具有梯度結(jié)構(gòu)的殼聚糖纖維敷料的制備及其導(dǎo)保液特性*

崔景強(qiáng)1,2 張洪亮1,2 王富利1,2 張 恒 柳 洋4 張一風(fēng)

1. 河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400；2. 河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453400；3. 中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州451191；4. 天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387

非織造敷料作為新型纖維基敷料的一種，主要用于手術(shù)后傷口、燒傷、外部創(chuàng)傷和長(zhǎng)期不愈性潰瘍等創(chuàng)傷區(qū)域的護(hù)理[1-2]。導(dǎo)保液特性是其適用于纖維敷料的關(guān)鍵特征，受纖維潤(rùn)濕特性和非織造材料的結(jié)構(gòu)特征影響，可提供一個(gè)相對(duì)封閉的空間，保證創(chuàng)傷區(qū)域具有相對(duì)穩(wěn)定的溫度和濕度，并防止微生物、顆粒物等有害物質(zhì)對(duì)傷口的污染。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和濕性創(chuàng)口愈合理論的普及，傳統(tǒng)的紗布類敷料在傷口護(hù)理領(lǐng)域已經(jīng)不太適應(yīng)人們對(duì)傷口敷料的要求，它存在容易粘連傷口，去除時(shí)會(huì)導(dǎo)致二次創(chuàng)傷，以及破壞健康的生長(zhǎng)因子等問題[3-5]。即使采用鹽水浸泡等手段處理紗布類敷料，但由于其保濕性較差，仍不利于傷口愈合[6]。因此，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)希望敷料具有良好的液體非對(duì)稱傳輸能力，也就是液體在敷料上下兩側(cè)的傳播能力具有較大的差異性，進(jìn)而使得傷口微環(huán)境具有適當(dāng)?shù)臐穸?，還能將多余的液體排出，形成最佳的傷口愈合環(huán)境[7-8]。

目前，以濕性創(chuàng)口愈合理論為基礎(chǔ)發(fā)展的纖維基敷料的主要原料包括海藻酸鹽、絲素蛋白和殼聚糖纖維等。其中，殼聚糖纖維是以蝦殼、蟹殼為原料，經(jīng)濕法紡絲制得的生物質(zhì)纖維素纖維，其不僅具有良好的生物相容性、人體親和性和生物降解性，還具有較好的紡織成型性，得到了行業(yè)的普遍關(guān)注，相關(guān)研究也較豐富。吳杰等[9]將殼聚糖纖維與黏膠纖維按照80/20和60/40的比例共混，然后分別采用平行鋪網(wǎng)和交叉鋪網(wǎng)兩種方式制備殼聚糖/黏膠水刺醫(yī)用敷料，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)疏松的纖網(wǎng)具有更多的孔隙，其有利于提高殼聚糖/黏膠水刺醫(yī)用敷料的柔軟性、液體吸收性和透氣性。鄧惠文等[10]采用殼聚糖纖維與一定比例的聚烯烴系(ES)纖維共混，然后采用梳理-水刺的方法制備殼聚糖/ES纖維水刺非織造材料，再對(duì)其進(jìn)行羧甲基化改性，結(jié)果表明，該材料與去離子水接觸后其內(nèi)部的殼聚糖纖維具有獨(dú)特的成膠性能，使得材料迅速形成以ES纖維作為三維骨架的復(fù)合水凝膠體系。鄧曉明等[11]對(duì)聚酯纖維、黏膠纖維等為原料的商業(yè)敷料的透濕性進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在高孔隙率條件下，敷料中的孔洞透濕占主導(dǎo)作用。

上述研究?jī)H對(duì)敷料的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其透濕性的影響及殼聚糖在敷料方面的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)，但是關(guān)于殼聚糖纖維敷料的變孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究較少。本文以殼聚糖纖維和聚酯纖維為原料，采用針刺工藝，制備具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的單層殼聚糖纖維材料，再經(jīng)針刺工藝將多個(gè)不同孔隙結(jié)構(gòu)的單層殼聚糖纖維材料復(fù)合成具有變孔隙結(jié)構(gòu)(即梯度結(jié)構(gòu))的殼聚糖纖維敷料，并對(duì)其吸濕透氣性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)部分

