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变废为宝!榴莲壳制成的可降解凝胶绷带,抗菌效果长达48小时

学术头条

2021-04-06 14:52

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榴莲,被称为 “水果之王”。它的香甜果肉被人们视为美味佳肴,但果皮由于布满了尖锐的刺,一般会被人们直接丢弃。流入垃圾站后的榴莲果皮一般会经过焚烧处理,对当地环境造成污染。在一些榴莲消费大国,这种影响不容忽视。

据新加坡海峡时报(Straits Times)报道,2017 年新加坡共计进口和消费了 14300 吨榴莲(大约 1000 万个榴莲)。

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(来源:HealthLine)

近日,由新加坡南洋理工大学(NTU)的四名食品科学家组成的团队,花费两年多时间进行研究,最终使用榴莲的果皮研制了一种抗菌凝胶绷带,成功使榴莲外壳变废为宝。

相关论文以 “Food waste durian rind-derived cellulose organohydrogels: towards anti-freezing and antimicrobial wound dressing” 为题,于 2021 年 1 月发表在美国化学学会的期刊《ACS 可持续化学与工程》(ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING)上。

(来源:ACS Publications)

研究人员通过从榴莲果皮中提取高质量的纤维素,并将这些纤维素与工业副产品甘油结合在一起,创造了一种类似于硅胶片的软凝胶。这种凝胶则可以被切成各种形状和大小的绷带。他们还在凝胶中加入了从面包酵母中提取的有机分子天然酵母酚,使得这种凝胶绷带对细菌具有致命性的作用。

由此制成的有机凝胶绷带,对人体没有任何毒副作用并且生物可降解,因此与传统的合成绷带相比,这种新型抗菌凝胶绷带对环境的影响也会更小。

废弃榴莲果皮发挥巨大作用

传统的水凝胶贴片通常用于覆盖手术后的伤口,以最大程度地减少疤痕组织的形成,使疤痕变得更加柔软与平坦。

这种传统水凝胶贴片一般由合成材料制成,比如聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)和聚乙烯吡咯烷(polyvinylpyrrolidine)等聚合物都是制作传统水凝胶贴片的原材料。

与传统的创可贴或纱布绷带不同的是,水凝胶贴片可以保持皮肤的水分,使皮肤远离干燥。

随着耐抗生素超级细菌的威胁日益增加,世界将需要多种替代方法来预防感染。应对开放性伤口的一种有效方法是使用抗菌素绷带,这种绷带具有生物相容性,对人类长期使用是安全的。

也有抗微生物特性的贴片会使用金属化合物,例如银或铜离子。但这也使得应用成本更高。

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图 | 利用榴莲果皮制成的抗菌凝胶绷带 (来源:NTU)

南洋理工大学食品科学与技术项目主任、Michael Fam 化学与生物医学工程学院食品科学与技术客座教授 William Chen 解释说:“通过使用目前大量丢弃的榴莲皮和甘油等废弃物,我们可以把废弃物变成一种宝贵的生物医学资源,促进伤口的迅速恢复,减少患者感染的机会。”

抗菌水凝胶贴片

与慢性疾病有关的伤口,预计将成为更常见的健康负担,其中皮肤伤口的细菌感染是一个严重的风险。根据《欧洲聚合物期刊》发表的一篇论文(A.Gupta 等人,2019 年),伤口敷料市场估计每年可达 114 亿美元。

新型水凝胶绷带的临床优势在于,其中含有的天然酵母酚类物质,将有助于防止革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌等细菌的生长,同时也对随后形成的生物膜有一定的影响,这种生物膜具有一层粘液,可导致细菌菌落内产生抗药性。

实验证明,这种抗菌水凝胶已经作为动物皮肤上的伤口敷料进行了测试,并在长达 48 小时内显示了良好的抗菌效果。

图 | 在第二天时仅用纱布覆盖的样品细菌总数增加到 2.15×10^8 CFU,而用有机水凝胶覆盖的样品细菌总数减少到 3.36×10^5 CFU(来源:NTU)

NTU 李光前医学院副院长 Andrew Tan 副教授是代谢紊乱方面的专家,他对这一创新成果评论道,现在市场上已经有天然和合成的水凝胶,它们在治疗某些类型伤口方面的效用是众所周知的。水凝胶绷带不仅无毒,还能够使伤口补充水分,并且可以促进体内酶软化不良组织并将其清除。

这项成果的创新性和独特之处在于将榴莲果皮进行升级处理从而获得纤维素。考虑到榴莲的刺可能会使人受伤,但是果皮上的材料可以治愈人类,这是十分有趣的一种现象。

图 | 含有天然抗菌化合物的新型抗菌凝胶绷带

不仅可以用作医疗

有机水凝胶也可用于可穿戴、柔性和可拉伸的电子产品,陈教授在 2019 年发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一篇论文中就展示了这一点。

可穿戴电子设备由小型传感器组成,这些传感器可以检测心率和身体活动,就像目前的智能手环一样,可以帮助医护人员监测偏远社区中老年人的健康。

为了展示有机水凝胶在柔性电子器件中的应用,陈教授研发了一种可以传导电信号的原型水凝胶,其实由从豆渣中获得的纤维素制成。

陈教授补充说:“正如我们许多研究论文所显示的那样,食品科学与技术的基础研究在医疗保健、生物医学应用和特种化学品等其它行业有更多跨学科的应用。”

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图 | 研究团队展示新型凝胶产品(来源:NTU)

通过采用废物转化为资源的方法和使用绿色制造技术,该团队已经证明了再利用被认为是垃圾的东西,并将它们循环制成对人类有价值的产品是可能的。目前该团队正在寻找有兴趣将该抗菌凝胶绷带推向市场的行业合作伙伴。

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