全自动生长曲线分析仪

Hybrid microneedle arrays for antibiotic and near-IR photothermal synergistic antimicrobial effect against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus

载药近红外光热协同抗菌复合微针阵列用于抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染

来源：Chemical Engineering Journal, Volume 462, Article ID 142127, 2023,

《化学工程期刊》，第462卷，文章编号142127，2023年，DOI:10.1016/j.cej.2023.142127

摘要

临床耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）皮肤软组织感染常规全身给药存在病灶药物浓度低、破坏皮肤正常菌群、易诱导耐药等缺陷。本研究设计双层复合微针阵列，外层为可溶聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮基质负载万古霉素，内层水不溶性PMMA光热核心负载Au/SiO₂等离子纳米聚集体；对比PVA、PVP两种水溶性外层聚合物对微针形貌、载药量、光热性能的影响，筛选30 wt% PVA为最优外层材料。近红外808 nm激光照射下微针可升温至45–55℃安全治疗区间；采用芬兰Bioscreen C全自动微生物浊度仪监测不同万古霉素浓度、不同热处理条件下MRSA全生长曲线，证实万古霉素与适度升温存在协同杀菌作用；离体猪皮实验验证微针可有效穿刺表皮并递送万古霉素，体外活菌计数证明光热联合微针给药可大幅降低MRSA活菌载量。该双层微针仅在皮肤表层释放抗生素，光热纳米颗粒留存于微针内，避免纳米颗粒皮内蓄积风险，为MRSA皮肤局部感染微创协同治疗提供新型载体方案。

关键词

复合微针；万古霉素；近红外光热；金硅纳米聚集体；MRSA；皮肤感染；聚乙烯醇；聚乙烯吡咯烷酮；协同抗菌；Bioscreen C

研究目的

1. 制备双层结构复合微针，外层水溶性聚合物负载万古霉素，内层PMMA复合Au/SiO₂光热纳米颗粒，筛选适配外层高分子基质。

2. 表征不同PVP、PVP浓度微针形貌、机械强度、万古霉素载药量与近红外光热升温能力，确定最优处方。

3. 利用芬兰Bioscreen C仪器监测梯度万古霉素、不同温度热处理后MRSA生长动态，量化药物与热疗协同抗菌效果。

4. 通过Loewe相加模型判定万古霉素与45–55℃温热协同关系，确定安全有效的光热治疗窗口。

5. 离体猪皮穿刺实验评价微针透皮给药能力，结合体外细菌培养验证微针联合光热的杀菌效率。

6. 构建仅表层释药、纳米颗粒不侵入真皮的微针体系，降低纳米生物蓄积安全隐患。

研究思路

1. Au/SiO₂光热纳米制备：火焰喷雾热解法合成4 wt二氧化硅隔离金纳米聚集体，TEM、UV-vis表征纳米结构与近红外吸收性能。

2. 双层微针成型：两步浇铸法制备微针模具，分别配制不同浓度PVA、PVP万古霉素水溶液作为外层；PMMA溶解后混合纳米颗粒制成内层光热芯，制备多组微针样品。

3. 理化表征：光学/荧光/扫描电镜观测微针分层结构；质构仪测试穿刺机械强度；热成像仪记录808 nm激光下升温曲线；HPLC定量微针万古霉素载药量与体外释放速率。

4. 协同抗菌预实验：设置不同万古霉素浓度、50–60℃梯度热处理，Bioscreen C连续24 h检测MRSA菌液OD600，Combenefit软件计算协同分数。