本文擬制備具有梯度結(jié)構(gòu)的殼聚糖纖維敷料(簡(jiǎn)稱“殼聚糖纖維敷料”)，其梯度結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，具體的設(shè)計(jì)理念：依據(jù)纖維特性和單層纖網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用刺針的反復(fù)穿刺作用，將多層孔隙結(jié)構(gòu)有差異的單層纖網(wǎng)固結(jié)成梯度結(jié)構(gòu)的多層針刺非織造材料，使得其厚度方向的某種特性呈連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的梯度分布[12-13]。殼聚糖纖維敷料由上層(即保濕層)和下層(即導(dǎo)濕層)組成：保濕層由殼聚糖纖維和聚酯纖維共混組成，面密度為(50.00±6.00)g/m2， 所用殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、50%、60%、70%、80%和100%；導(dǎo)濕層由100%聚酯纖維組成，面密度為(50.00±6.00) g/m2。將6種保濕層分別與導(dǎo)濕層復(fù)合，得到6種殼聚糖纖維敷料樣品1#～6#。

殼聚糖纖維敷料的針刺工藝流程如圖1(b)所示。首先，將殼聚糖纖維和聚酯纖維按照一定比例分別開松后混合均勻，再通過梳理形成單層纖網(wǎng)；然后，將單層纖網(wǎng)在交叉鋪網(wǎng)機(jī)內(nèi)鋪放成試驗(yàn)所需要的面密度和幅寬，并經(jīng)過一道預(yù)針刺，得到預(yù)固結(jié)纖網(wǎng)；最后，將兩層不同結(jié)構(gòu)的預(yù)固結(jié)纖網(wǎng)疊加在一起，并經(jīng)過一道主針刺，得到殼聚糖纖維敷料樣品(簡(jiǎn)稱“樣品”)。試驗(yàn)用主要工藝參數(shù)：預(yù)針刺的針刺深度為3.00 mm，針刺頻率為220 刺/min，針刺密度為45 刺/cm2；主針刺的針刺深度為5.00 mm，針刺頻率為420 刺/min，針刺密度為100刺/cm2。

(a) 梯度結(jié)構(gòu)示意 (b) 針刺工藝流程示意

2 性能測(cè)試

2.1 特征參數(shù)

依據(jù)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》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試樣品的厚度，每個(gè)樣品取10個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試，所用儀器為YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度測(cè)試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。依據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試樣品的面密度，按式(1)、式(2)計(jì)算樣品的孔隙率[14]。

(1)

ρ=ρpet×wpet+ρchit×wchit

(2)

式中：p——樣品孔隙率，%；

m——樣品面密度，g/m2；

ρ——樣品密度，g/m3；

ρpet——聚酯纖維密度， 1 370 000 g/m3；

wpet——聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

ρchit——?dú)ぞ厶抢w維密度，1 520 000 g/m3；

wchit——?dú)ぞ厶抢w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

δ——樣品厚度，mm。

具體的樣品規(guī)格與特征參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 樣品規(guī)格與特征參數(shù)

2.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)與液體浸潤(rùn)

利用EVO18型掃描電鏡(德國(guó)蔡司)觀察樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并利用VHX-600型超景深三維顯微系統(tǒng)(日本基恩士)觀察樣品的液體浸潤(rùn)情況。

2.3 透濕量

依據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》標(biāo)準(zhǔn)，使用W3/031型水蒸氣透過率測(cè)試儀(濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司)測(cè)試樣品的水蒸氣透過量。樣品測(cè)試面積為33.18 cm2，測(cè)試環(huán)境溫度、相對(duì)濕度分別為38 ℃、 80%。對(duì)每種樣品的正反面分別進(jìn)行測(cè)試，各測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

