海藻酸鈣海綿及其載銀后的性能研究

王 康，郝艷麗

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

海藻酸鹽是一種天然的高分子多糖，以海藻酸鈉為原料制備的多孔海綿可使傷口處在一個(gè)溫暖而濕潤(rùn)的愈合環(huán)境中，促進(jìn)傷口的愈合[1-2]，因此海藻酸基敷料的研究引起了廣泛關(guān)注。凍干法是制備海藻酸基海綿最常用的方法之一[2-4]，近期Andersen等采用機(jī)械攪拌發(fā)泡制孔，結(jié)合內(nèi)源凝膠法，制備了多孔海藻酸鈣海綿，無(wú)需凍干，制備簡(jiǎn)便快速[5-6]。

此外為了增加抗菌性，載銀敷料的研制也是熱點(diǎn)研究問(wèn)題。目前在海藻酸基材料上載銀常見(jiàn)的方法有：噴涂浸漬法[7]、離子交換法[8]、在位還原法[9-11]和共混紡絲法[12]等。常規(guī)的在位還原法是將海藻酸鈣海綿浸漬 AgNO3溶液后，再用NaBH4[13]等還原劑還原以獲得載納米銀的海藻酸基敷料。

本研究采用Andersen等的方法制備了海藻酸鈣海綿，并對(duì)其干燥與后處理過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，使得海綿的并泡和體積收縮程度大大降低，考察了后處理實(shí)驗(yàn)條件對(duì)海綿的吸液率、保液率以及力學(xué)性能的影響。此外采用了一種更為簡(jiǎn)便的在位還原法，利用甘油的還原性及增塑性，制備出了載有納米銀且柔韌性良好的海藻酸鈣海綿。通過(guò)采用抑菌圈方法，考察了載銀海綿對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

海藻酸鈉（ALG-Na），青島黃海制藥有限公司，醫(yī)藥級(jí)；其它試劑，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司，分析純。

1.2 海藻酸鈣海綿及載銀海藻酸鈣海錦的制備

將一定量CaCO3、吐溫20與ALG-Na溶液混合均勻得到混懸液，混懸液中海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，將混懸液攪拌發(fā)泡20 min，加入一定量葡萄糖酸內(nèi)酯（GDL），攪拌均勻后注入模具中，凝膠90 m in后，得到發(fā)泡濕凝膠。發(fā)泡濕凝膠浸漬在無(wú)水乙醇中處理30 m in后，置于干燥箱中80℃烘干，得到厚度4 mm的海藻酸鈣硬海綿，然后用不同濃度乙醇-甘油水溶液對(duì)其浸泡處理6 h，再次置于烘箱中80℃烘干即得具有一定柔韌度的海藻酸鈣海綿。

將上述制備的海藻酸鈣硬海綿用不同濃度的AgNO3溶液浸漬3 h，然后用不同濃度乙醇-甘油水溶液浸泡處理6 h，置于烘箱中80℃烘干即得載納米銀海藻酸鈣海綿。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

海綿形貌觀測(cè)：將海綿裁剪成方形尺寸并拍照，觀察海綿的表面形貌；將海綿斷面噴金，采用日本日立公司的S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察海綿的斷面形貌；將載銀海綿在無(wú)水乙醇中超聲30 min，將超聲后液體滴在微柵上，采用JEM-2100型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡（TEM）進(jìn)行觀測(cè)，操作電壓為200 kV，圖像經(jīng)過(guò)CCD拍照記錄。

吸液率、保液率與力學(xué)性能測(cè)試：將海綿裁剪成3 cm×3 cm尺寸，稱其初始質(zhì)量W，浸于蒸餾水或生理鹽水24 h后取出，用濾紙迅速吸去表面水分，稱其濕質(zhì)量 W1，吸液率 =（W1-W）/W，g/g；將上述吸液率測(cè)試后的樣品放入離心管中，經(jīng)5000 r/min離心10 m in后，稱其質(zhì)量為 W2，保液率 =（W2-W）/W，g/g；將干燥的海綿裁剪成標(biāo)準(zhǔn)樣條，在 WD-1型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

海綿抑菌實(shí)驗(yàn)：以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌作為試驗(yàn)細(xì)菌，在37℃下培養(yǎng)24 h后，以海藻酸鈣海綿為空白對(duì)照，采用抑菌圈法測(cè)試載銀海藻酸鈣海綿的抑菌性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 海綿形貌觀測(cè)

