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        羧甲基殼聚糖/ES纖維水刺醫(yī)用敷料的制備和性能

        2017-04-10 06:50:24鄧惠文高穎俊靳向煜
        關(guān)鍵詞:水刺面密度羧甲基

        鄧惠文, 高穎俊, 靳向煜

        (東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)

        殼聚糖(CTS)為甲殼素脫乙?;a(chǎn)物,是至今發(fā)現(xiàn)的唯一天然堿性多糖,具有生物相容性和生物可降解性,可用于止血、防腐和促進(jìn)傷口愈合[1].CTS能激活機(jī)體系統(tǒng)、介導(dǎo)機(jī)體系統(tǒng)的系列生物學(xué)效應(yīng),提高吞噬細(xì)胞的系統(tǒng)功能,還具有抑菌性[2],在生物醫(yī)用敷料中有著廣泛的應(yīng)用.但由于CTS的水溶性差,只溶于酸或酸性溶液,產(chǎn)品呈微酸性,對(duì)人體有一定的刺激,在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用受到極大限制.CTS羧甲基化產(chǎn)物,即羧甲基殼聚糖(CMC)既保留了CTS的優(yōu)良性能,也極大改善了其水溶性、抗菌性、可降解性[3].CMC纖維接觸去離子水后能迅速形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠體,具有良好的保濕性能,符合濕潤(rùn)環(huán)境愈合理論[4],能為愈合時(shí)間較長(zhǎng)的慢性傷口提供更有效和更快速的治療,其應(yīng)用于新型醫(yī)用敷料已在醫(yī)學(xué)界得到極大的認(rèn)可[5].

        水刺非織造工藝流程短、成本低,其產(chǎn)品質(zhì)地柔軟,吸濕、透濕性好,并且有一定強(qiáng)力,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域.殼聚糖纖維卷曲度小、剛度較大[6],成網(wǎng)過(guò)程中會(huì)降低針齒對(duì)纖維的握持能力,影響纖維之間的纏結(jié),難以成網(wǎng)[7-8],且殼聚糖纖維經(jīng)羧甲基化改性后存在力學(xué)性能下降、纖維黏結(jié)成塊等問(wèn)題.為保持敷料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,在原料中混入一定量的聚烯烴系雙組分熱熔黏結(jié)(ES)纖維[9].ES纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性和獨(dú)特的皮芯結(jié)構(gòu),在殼聚糖羧甲基改性反應(yīng)中不會(huì)被改性試劑所腐蝕,并且熱熔點(diǎn)較低的纖維皮層能發(fā)生熔融黏結(jié),而芯層保持纖維狀態(tài)存在于材料中,可作為骨架維持織物空間結(jié)構(gòu),改善材料手感.

        1 試樣制備

        1.1 原材料

        CTS纖維,由山東華興海慈新材料有限公司提供,1.68 dtex×38 mm,脫乙酰度為80.6%,卷曲度為2.5%;ES纖維,浙江新維獅合纖股份有限公司,2 dtex×50 mm,卷曲度為12.3%;氯乙酸鈉,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;無(wú)水乙醇,分析純,鴻盛精細(xì)化工;NaOH,分析純,平湖化工試劑廠.

        1.2 制備工藝

        采用CTS纖維和雙組分皮芯結(jié)構(gòu)的ES纖維為原料,制備成質(zhì)量配比為30/70, 50/50, 70/30, 100/0,面密度為110 g/m2的CTS/ES水刺醫(yī)用敷料,再經(jīng)過(guò)羧甲基化改性成為CMC/ES水刺醫(yī)用敷料.

