王春紅， 李 明， 龍碧旋， 才英杰， 王利劍， 左 祺

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 河北科技大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院， 河北 石家莊 050080)

在人體創(chuàng)傷愈合過(guò)程中，醫(yī)用敷料能起到保護(hù)創(chuàng)面、吸附滲出、防止感染、清除壞死組織等作用[1]。目前，我國(guó)絕大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)仍將棉質(zhì)紗布、繃帶等作為常用的醫(yī)用敷料，但傳統(tǒng)醫(yī)用敷料易與傷口粘連、保濕性能差，且需經(jīng)常更換[2]，難以滿足慢性傷口護(hù)理的需求。醫(yī)用敷料理想情況下應(yīng)具備以下特點(diǎn)：使用方便、致敏性低、成本適中；保持創(chuàng)面的濕潤(rùn)環(huán)境；隔離外部污染、清除壞死組織、吸收滲出液；無(wú)毒無(wú)害與人體相容性良好[3]。以天然材料(膠原蛋白、殼聚糖、細(xì)菌纖維素、絲素蛋白、海藻酸鹽等[4-5])為原料經(jīng)靜電紡絲制備的新型醫(yī)用敷料，對(duì)于傳統(tǒng)敷料的替代以及理想敷料的開(kāi)發(fā)和研究具有重要意義。

海藻酸鈉(SA)是從天然藻類中提取出的多糖共聚物，其大分子鏈?zhǔn)怯搔?D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)組成[6]。SA是一種天然材料，與人體相容性較好，在理想敷料的開(kāi)發(fā)上有廣泛的應(yīng)用前景，可較好地替代傳統(tǒng)敷料。然而單一的海藻酸鹽敷料其力學(xué)性能和抗菌性能不足[7]，不能較好地支撐創(chuàng)面以及抑制創(chuàng)面感染菌滋生，因此，在靜電紡絲過(guò)程中常與聚乙烯醇(PVA)共混提高力學(xué)性能[8]，并添加抗菌物質(zhì)以增強(qiáng)抗菌性能，抑制傷口的惡化。PVA具有良好的生物相容性以及力學(xué)性能，吸濕性較好，可作為改性劑增強(qiáng)海藻酸鈉的可紡性以及力學(xué)性能[9-11]。

針對(duì)PVA/SA納米纖維膜的抗菌性能，國(guó)內(nèi)外研究人員以PVA/SA為載體，添加納米氧化鋅ZnO、磷酸鋯鈉銀、層狀硅酸鹽等無(wú)機(jī)抗菌劑[12-14]，研究抗菌改性后金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌性以及細(xì)胞毒性。雖然無(wú)菌抗菌劑提高了敷料的抗菌性能，且具有較低的細(xì)胞毒性;但無(wú)機(jī)抗菌劑仍容易在人體積累，對(duì)人體產(chǎn)生一定的傷害，因此，研究人員發(fā)現(xiàn)了一系列從中草藥中提取的天然抗菌劑，其中黃連素(BR)是一種具有廣譜抗菌、藥源廣泛、價(jià)格低廉，不易產(chǎn)生耐藥性，還可提高機(jī)體免疫力的抗菌添加劑[15-17]。在靜電紡絲過(guò)程中添加天然抗菌劑BR，能與海藻酸鈉起到協(xié)同抗菌作用，充分發(fā)揮BR的藥用功效，制備出與人體相容、抗菌效果好的的醫(yī)用敷料。

基于以上分析，本文選用PVA/SA為載體，在靜電紡絲過(guò)程中添加天然抗菌劑BR來(lái)提高敷料的抗菌性能，并與氯化鈣交聯(lián)處理提高敷料的耐水性能。主要探究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BR對(duì)纖維膜外觀形貌、力學(xué)性能以及抗菌性能的影響；同時(shí)還探究了氯化鈣交聯(lián)處理對(duì)纖維膜外觀形貌、吸液倍率以及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚乙烯醇(PVA，pH值為5～7，醇解度為88%，廣州市濤升化工有限公司),海藻酸鈉(SA，pH值為7～8，天津福晨化學(xué)試劑廠),黃連素(BR，西安四級(jí)生物科技有限公司),氯化鈣(分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司),無(wú)水乙醇(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 試樣的制備

