蔡永其，張 梅，李婉紅，井華芳，傅昊熙

(閩江學(xué)院海洋學(xué)院，福建 福州 350108)

海藻酸鈉(SA)是一種陰離子多糖，含有大量的羧基，具有良好的成膜性，保濕性，生物相容性和生物降解性等特點(diǎn)，是理想的天然生物醫(yī)用材料[1-2]。殼聚糖(CS)是一種陽離子多糖，含有大量的氨基，有較強(qiáng)的化學(xué)活性，同樣具有很好的生物相容性和生物降解性，且具有一定的抗菌和止血功能[3-4]。聚乙烯醇(PVA)是有聚醋酸乙烯酯經(jīng)水解得到的無毒親水性高聚物，含有大量的羥基，具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，是一種較好的成膜材料及理想的生物醫(yī)用材料[5-6]。仙鶴草(AgrimoniapilosaLedeb.)屬薔薇科龍牙草屬多年生植物，其地上部分，又名龍牙草、馬鞭草、石打穿等，分布范圍廣，原料來源豐富，具有多種藥理作用[7]，徐威等構(gòu)建大鼠皮膚損傷和燙傷模型、探討仙鶴草的收斂止血功效和抗菌功能[8]，劉位杰等概述了仙鶴草的化學(xué)成分及抗腫瘤、降血糖、抗炎等藥理活性[9]。為了提高共混合膜的多種理化性能，把殼聚糖和海藻酸鈉的良好生物相容性與聚乙烯醇優(yōu)良的成膜性和力學(xué)性能，及仙鶴草具有的收斂、止血、抗菌等藥效的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合制備共混合膜，以期制備一種能在傷口包扎，止血材料等應(yīng)用的性能優(yōu)良的新型醫(yī)用敷料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：殼聚糖(脫乙酰95%)、海藻酸鈉，1799型聚乙烯醇(醇解度98%～99%)均為阿拉丁分析純試劑，仙鶴草提取物購于陜西信瑞生物科技有限公司。

儀器：高速勻漿機(jī)(江蘇新瑞)，NDJ-8S數(shù)字顯示粘度計(jì)(上海精密科學(xué))，微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合膜的制備

稱取一定量的殼聚糖，溶于100 mL體積濃度為1.0%的乙酸水溶液中，加熱至45℃，磁力攪拌至殼聚糖完全溶解，靜置備用。稱取一定量的海藻酸鈉，溶于100 mL蒸餾水中，加熱至45℃，磁力攪拌至海藻酸鈉完全溶解，靜置備用。稱取一定量的聚乙烯醇，溶于100 mL蒸餾水中，加熱至80℃，磁力攪拌至聚乙烯醇完全溶解，過濾掉不溶物，靜置備用。稱取一定量的仙鶴草提取物，溶于50 mL蒸餾水中，玻璃棒攪拌至仙鶴草提取物完全溶解，過濾不溶物，靜置備用。

按一定比例混合以上4種溶液，加入0.5 mL甘油作為增塑劑，高速勻漿機(jī)混勻，轉(zhuǎn)速為10 000 r·min-1，溶液均質(zhì)30 min，超聲去除氣泡?；旌弦簼踩?00 mm×100 mm方形培養(yǎng)皿內(nèi)流延成型，40℃烘干，取膜，冷卻。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用L16(44)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以聚乙烯醇、海藻酸鈉、殼聚糖和仙鶴草質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為試驗(yàn)因素，吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化篩選。

1.2.3 性能測試

1.2.3.1 吸水率

參考 Ercelik[10]的方法測定。將復(fù)合膜剪成 2 cm×2 cm，置室溫蒸餾水中浸泡24 h后，用濾紙將膜表面的水分吸干，稱重m1，再將膜置于烘干箱中烘干至恒重稱重為m0，計(jì)算公式為：

(1)