        1.2.1非織造水刺工藝

        CTS纖維和ES纖維混合后經(jīng)平行鋪網(wǎng)成網(wǎng),使用FleissnerY500-2型平網(wǎng)式水刺機(jī)水刺纏結(jié)加固,包括兩個(gè)纏結(jié)機(jī)制-預(yù)濕水刺系統(tǒng)和主水刺系統(tǒng).為了改善非織造材料正反面毛羽和更有效的纏結(jié),本文采用預(yù)濕水刺1道和正反面各2道主水刺的加固方式.由于水刺工藝中水刺壓力的大小對(duì)纖維之間的纏結(jié)效果影響較大,影響到非織造材料的結(jié)構(gòu)與性能,故控制為統(tǒng)一參數(shù)以便于分析羧甲基化改性和纖維原料對(duì)材料的影響.

        1.2.2羧甲基化改性

        羧甲基改性反應(yīng)僅發(fā)生在CTS纖維,主要反應(yīng)分為兩步,堿化反應(yīng)和醚化反應(yīng).首先通過(guò)在NaOH中發(fā)生堿化反應(yīng),CTS纖維發(fā)生溶脹并產(chǎn)生大量活化中心;然后再通過(guò)與一氯乙酸的醚化反應(yīng)引入—CH2COOH完成改性反應(yīng).具體改性方法如下:將6 g CTS/ES水刺醫(yī)用敷料置入800 mL燒杯中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH水溶液200 g,攪拌使敷料完全浸入NaOH溶液中,室溫下放置48 h堿化;取出材料置入800 mL燒杯中,加入無(wú)水乙醇200 g做為反應(yīng)試劑,震蕩條件下加入氯乙酸鈉29.2 g作為反應(yīng)試劑,室溫下反應(yīng)6 h后將試樣取出;用乙醇溶液充分洗滌試樣至中性,擠壓試樣去除多余液體,平鋪于通風(fēng)處自然風(fēng)干,即得到CMC/ES水刺醫(yī)用敷料[10-11].

        1.2.3熱風(fēng)加固處理

        本文使用的ES纖維是以聚乙烯為皮層和聚丙烯為芯層的雙組分纖維,皮層材料熔點(diǎn)低且柔軟性好,芯層材料則熔點(diǎn)高且強(qiáng)度高.經(jīng)熱風(fēng)加固處理后,纖維芯層仍保留纖維狀態(tài),纖維皮層部分開(kāi)始熔融黏結(jié),并且纖維具有較好的耐化學(xué)性,這些特殊的性能使得ES纖維能成為CMC/ES水刺醫(yī)用敷料的骨架.

        ES纖維的差示掃描量熱(DSC)測(cè)試曲線如圖1所示.由圖1可知,ES纖維皮層熔點(diǎn)為131.94 ℃,

        圖1 ES纖維的DSC曲線Fig.1 DSC curve of ES fiber

        芯層熔點(diǎn)為163.89 ℃.為達(dá)到ES纖維黏合目的,并盡量避免CMC纖維因過(guò)度受熱而損傷,對(duì)敷料進(jìn)行低溫短時(shí)間(135 ℃,5~7 min)的熱風(fēng)穿透處理,使ES纖維皮層材料一定程度上熔融和黏結(jié).

        本文所用非織造材料工藝規(guī)格如表1所示.

        表1 不同規(guī)格的水刺醫(yī)用敷料

        注:“+”為改性處理,“-”為未改性處理

        2 測(cè)試方法

        采用Nicolet Nexus 670型紅外光譜儀對(duì)改性前后的殼聚糖醫(yī)用敷料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,驗(yàn)證殼聚糖的羧甲基取代完成與否.采用日立TM-1000型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)羧甲基改性前后的殼聚糖纖維和殼聚糖/ES醫(yī)用敷料的表觀形態(tài).使用CFP-1100-AI型孔徑及分布測(cè)試儀對(duì)改性前后的殼聚糖/ES醫(yī)用敷料進(jìn)行孔徑分析,以更具體地了解樣品的結(jié)構(gòu)變化.