Andersen等以 CaCO3為凝膠劑，GDL為酸化劑，甘油為增塑劑，采用機(jī)械攪拌制孔制備了多孔海藻酸鈣海綿[5]。但我們?cè)趯?shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將甘油預(yù)先添加到濕凝膠中，濕凝膠在80℃環(huán)境下干燥時(shí)，海綿并泡現(xiàn)象嚴(yán)重，體積會(huì)發(fā)生較大皺縮。這主要是因?yàn)楦视陀泻軓?qiáng)的吸濕性，干燥過(guò)程中會(huì)大大降低水分子的遷移速率，導(dǎo)致海綿內(nèi)的海藻酸鈣氣壁長(zhǎng)期處于溶脹狀態(tài)，強(qiáng)度低，易于產(chǎn)生并泡現(xiàn)象，甚至海綿中間形成1個(gè)較大的氣囊；此外對(duì)于制備具有一定厚度的海綿，可能導(dǎo)致海綿長(zhǎng)時(shí)間不能完全干燥。

因此本研究在制備濕凝膠過(guò)程中不添加甘油，采用乙醇處理濕凝膠后再干燥，一方面海藻酸鈣氣壁在有機(jī)溶劑作用下，強(qiáng)度明顯提高，另一方面乙醇的存在有利于加速干燥過(guò)程，最終獲得孔洞豐富且具有一定厚度的海藻酸鈣硬海綿。此時(shí)的海綿質(zhì)硬而脆，為增加海綿的柔韌性并防止海綿因過(guò)度水化而發(fā)生并泡現(xiàn)象，我們進(jìn)一步采用乙醇-甘油水溶液對(duì)海綿進(jìn)行處理，獲得了具有一定柔韌性的海藻酸鈣軟海綿。外觀形貌見(jiàn)圖1，截面 SEM圖見(jiàn)圖2。

由圖1a）可見(jiàn)，經(jīng)乙醇-甘油水溶液處理后，海藻酸鈣海綿具有優(yōu)良的柔韌性和彈性，可任意彎折，經(jīng)按壓后能夠彈起恢復(fù)原貌，其外觀顏色如圖1b）所示為白色。從圖2可見(jiàn)海綿內(nèi)部的孔呈不規(guī)則的多面體形態(tài)，孔壁上有孔洞可相互聯(lián)通，孔徑在200～500μm之間。

圖1 海藻酸鈣海綿及載銀海藻酸鈣海綿的外觀形貌Fig.1 Photos of sur face m orphology of calcium alginate sponge and AgNPs-loaded calcium alginate sponge

圖2 SEM截面圖Fig.2 SEM im ages of cross sections

本研究采用的海綿載銀方法為在位還原法，海藻酸鈣海綿經(jīng) AgNO3溶液浸漬后，然后用乙醇-甘油的混合溶液處理并高溫干燥，得到了載有納米銀的海藻酸鈣海綿。如圖1c）和圖1d）所示海綿顏色為黃褐色與棕褐色，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[10]。AgNO3溶液濃度越大，沉積出的納米銀含量越高，海綿顏色越深。表明將海藻酸鈣海綿浸入AgNO3溶液后，通過(guò)海藻酸鈣對(duì)Ag+的吸附將Ag+均勻地分散在海綿上，高溫干燥過(guò)程中，通過(guò)海藻酸和甘油的還原作用，Ag+被還原成 Ag0沉積在海綿上。研究表明，以硝酸銀或氧化銀為前驅(qū)體，利用海藻酸鈉[14-15]和甘油[16]的羥基對(duì)Ag+進(jìn)行還原反應(yīng)，可獲得納米銀顆粒。但甘油還原Ag+的反應(yīng)比較復(fù)雜，所涉及的主要反應(yīng)如式（1） ～（3）所示[16]。

本研究的海藻酸基海綿載納米銀方法，可直接在海藻酸鈣凝膠上沉積納米銀離子，簡(jiǎn)便有效，同時(shí)避免了外加其它還原劑在海綿中的殘留。

2.2 納米顆粒的TEM觀測(cè)

圖3為載銀海藻酸鈣海綿在無(wú)水乙醇中超聲后納米銀的TEM圖。

圖3 海藻酸鈣海錦上納米銀的TEM圖a）及粒徑分布圖b）Fig.3 TEM im age a） and particle size distribu tion b） of silver nanoparticles p recip itated on calcium alginate sponge

