확산 향상. 또한 PDT 단거리 효과와 기존 전기방사법 제조 파이버 막 상처 표면 부착성 나쁨(그림 4c, 추가 파일 1: Fig. S6) 고려 시 파이버 막과 표면 간격으로 광역학 영향. 다행히 커큐민 복합 나노파이버 제자리 전기방사법으로 좋은 형태(그림 1c) 제조되며 다양한 물체 표면 좋은 부착성 보임(그림 4d). 제자리 전기방사 증착법이 파이버 막 포일 수집 후 상처 표면 압착 기존 방사법보다 광역학 파이버 막 제조에 더 바람직함 의미.
장치 제조 나노복합 파이버 MTT 분석 무독성 입증(추가 파일 1: Fig. S7). 또한 파이버 항균 특성 입증 위해 계수법으로 복합 나노파이버 항균 특성 평가. 그림 5와 같이 순수 파이버에 808nm 빛 조사 여부 상관없이 항균성 없음(그림 5a, b). 808nm 빛 자체 살균 효과 없음. 파이버 UCNP 도핑 시 세균 감소 없음, UCNP 살균 효과 없음 확인(그림 5a′, b′). 흥미롭게도 파이버 커큐민 도핑 시 세균 일정 정도 감소, 커큐민 자체 일정 항균 활성 입증(그림 5c, c′). 또한 NIR 빛 조사 하 UCNPs@커큐민 도핑 파이버에서 명백한 살균 결과 발생(그림 5d′, e′). 그림 3 결과 결합 시 이 살균 결과는 808nm 조사 하 UCNPs@커큐민 생성 ¹O₂가 세균 효과적 살균 의미. 반면 커큐민 항균 활성 808nm 조사 유무 관계없이 동일, 커큐민 흡광도 가시광 영역(그림 2b)이라 808nm 빛 효과 없음. 이 때문에 커큐민 UCNP 표면 코팅 설계. 또한 그림 5d, e 0.15wt%, 0.20wt% UCNPs@커큐민 도핑 파이버. 비교 시 0.20wt% 그룹 20분 조사 더 나은 살균 특성, 항균 효과 95% 도달. 광감작제 커큐민 광역학 효과 생성 ¹O₂가 약물내성균 살균 때문. 이 결과 그림 3 ¹O₂ 결과와 일치. 데이터 추가로 UCNPs@커큐민 도핑 파이버가 이중 항균 활성, 즉 UCNPs@커큐민 도핑 파이버와 PDT로 MRSA 살균, PDT가 UCNPs@커큐민 도핑 파이버보다 더 나은 항균 효과 의미. 또한 대장균 실험도 제자리 전기방사 커큐민 복합 나노파이버 약물내성균 이중 항균 효과 확인(추가 파일 1: Fig. S8). 나노파이버 항염 효과 MRSA H&E 염색 추가 검증(추가 파일 1: Fig. S9). 상처 감염 다른 치료 후 나노복합 파이버 그룹 없이 다수 호중구 조직 손상 및 화농 감염으로 보라/파란 세포 군집 수집. 그러나 나노파이버 그룹 소량 육아 조직과 적혈구 출현, 나노복합 파이버 항균 특성 간접 반영. 상처 감염 염증 차단 효과.
요약하자면, 자가 제작 휴대용 전기방사 장치로 제자리 전기방사법으로 코어-쉘 커큐민 복합 나노파이버 제조. 얻어진 복합 나노파이버 기존 제조법보다 다양한 생물 표면 우수한 부착성. 커큐민 크기 먼저 키운 후 습윤 파이버 도핑 방법으로 광감작제 탈락 효과적 방지, ¹O₂ 생성 및 확산 향상, 다른 광역학 나노소재 설계 영감 제공 가능. 약물내성균 오염 시 복합 나노파이버 이중 항균 거동으로 약물내성균 효율적 살균. 우수한 부착성 가진 이중 항균 나노파이버 막 지혈과 결합 항균 드레싱으로 야외 지혈 가능.
현재 연구 중 생성 및/또는 분석된 데이터 세트는 합리적 요청 시 교신 저자로부터 입수 가능.
나노물질
초록 전기방사 고분자 나노섬유는 혈관 조직공학에서 많은 주목을 받아왔습니다. 그러나 느린 내피화와 혈전증이라는 결함을 가진 기존 나노섬유 소재는 혈관 조직 복구 및 재생을 촉진하는 데 효과적이지 않습니다. 이에 생체모방 젤라틴(Gt)/폴리카프로락톤(PCL) 복합 나노섬유에 다양한 양의 콘드로이틴 황산(CS)을 전기방사 기술로 도입하여 항혈전성과 내피 세포 친화성에 미치는 영향을 조사했습니다. PG 나노섬유 내 다양한 CS 농도는 섬유 형태와 직경에 영향을 미칩니다. CS/Gt/PCL 나노섬유는 적절한 기공률(~80%)과 PBS 용액
초록 본 연구에서는 오토클레이브에서 아미드화 반응을 통해 아미노 하이퍼분지 폴리머(HBP)-접목 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유를 제조했습니다. 제조된 PAN-G-HBP 섬유는 아미노 HBP의 아미노기를 통해 Ag+를 착물화할 수 있으며, 고온 증기 조건에서 HBP의 환원성으로 Ag+를 Ag0로 전환할 수 있습니다. PAN-G-HBP와 Ag 나노입자(NPs) 코팅 섬유를 FTIR, UV-Vis DRS, FE-SEM, EDS, XPS 및 항균 측정으로 특성 분석했습니다. FTIR 결과 HBP가 PAN 섬유 표면에 접목됨을 확인했습니다