        面密度和厚度是醫(yī)用敷料十分重要的性能指標(biāo)之一,與敷料很多性能關(guān)系密切,如敷料的透氣性、透濕性等性能.面密度測(cè)試參照GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法:第1部分單位面積質(zhì)量》,使用FA2004A型電子天平,進(jìn)行測(cè)試.厚度測(cè)試參照GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分:厚度的測(cè)定》,使用YG141N型織物厚度儀進(jìn)行測(cè)定.

        在創(chuàng)面愈合過(guò)程中,新型醫(yī)用敷料不僅要提供適宜傷口愈合的濕潤(rùn)環(huán)境,還需要具備一定的透氣性能,能夠使氧氣進(jìn)入創(chuàng)面并及時(shí)排出皮膚代謝的二氧化碳,促進(jìn)傷口的愈合的同時(shí)能防止細(xì)菌在無(wú)氧環(huán)境下的繁殖. 纖維之間的孔隙是氣體通過(guò)的主要通道,材料的原料種類、面密度、厚度以及結(jié)構(gòu)都影響試樣的透氣性能.透氣性測(cè)試參照GB/T 5453—1997《紡織品,織物透氣性的測(cè)定》測(cè)定,使用YG461N型數(shù)字式透氣量?jī)x測(cè)量透氣性,通過(guò)測(cè)定流量孔徑兩面的壓差,得到敷料的透氣性.

        液體吸收性參照YY/T 0471.1—2004《接觸性創(chuàng)面敷料試驗(yàn)方法——第1部分:液體吸收性》中3.2的方法配制試驗(yàn)液(用磷酸鹽緩沖液模擬人體體液pH) 進(jìn)行測(cè)試.

        3 結(jié)果分析

        3.1 紅外光譜表征

        羧甲基改性前后殼聚糖/ES水刺敷料的紅外光譜圖如圖2所示.

        圖2 羧甲基改性前后殼聚糖/ES水刺敷料的紅外光譜圖Fig.2 IR spectra of CTS/ES spunlanced wound dressing before and after carboxymethy/modification

        由圖2可知,羧甲基改性前后的醫(yī)用敷料紅外曲線分別在3 373和3 380 cm-1存在—OH吸收峰,在 2 921和2917 cm-1處存在—CH2—吸收峰,在1 068和1 071 cm-1處存在—C—O—C—的特征吸收峰.

        由于圖2中(b)曲線是試樣發(fā)生羧甲基改性反應(yīng)后的紅外光譜圖,明顯存在(a)曲線中沒(méi)有的吸收峰. 由圖2(b)曲線可知,羧甲基改性后的醫(yī)用敷料在1 590和1 411 cm-1處存在較強(qiáng)的吸收峰,分別為—COO—的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,這一結(jié)果說(shuō)明殼聚糖已經(jīng)發(fā)生了羧甲基取代反應(yīng).

        3.2 形態(tài)表征與孔徑分析

        CTS纖維和CMC纖維的SEM圖如圖3所示.

        (a) CTS纖維(×3 000)

        (b) CMC纖維(×2 500)

        Fig.3SEMimagesofchitosanandcarboxymethylchitosanfibers

        由圖3(a)可知,殼聚糖纖維由濕法紡絲制備成形,縱向表面不完整,呈條形溝槽狀,同時(shí)表面還存在不均勻的細(xì)微孔狀裂痕.這些裂痕和細(xì)微的孔洞在纖維接觸液體時(shí)形成毛細(xì)血管效應(yīng),使液體能儲(chǔ)存在這些孔洞里,增加纖維吸濕性和保濕性[12].CMC纖維(如圖3(b)所示)保持基本形態(tài),但纖維直徑增加約14.2%,表面變粗糙出現(xiàn)裂紋并且有突起顆粒物,這種粗糙表面的纖維有利于提高材料的舒適度.

        水刺醫(yī)用敷料試樣SEM圖如圖4所示.