從圖3a）可見(jiàn)，納米銀顆粒的出現(xiàn)表明本研究采用的載銀方法可有效在海綿上負(fù)載納米銀顆粒。由圖3b）可見(jiàn)，納米銀的粒徑主要分布在25～45 nm之間。采用 NaBH4為還原劑制備的載銀海藻酸膜[13]與電化學(xué)方法制備的載銀微球[17]，其納米銀顆粒大小分別15～20與10～30 nm，相比之下，本研究海藻酸基海綿負(fù)載納米銀顆粒略大。

2.3 海藻酸鈣海綿的表觀密度

如表1給出了海藻酸鈣海綿的表觀密度。

由表1可見(jiàn)海藻酸鈣硬海綿的表觀密度較低，已經(jīng)達(dá)到了氣凝膠的表觀密度。海藻酸鈣硬海綿在乙醇-甘油水溶液中處理后，表明觀密度明顯上升，這主要與海綿的含水量增加有關(guān)。甘油濃度越大，海綿的表觀密度越大，這主要由于甘油具有良好的保濕性，可增加海綿的含水量。而乙醇的存在可提高水分蒸發(fā)的速度，因此乙醇濃度越大，海綿的含水量越低。采用50%乙醇-6%甘油的水溶液處理的海綿表觀密度相對(duì)較低。

表1 海藻酸鈣海綿表觀密度Table 1 Apparent density of ALG-Ca sponge

2.4 ALG-Ca海綿的吸液性能和保液性能

理想的傷口敷料應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)異的吸液性能和保液性能，從而可以吸收大量的傷口滲出液。表2給出了乙醇-甘油水溶液濃度對(duì)海藻酸鈣海綿的吸液率和保液率的影響。

從表2可見(jiàn)，甘油含量的增加使得海綿的吸液率和保液率有所降低，而隨乙醇含量的增加吸液率和保液率有所提高，同時(shí)海綿在蒸餾水中的吸液率和保液率都高于在生理鹽水中的吸液率和保液率。采用50%乙醇-6%甘油處理的海綿具有相對(duì)較高的吸液率和保液率。

表2 海藻酸鈣軟海綿的吸液率和保液率Table 2 Absorbing and rem aining liquid ratio of calcium alginate sponges

由表1可知，干燥后海綿中的含水量會(huì)隨著甘油含量的升高而提高，使得海綿在吸水達(dá)到飽和時(shí)，能夠吸收的外界水分減少，導(dǎo)致海綿的吸液率降低，由于甘油含量的升高會(huì)引起海綿干質(zhì)量的增加，所以將吸液平衡海綿離心后，海綿的保液率也降低。此外，海綿干質(zhì)量會(huì)隨著乙醇含量的升高而減小，所以在吸水達(dá)到飽和時(shí)，海綿可以吸收更多的水分，致使吸液率升高，進(jìn)一步離心后，保液率也會(huì)因海綿干質(zhì)量的降低而升高。另外，海綿在生理鹽水中將承受一定的滲透壓，使得海綿對(duì)生理鹽水的吸收相對(duì)較低，且生理鹽水中的Na+與海綿中的Ca2+發(fā)生離子交換，浸泡一段時(shí)間后，海綿的表面和孔壁會(huì)變得酥軟，彈性降低，海綿的體積膨脹率以及離心后海綿中保存的水分隨之減少，因此，海綿在生理鹽水中的吸液率和保液率比在蒸餾水中的相對(duì)較低。

研究表明[4]通過(guò)凍干法制備的海藻酸濃度為2%時(shí)的海藻酸鈣海綿對(duì)蒸餾水和生理鹽水的吸液率分別約為9.8和10.7 g/g；保液率分別約為0.85和1.15 g/g，相比之下，本研究制備的海藻酸鈣海綿的吸液率及保液率相對(duì)較高。

2.5 ALG-Ca海綿的力學(xué)性能

表3給出了乙醇-甘油水溶液濃度對(duì)海藻酸鈣海綿力學(xué)性能的影響。

表3 ALG-Ca海綿的力學(xué)性能Table 3 Themechanical properties of calcium alginate sponges

