CS/PVA水凝膠的制備與性能研究

郭文慧， 楊明成， 劉文濤， 劉樹博， 張本尚， 孫志超， 王 允

（1.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450015； 2.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

創(chuàng)傷面愈合是目前醫(yī)學(xué)界治療創(chuàng)傷面臨的最重要并且最基本問題之一，水凝膠醫(yī)用材料是近年來發(fā)展起來的一種新型的創(chuàng)傷敷料［1］，特別適用于常見的體表創(chuàng)傷，如擦傷、燒傷、劃傷、褥瘡及燙傷等各種皮膚損傷. 與傳統(tǒng)療法［2-3］相比，用水凝膠敷料敷貼在傷口上時，不但不會粘連傷口、破壞新生組織，而且可包埋藥物殺死各種細(xì)菌，改善創(chuàng)面微環(huán)境，避免傷口感染，且材料透明，因而能夠隨時觀察傷口愈合進(jìn)程，易于去除或更換［4-6］. 水凝膠敷料極大程度地減輕了患者的痛苦，更好地促進(jìn)傷口愈合.

殼聚糖（CS）作為一種天然堿性多糖，具有優(yōu)異的生物相容性；其分子量在一定范圍內(nèi)時具有較好的抗菌和凝血功能，適于創(chuàng)面局部治療，是創(chuàng)傷敷料的理想材料之一［7-9］. 但是殼聚糖分子間氫鍵作用力較強(qiáng)，單純用其制備水凝膠時，產(chǎn)品存在脆性大和力學(xué)性能欠佳等缺點；殼聚糖在高能γ射線作用下會出現(xiàn)一定程度的降解［10-11］. 聚乙烯醇（PVA）是一種成膜性好的親水性高分子材料，具有生物相容性好、物理化學(xué)性能優(yōu)異、可完全降解且價格低廉等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療用品領(lǐng)域，可作為殼聚糖水凝膠的載體［12-15］.

水凝膠常用的制備方法有化學(xué)法、輻射法和物理法等. 其中：化學(xué)法需要使用交聯(lián)劑，產(chǎn)品中將存在一定量的交聯(lián)劑殘留；輻射法是利用γ射線或電子束使單體水溶液聚合或線性高分子生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠材料. 采用輻射法制備水凝膠材料時無須使用交聯(lián)劑或引發(fā)劑，不僅產(chǎn)品中無交聯(lián)劑殘留，而且在制備過程中實現(xiàn)了對水凝膠材料的殺菌，延長了產(chǎn)品的貨架期. 但是，輻射法制備的水凝膠材料普遍存在力學(xué)性能較差的問題；物理法中凍融方法制備的水凝膠材料存在透明性較差的缺點. 本文以聚乙烯醇（PVA）為基體，以殼聚糖（CS）為功能性添加劑，采用凍融法與輻射法相結(jié)合的工藝技術(shù)制備出了CS/PVA水凝膠.

1 實驗

1.1 實驗試劑

聚乙烯醇（PVA）：天津市大茂化學(xué)試劑廠，黏度為30～40 mPa·s. 殼聚糖（CS）：麥克林-C850347，西格瑪-419419，安徽山河藥用輔料股份有限公司. 醋酸（CH3COOH）：天津市富宇精細(xì)化工有限公司，分析純.

1.2 主要儀器

鈷-60輻射源，活度7.4×1015Ci，河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司. 電子拉力試驗機(jī)，AGS-X-5KN，傳感器100N，日本島津. 傅里葉變換紅外光譜，F(xiàn)TIR-650，天津港東科技股份有限公司. SEM，JSM-7001F，日本電子株式會社. 潔凈工作臺，SW-CJ-1F，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司.

1.3 樣品制備

CS溶液：將CS與1%的醋酸溶液按照質(zhì)量與體積比為1∶50的比例配置成均勻的CS溶液.

PVA溶液：將一定量的PVA加到蒸餾水中，于85 ℃下攪拌3 h，待PVA完全溶解而形成清澈透明的溶液即可.

CS/PVA復(fù)合水凝膠的制備：將上述CS溶液與PVA溶液按照一定的體積比混合后攪拌至均勻溶液，在真空條件下靜置消泡；之后將CS和PVA的混合溶液倒入模具中，分別采取輻射法、凍融法和先凍融后輻射等3種制備工藝進(jìn)行CS/PVA水凝膠材料制備. 其中，凍融法：樣品于-20 ℃下冷凍24 h，取出后室溫下解凍24 h；輻射法：將抽真空后的樣品置入輻射室內(nèi)進(jìn)行60Coγ射線照射，吸收劑量率為61.77 Gy/min，吸收劑量分別為20、30、40、50、60 kGy.

1.4 性能測試及表征

紅外光譜（IR）測試：漫反射法測試. 將干燥后的水凝膠放置于支架上，樣品大小完全遮蓋棱鏡，較平整地將斷面朝上，拉緊蓋子，在軟件設(shè)置好的模式和參數(shù)下進(jìn)行測試.

