DOI: https://doi.org/10.1039/d5bm01497b
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41789508
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Spela Stor وآخرون
الموضوع الرئيسي: شفاء الجروح والعلاجات
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على التطبيق الواعد للتحفيز بالضغط في تعزيز نمو خلايا الإنسان مع تثبيط نمو البكتيريا في الوقت نفسه. تُظهر الدراسة أن دمج جزيئات أكسيد الزنك (ZnO) النانوية (NPs) في أفلام بولي-L-لاكتيد (piezo-PLLA) الكهربائية، جنبًا إلى جنب مع تعديل السطح عبر البلازما الباردة، يؤدي إلى مادة حيوية عالية الوظائف. يعزز حشو ZnO الاستجابة الكهروضغطية للمواد، بينما يغير معالجة البلازما كيمياء السطح، مما يكشف عن جزيئات ZnO. يحسن هذا التعديل المزدوج بشكل كبير التفاعل بين الأفلام وكلا من بكتيريا E. coli وخلايا الكيراتين البشرية (HaCaT)، مما يؤدي إلى نشاط مضاد للميكروبات فعال عند تنشيط الموجات فوق الصوتية عند 1 ميغاهيرتز.
تشير النتائج إلى أن زيادة محتوى جزيئات ZnO النانوية لا تعزز فقط الخصائص المضادة للميكروبات لأفلام piezo-PLLA ولكن تعزز أيضًا التكاثر، والحركة، والروابط بين الخلايا، وتكوين الهيكل الخلوي لخلايا HaCaT. هذه التفاعلات حاسمة لتجديد الجلد وشفاء الجروح. في الختام، تؤكد الدراسة أن جزيئات ZnO النانوية تعمل كحشو فعال يحسن الاستجابة الكهروضغطية المنشطة بالموجات فوق الصوتية لأفلام PLLA، مما يعزز فعاليتها المضادة للميكروبات ويدعم تكاثر خلايا الإنسان من خلال تفاعلات مصممة أثناء التحفيز بالضغط.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على إمكانيات التحفيز الكهروضغطي كاستراتيجية جديدة لتطوير الأسطح المضادة للميكروبات في الطب الحيوي، خاصة استجابةً للتهديد المتزايد لمقاومة المضادات الحيوية (AMR). حددت منظمة الصحة العالمية الاستخدام غير السليم للمضادات الحيوية كعامل رئيسي يساهم في AMR، مما يؤدي إلى زيادة الوفيات والمضاعفات في العلاجات الطبية. يعطل التحفيز بالضغط جدران خلايا البكتيريا، مما يوفر بديلاً واعدًا لطرق المضادات الحيوية التقليدية. من بين المواد الكهروضغطية المختلفة، تبرز بولي-L-لاكتيد (PLLA) بسبب قابليتها للتحلل الحيوي، وتوافقها الحيوي، وموافقة إدارة الغذاء والدواء للاستخدامات الطبية.
تناقش الورقة تصنيع PLLA بأشكال مختلفة، بما في ذلك الخيوط والأفلام الكهروضغطية، التي يمكن أن تولد مجالًا كهربائيًا عند التشوه الميكانيكي، مما يعزز خصائصها المضادة للميكروبات. ومع ذلك، كانت فعالية هذه الأفلام محدودة بسبب بطء العمل المضاد للبكتيريا، والذي يُعزى إلى ضعف الاتصال بالبكتيريا. لمعالجة ذلك، تهدف الدراسة إلى دمج جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) على شكل قضبان كحشوات لتحسين الخصائص الكهروضغطية لأفلام PLLA وتعزيز خصائصها الهيكلية. بالإضافة إلى ذلك، تقترح تقنيات تعديل السطح، مثل معالجة البلازما تحت ضغط جوي، لتحسين قابلية البلل والخشونة، مما يسهل التصاق البكتيريا ونقل المحفز. تفترض الأبحاث أن الجمع بين جزيئات ZnO NPs ومعالجة البلازما سيحقق تأثيرات تآزرية، مما قد يعزز تطبيقات شفاء الجروح وتجديد أنسجة الجلد.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في تخليق وتوصيف أفلام بولي-L-لاكتيد (PLLA) المدمجة مع جزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs). تم تخليق جزيئات ZnO NPs من خلات الزنك ثنائية الهيدرات باستخدام طريقة حل حراري، تلتها الطرد المركزي والتجفيف بالتجميد لمنع التكتل. تم إعداد مركبات PLLA/ZnO عبر طريقة صب المذيب، حيث تم إذابة PLLA في الكلوروفورم وخلطها مع جزيئات ZnO NPs الموزعة في N,N-dimethylformamide (DMF). خضعت المساحيق المركبة الناتجة للضغط الساخن والسحب لتشكيل الأفلام، والتي تم إخضاعها بعد ذلك لتعديل البلازما لتعزيز خصائصها المضادة للميكروبات.