        (a) CTS/ES水刺醫(yī)用敷料

        (b) CMC/ES水刺醫(yī)用敷料

        (c) 浸潤(rùn)后的CMC/ES水刺醫(yī)用敷料

        Fig.4SEMimageofsamples

        由圖4(a)可知,水刺醫(yī)用敷料中存在清晰的水刺孔洞,殼聚糖纖維與ES纖維分布均勻,并且較好地相互抱和與纏結(jié).對(duì)比圖4(a)中不同纖維混比的敷料,殼聚糖纖維在外力作用下發(fā)生了彎曲和擠壓,而ES纖維強(qiáng)度高于殼聚糖纖維,不易受外力作用影響,經(jīng)梳理和水刺加固作用后仍能保持原有的纖維狀態(tài),為敷料結(jié)構(gòu)提供一定的支撐.由圖4(b)可知,羧甲基改性后敷料仍能保持非織造材料的形態(tài)結(jié)構(gòu),相對(duì)于未改性的敷料,羧甲基改性后的敷料中纖維之間纏結(jié)更緊密,部分ES纖維之間因熱風(fēng)處理發(fā)生了黏結(jié),ES纖維表面較光滑未被刻蝕,表明ES纖維在羧甲基改性反應(yīng)中未參加反應(yīng).將CMC/ES水刺醫(yī)用敷料在去離子水中完全浸潤(rùn)后,羧甲基殼聚糖纖維失去纖維形態(tài),形成了均勻的水凝膠體,將其烘干并使用SEM觀察得到圖4(c),水凝膠體的覆蓋面積隨羧甲基聚糖纖維含量增加而增加,ES纖維由于未發(fā)生改性作用在去離子水濕潤(rùn)后未產(chǎn)生改變,并且纖維間產(chǎn)生一定黏合,為羧甲基殼聚糖纖維在水溶液中形成的水凝膠體系的三維空間結(jié)構(gòu)提供更堅(jiān)固的骨架支撐.

        為了進(jìn)一步探究敷料因原料混比差異和羧甲基改性處理的結(jié)構(gòu)變化,對(duì)試樣1~8進(jìn)行了材料孔徑分析,材料孔徑直徑的最大值、最小值和平均值在羧甲基改性前后隨纖維混比的變化如圖5所示.

        圖5 孔徑隨混比的關(guān)系變化曲線Fig.5 Pore size varying with the blending ratio

        對(duì)于未經(jīng)羧甲基改性的CTS/ES水刺醫(yī)用敷料試樣1~4,平均孔徑隨ES纖維含量的增加呈上升趨勢(shì).這可能是由于殼聚糖纖維線密度小于ES纖維,一方面相同面密度的材料中殼聚糖纖維數(shù)量多于ES纖維,另一方面殼聚糖纖維直徑小于ES纖維,故殼聚糖纖維之間形成的孔隙小于ES纖維形成的孔隙.經(jīng)羧甲基改性后的水刺醫(yī)用敷料試樣5~8的平均孔徑也有隨ES纖維含量增加而呈上升的趨勢(shì).

        對(duì)比羧甲基改性前后的CTS/ES水刺醫(yī)用敷料,由圖5可知,羧甲基改性后的試樣5~8的平均孔徑、最大孔徑和最小孔徑都小于未改性的試樣1~4.這可能是因?yàn)轸燃赘男院蟮臍ぞ厶抢w維直徑膨脹,而且纖維表面有未去除干凈的反應(yīng)殘余物,導(dǎo)致纖維之間形成的孔隙減小.

        3.3 面密度與厚度

        在制備過(guò)程中將CTS/ES水刺醫(yī)用敷料的面密度控制在(110±5) g/m2內(nèi),不同混比的CTS/ES水刺醫(yī)用敷料于羧甲基改性前后的面密度對(duì)比圖如圖6所示.

        圖6 混比對(duì)面密度的影響

        Fig.6Surfacedensityvaryingwiththeblendingratio

        由圖6可知,同纖維混比的試樣經(jīng)羧甲基改性后,其面密度增加36.6%以上,隨著殼聚糖纖維含量增加,面密度增加比率也隨之上升.