掃描電子顯微鏡（SEM）表征：利用SEM表征水凝膠樣品的表面形貌. 具體是將經(jīng)冷凍干燥后的樣品進(jìn)行淬斷，斷面經(jīng)噴金處理后在10 kV電壓下進(jìn)行斷面形貌表征.

拉伸性能測試：將厚度為2 mm的水凝膠利用模具制成啞鈴狀（中間部分寬4 mm，長40 mm），利用電子拉力試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速率20 mm/min.

溶脹性能測試：將制得的水凝膠樣品在60 ℃下真空干燥24 h至完全干燥，此時質(zhì)量為M1；之后將該樣品浸泡在37 ℃的純凈水中36 h至重量不再變化為止，取出用吸水紙輕輕沾去表面的水分并稱重，此時質(zhì)量為M2，樣品的溶脹比為（M2-M1）/M1.

抑菌性實驗：通過平板瓊脂擴(kuò)散法評價CS/PVA水凝膠材料對大腸桿菌的抑菌效果.

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑量對PVA水凝膠性能的影響

圖1 為吸收劑量對PVA水凝膠的溶脹性能影響. 由圖1可以看出，PVA水凝膠的溶脹比先隨吸收劑量的增加而增大，當(dāng)吸收劑量大于40 kGy后，PVA水凝膠的溶脹比則呈現(xiàn)出下降的趨勢. 其原因可能是：在γ射線輻射的作用下PVA分子由線性轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)點密度隨吸收劑量的增加而增大，當(dāng)PVA網(wǎng)絡(luò)間的交聯(lián)點的密度過于密集，PVA分子鏈的運(yùn)動受阻，造成PVA水凝膠的溶脹行為受到限制，其溶脹比呈現(xiàn)出下降的現(xiàn)象［16］.

圖2為吸收劑量對PVA水凝膠力學(xué)性能的影響. 由圖2可以看出，PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度隨吸收劑量的增大而增大. 吸收劑量較小時，PVA水凝膠的斷裂伸長率略有增大；之后隨吸收劑量的增大呈現(xiàn)出下降的趨勢. 其原因可解釋為：PVA分子鏈經(jīng)輻射交聯(lián)成三維網(wǎng)絡(luò)，提高了PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度，所以其斷裂伸長率有一定程度提升. 當(dāng)PVA分子鏈形成的三維網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)點過多，這將造成PVA水凝膠斷裂伸長率的下降［17］. 由圖1、圖2可以看出，采用輻射法制備PVA水凝膠適宜的吸收劑量為30 kGy.

圖1 吸收劑量對PVA水凝膠的溶脹性能影響Fig.1 Effect of absorbed dose on swelling performance of PVA hydrogel

圖2 吸收劑量對PVA水凝膠力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of absorbed dose on mechanical properties of PVA hydrogel

PVA 水凝膠的凝膠分?jǐn)?shù)與吸收劑量的關(guān)系如圖3 所示. 如圖所示，輻射合成PVA 水凝膠的凝膠分?jǐn)?shù)均在97%以上，且隨著輻射劑量的增加成正比例增長，其中，30～40 kGy 區(qū)間增速最緩，吸收劑量為由20 kGy 增加至60 kGy，凝膠分?jǐn)?shù)由97%增加為98.6%. 表明高強(qiáng)度劑量的輻射有利于體系發(fā)生交聯(lián)形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠，這一結(jié)果和PVA水凝膠的溶脹性能與力學(xué)性能隨吸收劑量變化一致.

圖3 吸收劑量對PVA水凝膠凝膠分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of absorbed dose on gel fraction of PVA hydrogel

2.2 制備工藝對PVA水凝膠形貌的影響

圖4 為不同制備工藝制備的PVA 水凝膠外觀和SEM照片. 由圖4（a）、（b）、（c）可以看出，采用輻射方法制備的PVA水凝膠透明性好，但是有大量氣泡產(chǎn)生；采用凍融法制備的PVA水凝膠外觀不透明，呈現(xiàn)乳白色；采用先凍融后輻射方法制備PVA水凝膠時，不僅較好地解決了單獨(dú)采用輻射法產(chǎn)生大量氣泡的問題，而且該方法制備的PVA水凝膠的透明性較單獨(dú)采用凍融法有較大的改善. 凍融法制備的水凝膠不透明，其原因可能是凝膠化過程中早期發(fā)生了微相分離. 輻射法制備的水凝膠透明性較好，其原因可能為PVA溶液在接受較低的吸收劑量時就能形成均勻性較好的凝膠. 采用先凍融后輻射方法制備的PVA水凝膠氣泡較輻射法明顯減少，其原因可能是PVA溶液經(jīng)凍融后形成了物理凝膠，物理凝膠經(jīng)輻射形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠時較單獨(dú)輻射法需要接受較低的吸收劑量的緣故［16，18］.