2.4 吸液性

依據(jù)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》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試樣品的吸液倍率。采用蒸餾水，將8.300 g NaCl、0.277 g無水CaCl2稀釋至1 L，作為試驗(yàn)用液體(簡(jiǎn)稱“試液”)。為更好地模擬人體傷口滲出液，將試液置于37 ℃水浴鍋中平衡8 h，備用。將樣品裁剪成尺寸為5.00 cm×5.00 cm的試樣，稱取試樣干重后放入培養(yǎng)皿，再加入37 ℃試液，待試樣充分吸收試液后，取出試樣并懸掛放置于37 ℃環(huán)境中保持10 min，立即稱取其濕重。

2.5 液體擴(kuò)散性

將一定量的活性艷藍(lán)染料溶解于試液中，得到藍(lán)色試液，然后利用微量注射器將60 μL藍(lán)色試液并從5 cm的高度滴落至樣品表面，待液滴不再擴(kuò)散時(shí)，測(cè)試液滴擴(kuò)散面積。

3 結(jié)果與討論

3.1 形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖2所示為4#樣品的表面和截面(即厚度方向的中段部分)電鏡照片。從圖2(a)可以清晰地看到，殼聚糖纖維和聚酯纖維相互穿插、抱合而糾纏在一起，同時(shí)樣品表面存在清晰的孔隙，形成貫通上下表層的迂曲通道，這為液體的快速傳輸和滲透提供了可能性。從圖2(b)可以看到，樣品的上層(即保濕層)存在較多的殼聚糖纖維，而樣品的下層(即導(dǎo)濕層)上，殼聚糖纖維和聚酯纖維相互纏結(jié)。試驗(yàn)用殼聚糖纖維的實(shí)際回潮率為16.58%，具有較強(qiáng)的潤(rùn)濕性，而聚酯纖維的實(shí)際回潮率為0.42%，其潤(rùn)濕性較差。綜上，基于針刺工藝制備的殼聚糖纖維敷料的潤(rùn)濕性呈清晰的梯度分布。

3.2 透濕性與吸液性

圖3(a)所示為樣品的水蒸氣透過量隨殼聚糖纖維含量的變化情況，可以看出，樣品的水蒸氣透過量隨殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，并且樣品的保濕層和導(dǎo)濕層朝向不同會(huì)造成水蒸氣透過量的差異。其具體表現(xiàn)為，當(dāng)樣品導(dǎo)濕層朝向液體、保濕層朝向空氣(即液體-導(dǎo)濕層-保濕層-測(cè)試環(huán)境)時(shí)，隨著殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增大到100%，樣品的水蒸氣透過量從2 322 g/(m2·d) 增大到 2 644 g/(m2·d)；當(dāng)樣品保濕層朝向液體、導(dǎo)濕層朝向空氣(即液體-保濕層-導(dǎo)濕層-測(cè)試環(huán)境)時(shí)，水蒸氣透過量從 2 222 g/(m2·d)增大到 2 463 g/(m2·d)。 殼聚糖纖維的吸濕性明顯大于聚酯纖維，也更容易吸收水汽，隨著保濕層中殼聚糖纖維含量的提高，保濕層與導(dǎo)濕層形成梯度吸濕效應(yīng)，具體表現(xiàn)為水蒸氣透過時(shí)，殼聚糖纖維比例越高，保濕層和導(dǎo)濕層之間的吸濕作用越大，水蒸氣透過量也越大。

(a) 表面

(b)截面

圖3(b)所示為樣品的吸液率隨殼聚糖纖維含量的變化情況，可以看出樣品的吸液率隨著殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。殼聚糖纖維是甲殼素纖維的脫乙?；a(chǎn)物[15-16]，即殼聚糖分子鏈上游離的氨基較多，大分子的親水性較好，加上殼聚糖纖維由濕法紡絲工藝制成，纖維內(nèi)部形成微孔結(jié)構(gòu)，使得殼聚糖纖維具有很好的吸液性和保液性。同時(shí)，殼聚糖纖維吸濕后發(fā)生溶脹形成凝膠體，而聚酯纖維為凝膠體的形狀保持提供了骨架支撐。另外一個(gè)比較有意思的現(xiàn)象是，當(dāng)殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增大到70%時(shí)，樣品的吸液率從2 035%增大到2 232%， 其增長(zhǎng)速率較快；當(dāng)殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從70%增到100%時(shí)，樣品的吸液率增長(zhǎng)幅度較為和緩。