شملت تقنيات التوصيف حيود الأشعة السينية (XRD) وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) لتحليل تركيب الطور وحجم البلورات. تم تقييم الفعالية المضادة للميكروبات لجزيئات ZnO NPs ضد E. coli، مما يكشف عن تأثيرات قاتلة للبكتيريا عند تركيزات أعلى، خاصة عند دمجها مع تنشيط الموجات فوق الصوتية (US). كما قامت الدراسة بتقييم السمية الخلوية للأفلام، حيث وجدت أن أيًا من التركيبات لم تؤثر سلبًا على حيوية الخلايا، حتى عند أعلى تركيز لـ ZnO بنسبة 6 wt%. علاوة على ذلك، أثرت التعديلات السطحية للأفلام على تكاثر الخلايا وشكلها، حيث عززت معالجة البلازما وتنشيط الموجات فوق الصوتية التصاق الخلايا واستطالتها، مما يشير إلى إمكانية تعزيز التوافق الحيوي والوظائف في التطبيقات الطبية الحيوية.
نتائج
تحققت الدراسة في الخصائص المضادة للميكروبات للتحفيز بالضغط المنشط بالموجات فوق الصوتية في أفلام بولي (حمض اللاكتيك) (PLLA) المعززة بجزيئات أكسيد الزنك النانوية (ZnO NPs) وتعديلات السطح الناتجة عن البلازما. كان الهدف من دمج جزيئات ZnO NPs أثناء تشكيل الفيلم الأولي هو تحقيق توزيع موحد لهذه الحشوات الشبيهة بالقضبان داخل مصفوفة PLLA، والتي من المتوقع أن تعزز الخصائص الكهروضغطية وتسهّل التفاعلات مع الخلايا. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام معالجة سطح البلازما كخطوة نهائية لتحسين سطح الفيلم لتحسين الاتصال الخلوي ونقل المحفز بشكل أكثر فعالية أثناء التحفيز بالضغط.
أشارت النتائج إلى أن هذه التعديلات الهيكلية والسطحية عملت بشكل تآزري لتعزيز الخصائص المضادة للبكتيريا الناتجة عن الموجات فوق الصوتية لأفلام PLLA وتعزيز التحفيز بالضغط لخلايا الجلد البشرية (HaCaT)، مما أدى إلى زيادة تكاثر الخلايا. قامت الدراسة بتقييم آليات مضادة للميكروبات متنوعة، بما في ذلك إطلاق أيونات ZnO/Zn²⁺، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتأثيرات الاتصال المتعلقة بالشحنة السطحية لجزيئات ZnO NPs، وكلها ساهمت في الفعالية المضادة للميكروبات الملحوظة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية توصيف وتحليل أفلام PLLA/ZnO باستخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك مطيافية الأشعة السينية للأشعة السينية (XPS)، ومطيافية الكتلة المرتبطة بالبلازما (ICP-MS)، ومطيافية رامان المستقطبة، وقياس الحرارة التفاضلية (DSC)، وقياسات الكهروضغطية. كشفت XPS عن كيمياء سطح الأفلام، بينما تم استخدام ICP-MS لتقييم توزيع ZnO على أسطح الأفلام. أشارت مطيافية رامان المستقطبة إلى الاتجاه الجزيئي لـ PLLA، وقدم DSC رؤى حول بلورية الأفلام، موضحًا أن إضافة ZnO لم تغير بشكل كبير البلورية العامة ولكنها عززت تكوين مرحلة α-PLLA الأكثر استقرارًا حراريًا.
كما درست الدراسة الخصائص المضادة للبكتيريا لجزيئات ZnO النانوية (NPs) المدمجة في الأفلام. أظهرت اختبارات التخفيف الدقيقة أن جزيئات ZnO NPs تعيق بشكل فعال نمو الإشريكية القولونية، مع ملاحظة نشاط قاتل للبكتيريا عند تركيزات تزيد عن 300 ميكروغرام لكل مل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأفلام استجابات كهروضغطية معززة عند تنشيط الموجات فوق الصوتية، خاصة عند تركيز 6 wt% من ZnO، مما يشير إلى أن دمج ZnO لم يؤثر فقط على الخصائص الهيكلية لمصفوفة PLLA ولكن أيضًا عزز خصائصها الوظيفية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن دمج جزيئات ZnO NPs في أفلام PLLA يؤثر بشكل كبير على خصائصها الميكانيكية والهيكلية والمضادة للبكتيريا، مما يجعلها مرشحين واعدين لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
DOI: https://doi.org/10.1039/d5bm01497b
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41789508
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Spela Stor et al.
Primary Topic: Wound Healing and Treatments
Overview
The research highlights the promising application of piezostimulation in enhancing human cell growth while simultaneously inhibiting bacterial growth. The study demonstrates that integrating zinc oxide (ZnO) nanoparticles (NPs) into piezoelectric poly-L-lactide (piezo-PLLA) films, combined with surface modification via cold atmospheric plasma, results in a highly functional biomaterial. The ZnO filler enhances the piezoelectric response of the material, while the plasma treatment alters the surface chemistry, exposing ZnO particles. This dual modification significantly improves the interaction between the films and both E. coli bacteria and human keratinocytes (HaCaT), leading to effective antimicrobial activity upon ultrasound activation at 1 MHz.