5. 体外微针抗菌：微针置于菌液，近红外照射处理后梯度稀释涂布平板计数活菌CFU。

6. 离体皮肤评价：微针穿刺离体猪皮，组织切片观察穿刺通道，HPLC检测皮内万古霉素递送量。

研究亮点

1. 创新双层分离式微针设计，抗生素外层遇皮液溶解释放，光热纳米颗粒固定于不溶性内芯，彻底解决纳米颗粒皮内蓄积生物安全隐患。

2. 证实30 wt% PVA为最优外层材料，兼具高万古霉素载量、快速释药、优异光热升温三重优势，10 min内释放90%以上药物。

3. 利用芬兰Bioscreen C高通量动态监测完整细菌增殖周期，定量证实45–55℃温热与万古霉素存在显著协同杀菌效应，划定安全无组织损伤治疗温度区间。

4. 微针机械强度满足拇指穿刺皮肤需求，离体猪皮实验可实现有效局部给药，微创给药大幅提升病灶药物浓度。

5. 光热+抗生素协同模式可降低万古使用剂量，减少全身给药带来的菌群紊乱与耐药诱导问题，适配多重耐药菌皮肤感染局部治疗。

可延伸的方向

1. 优化Au/SiO₂纳米配比提升光热转换效率，降低激光功率需求。

2. 微针基质复合抗炎成分，同步处理感染伴随皮肤红肿炎症。

3. 构建MRSA小鼠皮肤伤口感染体内模型，评价体内抗感染、皮肤刺激性。

4. 拓展该微针体系用于表皮葡萄球菌等其他耐药皮肤致病菌。

5. 复配其他抗菌肽、抗生素，利用Bioscreen高通量筛选多元协同配方。

6. 开展微针长期储存加速稳定性试验，推进医用敷料转化。

测量的数据及研究意义

1. Au/SiO₂纳米TEM、UV-vis、比表面积表征数据，研究意义：证实SiO₂薄层隔离金颗粒可增强近红外等离子体耦合效应，为微针光热功能提供材料基础。

2. 不同PVA/PVP微针电镜、荧光成像，数据来源图2，研究意义：PVP形成针尖载药层，PVA形成全包覆外壳，外层高分子直接调控微针释药结构与光热接触面积。

3. 各组微针万古霉素载量、体外释放HPLC定量数据，数据来源图3，研究意义：30 wt% PVA载药量最高，10 min药物释放超90%，满足皮肤快速局部给药需求。

4. 近红外激光下微针升温热成像曲线，数据来源图4，研究意义：PVA基微针升温峰值更高，可稳定维持45–55℃安全热疗区间，过高温度易造成皮肤蛋白变性。

5. 质构仪压缩形变机械强度数据，研究意义：30 wt% PVA微针机械性能匹配人体按压穿刺力度，具备临床使用物理稳定性。

6. Bioscreen C测得MRSA 24 h生长OD曲线、Loewe协同分数，数据来源图5，研究意义：量化单一热疗抑菌作用微弱，万古霉素联合50℃热处理可实现显著协同抑制，明确最优温热治疗参数。

7. 微针处理后细菌CFU活菌计数、离体猪皮给药定量，数据来源图6，研究意义：光热联合微针给药可对数级降低MRSA活菌，微针能有效穿透表皮完成局部药物递送。

结论

1. 两步浇铸法可制备双层复合微针，30 wt% PVA作为水溶性外层综合性能最优，内层PMMA固定Au/SiO₂光热纳米颗粒，避免纳米渗入皮肤组织。

2. 该微针近红外照射下可稳定升至45–55℃安全治疗温度，外层万古霉素10 min快速释放，机械强度满足微创穿刺要求。

3. 芬兰Bioscreen C生长动力学实验证实，50℃温热与万古霉素存在显著协同抗菌效果，单一升温抑菌能力有限。

4. 体外实验证明载药微针联合近红外光热可大幅清除MRSA浮游菌，离体猪皮模型验证微针可有效向皮肤内部递送抗生素。

5. 该分层微针实现局部微创、抗生素+光热协同治疗，同时规避纳米颗粒体内蓄积风险，是治疗MRSA皮肤软组织感染极具潜力的新型医用载体。

使用芬兰 Bioscreen仪器测量数据的研究意义

1. 本实验同步设置空白、单独万古霉素、单一热处理、药热联用多梯度实验组，37℃恒温持续振荡，仪器自动定时采集OD600浊度，连续24 h完整记录MRSA迟滞期、对数期、稳定期全部生长过程，全程密闭无需人工反复开盖取样，消除温度、移液、交叉污染带来实验系统误差。

2. 区别传统单点终点菌落计数仅能获取最终活菌结果，动态时序OD曲线可直观区分轻微生长延迟、中度抑制、完全阻断增殖三种药效梯度，精准划分协同、相加、拮抗作用区间，依托Loewe模型定量计算协同指数。

3. 一次性同步完成数十组温度、药物浓度平行样本检测，大幅缩短抗菌协同初筛实验周期，微量肉汤体系节约万古霉素珍贵样品。

4. 仪器输出标准化连续数值，可直接导入GraphPad、Combenefit统计软件完成方差与协同打分分析，消除肉眼判读主观偏差，药热协同结论定量、可重复。

5. Bioscreen动态生长数据与微针理化、光热、离体皮肤、平板活菌多层次实验交叉印证，完整构建“微针释药—近红外升温—药热协同抑制MRSA”完整证据链。