式中：M為吸水率，%；m1為浸水后吸干膜表面水分后的膜重，g；m0為干燥后的膜重，g。

1.2.3.2 水蒸氣透過率

用復(fù)合膜將裝有蒸餾水的稱量瓶口密封，稱重M0；室溫靜置24 h后，稱重M1；量稱量瓶瓶口直徑，計(jì)算瓶口內(nèi)切面積，復(fù)合膜的水蒸氣透過率計(jì)算公式為：

(2)

式中：W為水蒸氣透過率，g/(h·m2)；t為24 h；S為稱量瓶瓶口內(nèi)切面積，m2；M0為稱量瓶加蒸餾水的初始質(zhì)量，g；M1為室溫靜置 24 h 后質(zhì)量。

1.2.3.3 力學(xué)性能

拉伸強(qiáng)度參照GB/T1040.3-2006進(jìn)行測試，將復(fù)合膜剪裁成5cm×2cm長條，然后垂直平整地固定于微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置參數(shù)：拉伸速度為50mm/min。每個(gè)試樣做3個(gè)平行組，取平均值。計(jì)算公式為：

(3)

式中：Ts為拉伸強(qiáng)度，MPa；F為復(fù)合膜斷裂時(shí)的最大張力，N；b、d為復(fù)合膜寬度與厚度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素結(jié)果與分析

2.1.1 PVA含量對復(fù)合膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響

當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.5%，殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為1.0%，仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.3%時(shí)，隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合膜的吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢。聚乙烯醇含有大量的親水性-OH，適當(dāng)?shù)腜VA加入，可以使復(fù)合纖維膜具有一定的吸水性和拉伸強(qiáng)度。高分子共混膜的水蒸氣透過率與膜的厚度、結(jié)構(gòu)致密程度、結(jié)晶程度等有關(guān)。隨著PVA含量的增多，高分子鏈之間的氫鍵增加，各個(gè)成分結(jié)合更緊密，水蒸氣透過率反而下降。綜合吸水率、拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過率結(jié)果，選擇PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、1.7%、1.9%、2.1%繼續(xù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖1 PVA含量對樣品膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of PVA content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.2 SA含量對復(fù)合纖維膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響

當(dāng)聚乙烯醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為2.1%，殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為1.0%，仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.3%時(shí)，隨著SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸水率平緩后到0.7時(shí)呈上升的趨勢，水蒸氣透過率則迅速上升，在0.9時(shí)達(dá)到最高，而后下降，拉伸強(qiáng)度則呈現(xiàn)持續(xù)出下降趨勢。這可能是因?yàn)镾A與殼聚糖兩者的靜電作用，消弱復(fù)合膜中高分子鏈之間的氫鍵作用，降低分子鏈運(yùn)動(dòng)的阻力，拉伸強(qiáng)度下降，同時(shí)各組分結(jié)合程度降低，致密度也隨之降低，水蒸氣透過率較大。綜合吸水率、拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過率結(jié)果，選擇SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、0.7%、0.9%繼續(xù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖2 SA含量對樣品膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of SA content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.3 CS含量對復(fù)合纖維膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響

當(dāng)聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為2.1%，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.5%，仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.3%時(shí)，隨著CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸水率、水蒸氣透過率、拉伸強(qiáng)度都呈先上升后下降的趨勢。CS含量的增加，增強(qiáng)了帶正電的殼聚糖高分子與帶負(fù)電的海藻酸鈉高分子之間的靜電作用。當(dāng)聚電解質(zhì)達(dá)到電中和時(shí)，復(fù)合膜具有合適的吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度。綜合吸水率、拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過率結(jié)果，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.3%、1.6%、1.9%的CS繼續(xù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖3 CS含量對樣品膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of CS content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.4 仙鶴草提取物含量對復(fù)合纖維膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響