The findings indicate that the increased ZnO NP content not only enhances the antimicrobial properties of the piezo-PLLA films but also promotes the proliferation, mobility, intercellular connections, and cytoskeleton formation of HaCaT cells. These interactions are crucial for skin regeneration and wound healing. In conclusion, the study establishes that ZnO NPs serve as an effective filler that optimizes the ultrasound-activated piezoelectric response of PLLA films, thereby enhancing their antimicrobial efficacy and supporting human cell proliferation through tailored interactions during piezostimulation.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the potential of piezoelectric stimulation as a novel strategy for developing antimicrobial surfaces in biomedicine, particularly in response to the growing threat of antimicrobial resistance (AMR). The World Health Organization has identified the misuse of antibiotics as a significant factor contributing to AMR, which leads to increased mortality and complications in medical treatments. Piezostimulation disrupts bacterial cell walls, providing a promising alternative to traditional antimicrobial methods. Among various piezoelectric materials, poly-L-lactide (PLLA) stands out due to its biodegradability, biocompatibility, and FDA approval for medical applications.
The paper discusses the fabrication of PLLA in various forms, including piezoelectric yarn and films, which can generate an electrical field upon mechanical deformation, enhancing their antimicrobial properties. However, the effectiveness of these films has been limited by slow antibacterial action, attributed to poor contact with bacteria. To address this, the study aims to incorporate rod-like zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) as fillers to improve the piezoelectric properties of PLLA films and enhance their structural characteristics. Additionally, surface modification techniques, such as atmospheric pressure plasma treatment, are proposed to improve wettability and roughness, facilitating better bacterial adhesion and stimulus transfer. The research hypothesizes that the combination of ZnO NPs and plasma treatment will yield synergistic effects, potentially advancing wound healing and skin tissue regeneration applications.
Methods
In this section, the methods employed for synthesizing and characterizing Poly-L-lactide (PLLA) films incorporated with zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are detailed. The ZnO NPs were synthesized from zinc acetate dihydrate using a solvothermal method, followed by centrifugation and freeze-drying to prevent agglomeration. The PLLA/ZnO composites were prepared via a solvent casting method, where PLLA was dissolved in chloroform and mixed with dispersed ZnO NPs in N,N-dimethylformamide (DMF). The resulting composite powders underwent hot pressing and drawing to form films, which were then subjected to plasma modification to enhance their antimicrobial properties.
Characterization techniques included X-ray diffraction (XRD) and small-angle X-ray scattering (SAXS) to analyze phase composition and crystallite size. The antimicrobial efficacy of the ZnO NPs was assessed against E. coli, revealing significant bactericidal effects at higher concentrations, particularly when combined with ultrasound (US) activation. The study also evaluated the cytotoxicity of the films, finding that none of the formulations adversely affected cell viability, even at the highest ZnO concentration of 6 wt%. Furthermore, the films’ surface modifications influenced cell proliferation and morphology, with plasma treatment and US activation promoting cell attachment and elongation, indicating potential for enhanced biocompatibility and functionality in biomedical applications.
Results
The study investigated the antimicrobial properties of US-activated piezostimulation in poly(L-lactic acid) (PLLA) films enhanced by zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) and plasma-induced surface modifications. The integration of ZnO NPs during the initial film formation aimed to achieve a uniform distribution of these rod-like fillers within the PLLA matrix, which is anticipated to enhance the piezoelectric characteristics and facilitate interactions with cells. Additionally, a plasma surface treatment was employed as a final step to optimize the film’s surface for improved cellular contact and more effective stimulus transfer during piezostimulation.
The results indicated that these structural and surface modifications worked synergistically to enhance the ultrasonic-induced antibacterial properties of the PLLA films and promote the piezostimulation of human skin cells (HaCaT), leading to increased cell proliferation. The study evaluated various antimicrobial mechanisms, including the release of ZnO/Zn²⁺ ions, the generation of reactive oxygen species (ROS), and contact effects related to the surface charge of the ZnO NPs, all of which contributed to the observed antimicrobial efficacy.
Discussion
The discussion section of the research paper details the characterization and analysis of PLLA/ZnO films using various techniques, including X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS), polarized Raman spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), and piezoelectric measurements. XPS revealed the surface chemistry of the films, while ICP-MS was employed to assess the distribution of ZnO on the film surfaces. Polarized Raman spectroscopy indicated the molecular orientation of PLLA, and DSC provided insights into the crystallinity of the films, showing that the addition of ZnO did not significantly alter the overall crystallinity but did promote the formation of a more thermodynamically stable α-PLLA phase.
The study also investigated the antibacterial properties of the ZnO nanoparticles (NPs) incorporated into the films. The microdilution tests demonstrated that ZnO NPs effectively inhibited the growth of Escherichia coli, with bactericidal activity observed at concentrations above 300 µg ml⁻¹. Additionally, the films exhibited enhanced piezoelectric responses upon ultrasound activation, particularly at a 6 wt% ZnO concentration, indicating that the incorporation of ZnO not only influenced the structural properties of the PLLA matrix but also enhanced its functional characteristics. Overall, the findings suggest that the integration of ZnO NPs into PLLA films significantly affects their mechanical, structural, and antibacterial properties, making them promising candidates for various applications.