1.2.1 PVA/SA/BR納米纖維膜的制備

首先，分別稱取2 g SA和10 g PVA：在室溫下將 SA均勻攪拌在98 g去離子水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SA溶液；將PVA溶于90 g去離子水中進(jìn)行水浴加熱至90 ℃，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PVA溶液。然后，將配制好的2種溶液混合攪拌均勻作為黃連素的載體溶液。最后，再分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%的黃連素，室溫下磁力攪拌2 h制得紡絲溶液。將配制好的PVA/SA/BR混合溶液加入到注射器中，使用自制靜電紡絲裝置進(jìn)行紡絲。紡絲電壓為18 kV，紡絲速率為0.6 mL/h，接收距離為14 cm，接收?qǐng)A盤(pán)轉(zhuǎn)速為200～300 r/min，得到PVA/SA/BR納米纖維膜，并在真空烘箱中干燥24 h。

1.2.2 PVA/SA/BR納米纖維膜的交聯(lián)處理

將PVA/SA/BR納米纖維膜剪成2 cm×2 cm規(guī)格，分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%、5%的氯化鈣無(wú)水乙醇溶液中進(jìn)行交聯(lián)處理，最后用無(wú)水乙醇清洗纖維膜表面多余的氯化鈣后，室溫下干燥24 h，得到交聯(lián)改性PVA/SA/BR納米纖維膜。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 形貌觀察

采用TM3030型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對(duì)納米纖維膜的外觀形貌進(jìn)行觀察。采用Image-J軟件隨機(jī)選取100根纖維進(jìn)行直徑測(cè)量，對(duì)纖維膜直徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó)BRUKER公司)測(cè)試納米纖維膜的紅外光譜圖，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用INSTRON3369型萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)(美國(guó)INSTRON公司)測(cè)試納米纖維膜的力學(xué)性能，試樣規(guī)格為長(zhǎng)90 mm、寬10 mm，夾持隔距為30 mm，拉伸速率為5 mm/min。每個(gè)試樣測(cè)量5次，取平均值。

1.3.4 抗菌性能測(cè)試

參照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分：振蕩法》測(cè)試納米纖維膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率。

1.3.5 吸液性能測(cè)試

采用稱取質(zhì)量法測(cè)試納米纖維膜的吸液倍率(w)。將交聯(lián)處理后的納米纖維膜進(jìn)行干燥處理并稱取質(zhì)量，然后放入100 mL的PBS 緩沖液中浸泡24 h，烘至干態(tài)質(zhì)量，依據(jù)下式計(jì)算吸液倍率

式中,m0與m1分別為納米纖維膜測(cè)試前后的干態(tài)質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃連素用量對(duì)纖維膜結(jié)構(gòu)和性能影響

2.1.1 納米纖維膜表面形貌與纖維直徑分布分析

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)黃連素的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌和直徑分布如圖1所示。可看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的BR時(shí)，BR可很好地包覆在纖維內(nèi)部，而隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，BR開(kāi)始沉積在纖維外形成串珠。由纖維直徑分布圖可看出，未添加BR時(shí)，纖維的平均直徑為324.54 nm，隨著B(niǎo)R質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且纖維不勻率逐漸增加，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的BR時(shí)，纖維直徑最小，直徑不勻率最高。這可歸因于BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，能很好地包覆于PVA/SA中，導(dǎo)致纖維直徑增加，而隨著紡絲液中BR的繼續(xù)添加，超過(guò)了纖維本身的容納量，過(guò)量的BR會(huì)使紡絲液的導(dǎo)電性增強(qiáng)，從而增大了射流在場(chǎng)中的電場(chǎng)力，最終導(dǎo)致纖維被抽長(zhǎng)拉細(xì)，直徑不勻率增加。