        對(duì)試樣厚度進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如圖7所示.由圖7可知,同纖維混比的試樣經(jīng)羧甲基改性后,其厚度增加16.1%以上.這是由于羧甲基改性反應(yīng)發(fā)生在殼聚糖纖維上,反應(yīng)后纖維直徑膨脹,纖維之間孔隙變窄,反應(yīng)殘留物不易洗滌和清除,附著在纖維表面,造成敷料的面密度和厚度增加.

        圖7 混比對(duì)厚度的影響

        Fig.7Thicknessvaryingwithblendingtheratio

        3.4 透氣性

        對(duì)試樣進(jìn)行透氣性測(cè)試結(jié)果如圖8所示. 對(duì)比試樣2、 3、 4,隨著材料中ES纖維含量增加,透氣量增加.這是由于ES纖維直徑比殼聚糖纖維直徑大,纖維與纖維之間纏結(jié)形成的孔隙大.結(jié)合圖5的孔徑對(duì)比得到證實(shí),而且ES纖維為皮芯結(jié)構(gòu),纖維為規(guī)整圓柱狀且表面平滑,故纖維之間接觸面積小,留出了較多空間可供氣體通過(guò).試樣1透氣量高于試樣2,其原因可能是純殼聚糖纖維卷曲度小,纖維之間難以纏結(jié)抱合,形成的非織造材料孔隙大.

        圖8 混比對(duì)透氣性能的影響Fig.8 Permeability varying with the blending ratio

        由圖8可知,同種纖維混比的敷料,羧甲基改性之后透氣量下降了約10%~40%.這是由于改性后敷料面密度增加,羧甲基殼聚糖纖維表面被腐蝕而變得粗糙,纖維之間的摩擦增加,纖維橫向膨脹直徑增大,纖維纏結(jié)更緊密,形成的孔隙更狹窄,隨之透氣性下降.

        3.5 液體吸收性能

        經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)濕過(guò)的尺寸為10 cm×10 cm殼聚糖試樣置于燒杯內(nèi),加入磷酸緩沖鹽溶液(模擬人體體液pH值)500 mL,浸泡一定時(shí)間后稱其質(zhì)量,得到吸濕率.

        吸濕率計(jì)算式為

        Rma=(m-m0)/m0×100%

        (1)

        式中:Rma為吸濕率;m為吸濕脫水后材料的質(zhì)量(g);m0為預(yù)調(diào)濕后材料的質(zhì)量(g).

        各試樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9所示.

        圖9 混比對(duì)液體吸收性能的影響Fig.9 Absorbency varying with the blending ratio

        由圖9可知,對(duì)比殼聚糖/ES水刺非織造材料試樣1~4,隨著試樣中ES纖維含量增加,吸濕率變化不是很明顯,但仍能看出存在下降趨勢(shì).這是由于殼聚糖纖維的分子結(jié)構(gòu)中存在大量的—OH、 —NH2等親水性基團(tuán),分子內(nèi)及分子間有大量氫鍵,而且纖維表面有微孔和裂痕,增加了纖維的吸濕性和液體吸收能力[12],而ES纖維的分子結(jié)構(gòu)并未存在此類親水基團(tuán),吸濕性較差,因此隨著ES纖維含量的增加則導(dǎo)致材料的吸濕率降低.