由表3可見(jiàn)，隨甘油含量的增加，將會(huì)使得海綿的拉伸強(qiáng)度降低、斷裂伸長(zhǎng)率提高，而乙醇對(duì)海藻酸鈣海綿力學(xué)性能的影響相反，即乙醇含量提高，海綿的拉伸強(qiáng)度增加、斷裂伸長(zhǎng)率降低。采用50%乙醇-6%甘油處理的海綿具有相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度而斷裂伸長(zhǎng)率較低。

這是因?yàn)楦视褪嵌嗔u基小分子增塑劑，與海藻酸鈣大分子中的羥基和羧基相互作用形成氫鍵，從而削弱了海藻酸鈣分子內(nèi)部及分子間作用力，致使海綿的拉伸強(qiáng)度下降，同時(shí)由于海藻酸鈣分子間作用力的削弱，使得海藻酸鈣分子的自由度得到提高，增加了海綿在外力作用下的延展性，因此海綿的斷裂伸長(zhǎng)率增加。而海藻酸鈣在乙醇的作用下，高分子鏈分子間作用力增強(qiáng)，同時(shí)海藻酸分子的自由度降低，從而使得海綿的拉伸強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。

文獻(xiàn)[3]對(duì)凍干海藻酸鈣海綿（采用2%海藻酸鈉制備，90%乙醇-3%甘油后處理）進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，海綿的拉伸強(qiáng)度為0.21 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率6.93%，相比之下，本研究制備的海藻酸鈣海綿，拉伸強(qiáng)度略低，但斷裂伸長(zhǎng)率明顯提高，即柔韌性相對(duì)較好，這與本研究使用的甘油濃度較高有關(guān)。

2.6 ALG-Ca海綿載銀后的抑菌性能

圖4給出了抑菌圈實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片。每個(gè)培養(yǎng)皿上端白色海綿為海藻酸鈣海綿，作為空白對(duì)照，下面2個(gè)有色海綿為載納米銀海藻酸鈣海綿的2個(gè)平行樣品。抑菌圈大小見(jiàn)圖5。

由圖4和圖5可見(jiàn)，海綿負(fù)載納米銀后均產(chǎn)生了明顯的抑菌圈，表明納米銀對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有良好的抑菌性能。當(dāng)AgNO3溶液濃度為37.5×10-6與 75×10-6時(shí)，海綿的顏色較淺，表明沉積的納米銀量還較少，抑菌圈大小變化不大，當(dāng)AgNO3溶液濃度為125×10-6時(shí)，海綿的顏色較深，沉積的納米銀含量明顯增加，此時(shí)的抑菌圈直徑也顯著提高，表明納米銀含量越高抑菌能力也越強(qiáng)。

比較圖5中大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈大小，可見(jiàn)納米銀對(duì)大腸桿菌抑菌效果相對(duì)較好，與文獻(xiàn)[18]通過(guò)γ射線照射制備的載有納米銀的聚乙烯醇/海藻酸膜對(duì)2種細(xì)菌的抑菌性能的報(bào)道一致，這可能是因?yàn)?種細(xì)菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致與納米銀的結(jié)合能力不同，從而抑菌效果不同。

3 結(jié)論

1）采用乙醇處理濕凝膠可加速干燥過(guò)程，保留海綿孔道結(jié)構(gòu)；采用乙醇-甘油水溶液后處理，可獲得具有一定柔韌性的海藻酸鈣海綿。

圖4 抑菌圈實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片F(xiàn)ig.4 The photo of antibacterial circle

圖5 AgNO3溶液濃度對(duì)載銀ALG-Ca海綿的抑菌圈大小的影響Fig.5 Effects of the concentration of AgNO3solution on the antibacterial circle of AgNPs-loaded calcium alginate sponges

2）海藻酸鈣海綿經(jīng) AgNO3溶液浸漬后，用乙醇-甘油水溶液后處理并高溫干燥，可得到載納米銀海藻酸鈣海綿，其中甘油既增加了海綿的柔韌性，又可作為還原劑促進(jìn)納米銀顆粒的生成。

3）乙醇-甘油水溶液中甘油含量越低，乙醇含量越高，海綿的吸液率和保液率也越高，此時(shí)的拉伸強(qiáng)度也相對(duì)較高，但斷裂伸長(zhǎng)率較低。

4）載納米銀海藻酸鈣海綿對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有良好的抑菌性能。

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