2.1.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖1 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜表面形貌(×8 000)與直徑分布圖Fig.1 Surface morphology (×8 000) and diameter distribution of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

圖2 BR、PVA/SA和PVA/SA/BR 納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of BR、PVA/SA and PVA/SA/BR nanofiber membranes

2.1.3 力學(xué)性能分析

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BR的PVA/SA/BR納米纖維膜斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

由圖3可看出，添加BR后，PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率相較于未添加時(shí)出現(xiàn)了明顯的下降，當(dāng)BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%提升至6%時(shí)，PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，納米纖維膜顯示出較好的力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率分別為2.08 MPa、16.12%；當(dāng)BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率有所下降分別為1.76 MPa、12.35%。這可歸因于BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)能很好地包覆在纖維內(nèi)部，而隨著B(niǎo)R的繼續(xù)添加，破壞了PVA與SA之間的氫鍵，導(dǎo)致纖維膜力學(xué)性能整體下降。

2.1.4 抗菌性能分析

圖4、5分別示出添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BR的PVA/SA/BR納米纖維膜對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率及抗菌效果?？芍?，納米纖維膜對(duì)大腸桿菌的抑菌性能要優(yōu)于金黃色葡萄球菌的。由未添加BR的纖維膜觀察可知，純海藻酸鹽抗菌效果不明顯。隨著纖維膜中BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，可明顯觀察到大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)相繼減少，當(dāng)BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)抗菌效果明顯，對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%和97.89%，滿足GB/T 20944.3—2008中抑菌率≥70%的要求，因此，選取黃連素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的PVA/SA/BR納米纖維膜做耐水處理。

圖4 PVA/SA/BR納米纖維膜對(duì)大腸桿菌和 金黃色葡萄球菌的抑菌率Fig.4 Antibacterial rate of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

圖5 不同BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA/SA/BR納米纖維膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果圖Fig.5 Antibacterial effect of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus (b)with different mass fraction of BR

2.2 氯化鈣對(duì)纖維膜結(jié)構(gòu)和性能的影響

2.2.1 交聯(lián)后納米纖維膜的表面形貌分析

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈣交聯(lián)處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌如圖6所示。由于PVA/SA/BR納米纖維膜放入水中會(huì)快速縮聚成團(tuán)、溶解，耐水性很差，因此用氯化鈣交聯(lián)處理，可提高纖維膜的耐水性能[19]。由圖可看出，隨著氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PVA/SA/BR納米纖維膜由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠交?，交?lián)程度逐漸增大，但超過(guò)一定交聯(lián)程度后，納米纖維膜表面開(kāi)始有氯化鈣顆粒析出;因此，為了獲得表面平滑的纖維膜，氯化鈣的交聯(lián)程度不宜過(guò)大，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的氯化鈣進(jìn)行交聯(lián)處理較適宜。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈣交聯(lián)處理PVA/SA/BR的 掃描電鏡照片(×5 000)Fig.6 SEM images of PVA/SA/BR after crosslinking with calcium chloride at different concentrations (×5 000)

2.2.2 交聯(lián)后納米纖維膜的吸液倍率分析

PVA/SA纖維膜的親水性能很好，遇水后很快發(fā)生溶解，縮短了纖維膜的使用時(shí)間，不利于傷口的愈合，因此，需要提高纖維膜的耐水性能。氯化鈣交聯(lián)處理可提高纖維膜的耐水性，從而延長(zhǎng)其使用時(shí)間。

圖7示出經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈣處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率?？煽闯?，隨著氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維膜的吸液倍率先升高后下降，經(jīng)4%氯化鈣處理的納米纖維膜的吸液倍率達(dá)到最高，其耐水性能最好。氯化鈣交聯(lián)處理可提高吸液倍率是由于Ca2+可與SA中G基團(tuán)的—COONa發(fā)生螯合作用形成—COOCaOOC—，進(jìn)而形成三維凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可限制SA分子鏈段的自由運(yùn)動(dòng)，降低纖維膜的水溶性并提高吸液倍率[20]。當(dāng)Ca2+濃度較低時(shí)，溶液中沒(méi)有足夠的凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，凝膠強(qiáng)度較小，因此吸液倍率較??；當(dāng)Ca2+存在過(guò)量時(shí)，凝膠交聯(lián)點(diǎn)過(guò)多，導(dǎo)致鏈段平均分子鏈變小，網(wǎng)絡(luò)空間收縮，發(fā)生海藻酸鈣的沉淀，凝膠分子變少，吸液倍率有所下降[21-23]。