        相對(duì)于未改性的水刺非織造材料1~4,經(jīng)羧甲基改性的試樣5~8吸濕率提升了300%~500%,顯著增加了敷料的吸濕性,并且隨著殼聚糖纖維含量的增加,羧甲基改性后的醫(yī)用敷料吸濕率增加.原因主要在于羧甲基改性僅發(fā)生在殼聚糖纖維上,羧甲基的取代增加了纖維的親水集團(tuán),纖維吸濕性增加;殼聚糖纖維在改性過(guò)程中經(jīng)堿化和醚化反應(yīng)后,大分子的氫鍵被打開(kāi),分子鏈遭到打亂和重排,纖維的結(jié)晶區(qū)遭到破壞,有利于液體進(jìn)入纖維內(nèi)部;此外,改性后的纖維表面裂痕增加,毛細(xì)血管效應(yīng)也進(jìn)一步增加了纖維的吸濕性.

        CMC水刺醫(yī)用敷料在用去離子水潤(rùn)濕前(左)和潤(rùn)濕后形成凝膠(右)的數(shù)碼照如圖10(a)所示. 羧甲基改性后殼聚糖纖維的結(jié)晶區(qū)被破壞,非結(jié)晶區(qū)空間增加,液體能順利滲入擴(kuò)散至纖維內(nèi)部,纖維發(fā)生高度膨脹并且形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠狀態(tài),這種結(jié)構(gòu)使得敷料能更好地鎖住水分,極大增強(qiáng)其吸濕和保濕作用.對(duì)比傳統(tǒng)的黏膠敷料或者棉質(zhì)紗布,CMC/ES水刺醫(yī)用敷料在接觸水溶液后形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),不僅能夠極大增加醫(yī)用敷料吸收傷口滲出液的能力,并且能為傷口提供濕潤(rùn)環(huán)境促進(jìn)傷口愈合.在試樣5上滴加適量去離子水后的顯微鏡圖如圖10(b)所示.其中,用虛線區(qū)分濕潤(rùn)纖維和未濕潤(rùn)纖維,虛線右側(cè)纖維經(jīng)去離子水濕潤(rùn)后開(kāi)始逐漸溶脹甚至失去纖維原有形態(tài)形成透明的水凝膠,并且沿纖維分布逐漸向左擴(kuò)散,虛線左側(cè)為未濕潤(rùn)的材料結(jié)構(gòu)圖,纖維仍然保持原有形態(tài).

        (a) CMC/ES水刺醫(yī)用敷料形成凝膠前后數(shù)碼照

        (b) CMC/ES水刺醫(yī)用敷料水凝膠顯微鏡圖

        Fig.10ImageofCMC/ESspunlacedwounddressing

        4 結(jié) 論

        (1) 本文對(duì)制備的CTS/ES水刺醫(yī)用敷料進(jìn)行羧甲基改性,成功制備了一種CMC/ES水刺醫(yī)用敷料,并使用紅外光譜進(jìn)行羧甲基表征鑒定.

        (2) 經(jīng)羧甲基改性后的CMC纖維仍保持纖維原有形態(tài),纖維表面裂紋增加,直徑膨脹14.2%,CMC纖維接觸去離子水后迅速形成水凝膠體,ES纖維則不參與羧甲基改性反應(yīng).

        (3) CTS/ES水刺醫(yī)用敷料經(jīng)羧甲基改性后,面密度增加36.6%以上,厚度增加16.6%以上,吸濕率增加,最高可提升500%以上.其中,CTS纖維含量越高,經(jīng)羧甲基改性后的CMC/ES水刺醫(yī)用敷料面密度和厚度越大.敷料的吸濕率隨CMC纖維含量增加而增加,在去離子水中浸潤(rùn)后形成以ES纖維作為三維骨架的復(fù)合水凝膠體系,液體吸收能力得到了極大提升.

        (4) 經(jīng)羧甲基改性后的CMC/ES水刺醫(yī)用敷料的平均孔徑、最大孔徑和最小孔徑均下降. CTS/ES和CMC/ES水刺醫(yī)用敷料的孔徑均隨ES纖維含量的增加而增大. 相較CTS/ES水刺醫(yī)用敷料,羧甲基改性后的CMC/ES水刺醫(yī)用敷料的透氣性下降,但兩者的透氣性均隨ES纖維含量增加而上升.

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