圖4（d）、（e）、（f）為3種方法制備的PVA水凝膠SEM照片（×5000倍）. 圖4（d）、（e）、（f）可以看出，輻射法制備的PVA水凝膠斷面存在數(shù)量較多的凹陷，這與圖4（a）呈現(xiàn)的水凝膠外觀具有較多氣泡的結(jié)果相一致.凍融法制備的PVA水凝膠的斷面呈現(xiàn)出致密的多孔結(jié)構(gòu)，這與圖4（b）中水凝膠具有不透明的外觀結(jié)果相一致. 采用先凍融后輻射方法制備的PVA水凝膠的斷面則呈現(xiàn)出均勻性好且相對獨(dú)立的孔洞，這也與該方法制備的PVA水凝膠的透明性較單獨(dú)凍融法有較大改善的結(jié)果相一致.

圖4 PVA水凝膠外觀和SEM照片F(xiàn)ig.4 Appearance and SEM images of PVA hydrogel

2.3 制備工藝對CS/PVA水凝膠性能的影響

圖5為CS的相對用量對CS/PVA水凝膠溶脹性能的影響. 從圖5可以看出，CS/PVA水凝膠的溶脹比隨CS相對用量的減少呈現(xiàn)出下降的趨勢. 其原因可能是兩個方面：其一，隨CS 用量的減小，CS/PVA 水凝膠體系中能生成三維網(wǎng)狀的PVA的相對用量增加，過多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致體系的溶脹比下降；其二，在酸性介質(zhì)中，CS中質(zhì)子化的氨基會引起聚合物鏈段之間的靜電排斥或氫鍵解離，從而導(dǎo)致大分子鏈松弛，溶脹過程中阻力減小，溶脹比增大. 因此，在制備CS/PVA水凝膠時，CS與PVA二者適宜的用量為1∶1.

圖5 CS的相對用量對CS/PVA水凝膠溶脹性能的影響Fig.5 Effect of relative dosage of CS on swelling properties of CS/PVA hydrogel

圖6 為凍融次數(shù)對CS/PVA 水凝膠溶脹性能的影響. 由圖6可以看出，CS/PVA水凝膠的溶脹比隨凍融次數(shù)的增加先增大后減小. 凍融次數(shù)為2時，CS/PVA 水凝膠的溶脹比達(dá)192%. 其原因可能是，凍融次數(shù)的增加將導(dǎo)致CS/PVA 體系生成物理凝膠量的增加，從而使得CS/PVA水凝膠的溶脹比出現(xiàn)下降.

圖6 凍融次數(shù)對CS/PVA水凝膠溶脹性能的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw cycles on swelling properties of CS/PVA hydrogels

圖7 為制備工藝對CS/PVA 水凝膠力學(xué)性能的影響. 從圖7（a）中可以看出，與凍融法和輻射法相比，采用先凍融后輻射方法制備的CS/PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度有明顯提升. CS的添加使得CS/PVA水凝膠的拉伸強(qiáng)度一定程度的降低. 另外，不同種類的CS 對CS/PVA 水凝膠拉伸強(qiáng)度的影響存在差異. 由圖7（b）中可以看出，采用先凍融后輻射方法制備的CS/PVA水凝膠的斷裂伸長率較輻射法有顯著提高；不同種類的CS 對CS/PVA 水凝膠斷裂伸長率的影響不明顯.

圖7 制備工藝對CS/PVA水凝膠力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of preparation process on mechanical properties of CS/PVA hydrogel

2.4 CS/PVA水凝膠的抑菌性能

CS的抑菌性與其分子量有著密切的關(guān)系［19-20］，本文考察了重均分子量（Mw）為5萬的CS對大腸桿菌的抑菌效果，如圖8 所示. 采用牛津杯為容器進(jìn)行了CS 溶液對大腸桿菌的抑菌性能測試，如圖8（a）所示.由圖8（a）可以看出，左側(cè)對照組未表現(xiàn)出抑菌性，而右側(cè)盛裝有100 μL CS 溶液的牛津杯周圍出現(xiàn)了明顯的抑菌圈，直徑約為15.5 mm. 圖8（b）中上方為CS/PVA 水凝膠，下方為對照組PVA 水凝膠. 由圖8（b）可以看出，與PVA 水凝膠相比，添加了CS 的CS/PVA 水凝膠呈現(xiàn)出明顯的抑菌圈，直徑約為10.3 mm. 由圖8可以看出，對大腸桿菌的抑菌作用，CS/PVA 水凝膠抑菌圈較CS 溶液的小. 其原因可能有兩個方面，一是片狀水凝膠的原始尺寸??；二是PVA 基體減緩了CS的釋放與擴(kuò)散，一定程度上影響了CS/PVA 水凝膠的抑菌性能.

圖8 CS/PVA水凝膠的抑菌性能Fig.8 Antibacterial performance of CS/PVA hydrogel

3 結(jié)論

1）采用先凍融后輻射的方法制備的CS/PVA 水凝膠材料，不僅具有較好的力學(xué)性能，而且具有良好的外觀.

2）CS/PVA水凝膠材料適宜的制備工藝為：CS/PVA為1∶1，凍融次數(shù)為2次，吸收劑量為30 kGy.

3）CS的添加，不僅提高了CS/PVA水凝膠的溶脹性能，而且賦予了CS/PVA水凝膠對大腸桿菌具有較好的抑菌性能.