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)氯化鈣交聯(lián)處理PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.7 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes crosslinked with different concentrations of calcium chloride

圖8示出氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，不同交聯(lián)時(shí)間下PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率。可看出，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，納米纖維膜的吸液倍率先上升后下降，交聯(lián)4 h時(shí)纖維膜的吸液倍率達(dá)到最大為1 257%。當(dāng)交聯(lián)時(shí)間適當(dāng)時(shí)，形成的三維網(wǎng)格凝膠結(jié)構(gòu)較好，但超過(guò)一定時(shí)間后，交聯(lián)點(diǎn)過(guò)密，空間網(wǎng)格收縮，導(dǎo)致納米纖維膜的剛性增加，因此吸液倍率由于過(guò)飽和反而下降。

圖8 不同交聯(lián)時(shí)間下PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.8 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes at different cross-linking time

綜合氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和交聯(lián)時(shí)間對(duì)纖維膜吸液倍率的影響可知，二者對(duì)于納米纖維膜的吸液倍率具有同向作用，當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，交聯(lián)時(shí)間為4 h時(shí)，能形成很好的三維凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而交聯(lián)超過(guò)一定程度后，由于海藻酸鈣沉淀和纖維膜剛性增加，耐水性能反而下降。

2.2.3 交聯(lián)后納米纖維膜的力學(xué)性能分析

圖9示出氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，不同交聯(lián)時(shí)間下納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率曲線。可看出，隨著交聯(lián)時(shí)間的持續(xù)進(jìn)行，納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度先上升后下降，在交聯(lián)4 h時(shí)達(dá)到最大為4.17 MPa，而納米纖維膜的斷裂伸長(zhǎng)率則由57.13%增加到108.24%。在一定的交聯(lián)時(shí)間內(nèi)，納米纖維膜的力學(xué)性能總體上在逐漸提高，這是由于海藻酸鈉不僅與Ca2+形成了交聯(lián)鍵，還形成了分子之間的相互鍵合，從而共同抵抗外力的變化。而當(dāng)交聯(lián)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于交聯(lián)密度過(guò)大，纖維膜剛性變大，韌性下降，受到外界作用力時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使整體力學(xué)性能下降。

圖9 不同交聯(lián)時(shí)間下PVA/SA/BR的力學(xué)性能Fig.9 Mechanical properties of PVA/SA/BR with different cross-linking times

3 結(jié) 論

本文采用靜電紡絲技術(shù)將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黃連素(BR)添加到PVA/SA載體上，并與氯化鈣進(jìn)行交聯(lián)處理，提高了PVA/SA/BR納米纖維膜作為醫(yī)用敷料的抗菌性和耐水性，得出以下主要結(jié)論。

1)隨著B(niǎo)R質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的直徑先增大后減小，斷裂強(qiáng)度逐漸下降，抗菌性能逐漸提高。當(dāng)BR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，納米纖維膜斷裂強(qiáng)度為1.76 MPa，其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%、97.89%，滿足抗菌材料抑菌率大于70%的要求。

2)氯化鈣交聯(lián)處理能有效提高纖維膜的耐水性能。隨著氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)時(shí)間的增加，纖維膜的耐水性能逐漸提高。當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，交聯(lián)時(shí)間4 h時(shí)，纖維膜的斷裂強(qiáng)度達(dá)到4.17 MPa，吸液倍率為1 257%。而隨著氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)時(shí)間的進(jìn)一步增大，由于交聯(lián)過(guò)度，力學(xué)性能和耐水性能反而下降。