(a) 水蒸氣透過量

(b)吸液率

圖4所示為2#、4#、6#樣品被試液浸潤(rùn)后的保濕層電鏡照片，可以看到，樣品被試液浸潤(rùn)后，殼聚糖纖維失去了纖維形態(tài)而形成凝膠體，而聚酯纖維尚保持完好的纖維形態(tài)，二者形成纖維-凝膠復(fù)合體系。其中，聚酯纖維的三維雜亂排列結(jié)構(gòu)為凝膠體提供骨架支撐。隨著殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%(2#樣品)增大到100%(6#樣品)，由殼聚糖纖維形成的凝膠體的覆蓋面積持續(xù)增大。

(a) 2#樣品

(b) 4#樣品

(c) 6#樣品

3.3 液體擴(kuò)散特性

圖5、圖6所示分別為藍(lán)色試液在4#樣品的保濕層和導(dǎo)濕層及棉織物上的擴(kuò)散情況，可以很明顯地看到，在同樣的條件下，棉織物上的液滴擴(kuò)散面積非常大，而4#樣品的保濕層、導(dǎo)濕層兩個(gè)表面上的液滴擴(kuò)散面積都較小。其中棉織物上的液滴擴(kuò)散面積為3.50 cm×2.53 cm，4#樣品的保濕層上的液滴擴(kuò)散面積僅為0.79 cm×0.54 cm，前者約為后者的20倍。 另外，4#樣品的保濕層上的液滴擴(kuò)散面積小于導(dǎo)濕層的液滴擴(kuò)散面積，前者為0.61 cm×0.56 cm， 后者為0.94 cm×0.71 cm，后者為前者的2倍左右。造成這一現(xiàn)象的原因可能是，樣品被試液浸潤(rùn)后，其中的殼聚糖纖維因吸濕膨脹而形成凝膠，而凝膠可以鎖住水分，造成液滴擴(kuò)散面積較小。

圖5 藍(lán)色試液在4#樣品的導(dǎo)濕層、保濕層上的擴(kuò)散情況

圖6 藍(lán)色試液在棉織物上的擴(kuò)散情況

3 結(jié)論

(1)利用殼聚糖纖維和聚酯纖維為原料，通過針刺工藝制備了由保濕層和導(dǎo)濕層組成的梯度結(jié)構(gòu)的殼聚糖纖維敷料樣品；樣品的電鏡照片表明殼聚糖纖維和聚酯纖維在刺針的反復(fù)穿刺作用下相互穿插、抱合而糾纏在一起，并且形成貫通上下表層的迂曲通道，這為液體的快速傳輸和滲透提供了可能性。

(2)在相同的試驗(yàn)條件下，水蒸氣透過量隨著殼聚糖纖維的含量增大而增大；隨著殼聚糖纖維含量的增大，樣品的保濕層和導(dǎo)濕層中的殼聚糖含量差異增大，水蒸氣從導(dǎo)濕層向保濕層擴(kuò)散的速度與水蒸氣從保濕層向?qū)駥訑U(kuò)散的速度之間的差異也增大。

(3)試驗(yàn)得到的殼聚糖纖維敷料樣品具有優(yōu)良的吸液性能，當(dāng)殼聚糖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增大到70%時(shí)，樣品的吸液率從2 035%增大到2 232%，其增長(zhǎng)速率較快；同時(shí)，樣品被試液浸潤(rùn)后，會(huì)形成纖維-凝膠復(fù)合體系，其中聚酯纖維的三維雜亂排列結(jié)構(gòu)為殼聚糖纖維所形成的凝膠提供骨架支撐。

(4)通過對(duì)比試液在殼聚糖纖維敷料樣品的保濕層和導(dǎo)濕層及棉織物上的擴(kuò)散情況發(fā)現(xiàn)，殼聚糖纖維被試液浸潤(rùn)后會(huì)吸濕脹大并形成凝膠體的特性可以顯著地縮小液體在保濕層上的擴(kuò)散面積。