當(dāng)聚乙烯醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為2.1%，殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為1.0%，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒為0.5%時(shí)，隨著仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合纖維膜的吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度均呈下降趨勢。仙鶴草提取物雖有較好的藥理作用，但對成膜性能有一定的影響，所以其含量不能太高。綜合吸水率、拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過率結(jié)果，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、0.9%、1.3%的仙鶴草提取物進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖4 仙鶴草提取物含量對樣品膜吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of Agrimonia pilosa extract content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行四因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度指標(biāo)測定。聚乙烯醇、海藻酸鈉、殼聚糖和仙鶴草提取物作為試驗(yàn)因素，吸水率、水蒸氣透過率和拉伸強(qiáng)度作為考察指標(biāo)。

正交試驗(yàn)結(jié)果處理分析采用綜合評(píng)分法中排隊(duì)評(píng)分法進(jìn)行評(píng)定計(jì)算[11-12]。復(fù)合膜的各指標(biāo)數(shù)據(jù)及各指標(biāo)評(píng)分結(jié)果如表2，正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見表3和表4。由表2可知，12號(hào)復(fù)合膜綜合得分24.28最高，復(fù)合膜的綜合性能相比于其他組最佳。由表4排隊(duì)評(píng)分法極差分析結(jié)果，得到復(fù)合膜綜合性能的因素主次關(guān)系為：A>B>D>C，即聚乙烯醇>殼聚糖>仙鶴草提取物>海藻酸鈉。復(fù)合膜的最優(yōu)組合為A3B4C2D1，即復(fù)合膜綜合性能最佳的條件是PVA、殼聚糖、海藻酸鈉、仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.9%、1.9%、0.5%、0.1%。

表2 L16 (44)正交試驗(yàn)排隊(duì)評(píng)分法結(jié)果

續(xù)表2

表3 L16 (44)正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 復(fù)合膜排隊(duì)綜合得分R的極差分析

表 3 正交試驗(yàn)結(jié)果表明，PVA、殼聚糖、海藻酸鈉、仙鶴草提取物這4種因素對復(fù)合膜的性能均有一定程度的影響。PVA、殼聚糖、海藻酸鈉這3種因素分子結(jié)構(gòu)中均含有大量羥基，易形成分子間氫鍵，分子間作用力增強(qiáng)，分子結(jié)合更緊密，一定程度上會(huì)提高力學(xué)性能。但是這3種因素除了有氫鍵作用外，還存在影響較大的靜電作用，它則會(huì)消弱復(fù)合膜中高分子鏈之間的氫鍵，仙鶴草提取物分子作用力弱，它的加入，也會(huì)降低力學(xué)性能。但是作為醫(yī)用敷料，除了要有一定的力學(xué)性能外，還要有一定的吸水性能和透氣性能，即保持醫(yī)用敷料的吸液性和透氣性，因此，根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果四種因素適當(dāng)?shù)谋壤旌霞饶苣芴岣哚t(yī)用敷料的多項(xiàng)性能，又因加入了天然藥物仙鶴草，提高了其止血抗菌性能。

3 結(jié)論

正交試驗(yàn)結(jié)果顯示復(fù)合膜制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳組合是PVA、殼聚糖、海藻酸鈉、仙鶴草提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.9%、1.9%、0.5%、0.1%。該組合的吸水率、水蒸氣透過率、拉伸強(qiáng)度等物理指標(biāo)均較優(yōu)。影響復(fù)合膜綜合性能因素的大小為：PVA>殼聚糖>仙鶴草>海藻酸鈉。本實(shí)驗(yàn)通過流延法制備出具有止血抗菌功能的新型醫(yī)用敷料—PVA/殼聚糖/海藻酸鈉/仙鶴草提取物復(fù)合膜，創(chuàng)新性的增加了抗菌止血的仙鶴草提取物，強(qiáng)化了復(fù)合膜的功能性。同時(shí)復(fù)合膜主要通過分子間靜電作用和氫鍵作用形成，該復(fù)合膜組合的材料均具有很好的生物相容性和生物降解性，是一種可自然降解的理想型醫(yī)用敷料。