聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/碘復(fù)合水凝膠的制備與性能

宮宇寧，王 奇，王紅蕾，關(guān) 爽

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春130021）

碘是世界公認(rèn)的安全可靠的殺菌劑，同時(shí)也是生物必需的微量元素. 由于具有抗菌譜廣及對(duì)組織毒性小的優(yōu)點(diǎn)，碘被廣泛應(yīng)用于臨床、衛(wèi)生、日常生活、農(nóng)牧養(yǎng)殖業(yè)和飲用水等領(lǐng)域. 用碘制成的各類殺菌消毒藥品，如碘酊和碘伏等，廣泛應(yīng)用于人體皮膚、黏膜表面、傷口創(chuàng)面及外科器械等的殺菌消毒. 碘伏是碘與表面活性劑的不定型絡(luò)合物，其中聚乙烯吡咯烷酮碘絡(luò)合物（PVP-I）作為一種被廣泛使用的碘伏，其殺菌效力及殺菌譜與碘相當(dāng)，同時(shí)克服了碘溶解度低、不穩(wěn)定、易產(chǎn)生過敏反應(yīng)、對(duì)皮膚和黏膜有刺激性及高濃度有毒性等缺點(diǎn). 與碘酊相比，PVP-I克服了碘酊使用濃度高、刺激性強(qiáng)、對(duì)皮膚有灼傷作用、不穩(wěn)定易揮發(fā)、易染黃色及適用范圍窄等不足，同時(shí)又保留了廣譜殺菌性能，在一定濃度下可抑制細(xì)菌的繁殖，且對(duì)細(xì)菌、芽孢、真菌及病毒都能滅殺. 因此近30年來(lái)，PVP-I已基本上取代了碘酒和其它含氯含汞殺菌消毒劑［1～7］.

PVP-I通過將碘絡(luò)合在兩個(gè)吡咯烷酮環(huán)的兩個(gè)羰基氧原子間，可以在水中不斷釋放出游離碘，游離碘直接鹵化菌體蛋白質(zhì)，與蛋白質(zhì)的氨基結(jié)合，破壞菌體的蛋白質(zhì)和酶，使微生物因發(fā)生代謝障礙而死亡，因此PVP-I能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持對(duì)細(xì)菌繁殖的抑制和滅殺［7］. 但由于碘在陽(yáng)光和高溫下容易分解和升華，因此PVP-I需要在室溫避光條件下保存，導(dǎo)致其使用受到很大限制.

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水高分子聚合物，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)大量的水，具有良好的生物相容性和局部緩釋能力，廣泛應(yīng)用于藥物緩釋及傷口敷料等領(lǐng)域［8～10］. 聚乙烯醇（PVA）水凝膠是一種經(jīng)典的應(yīng)用范圍廣泛的水凝膠，具有吸水能力強(qiáng)、毒性低、生物相容性好及強(qiáng)度相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，是修復(fù)和再生各種組織的熱門材料［11，12］，可應(yīng)用于心臟瓣膜［13］、眼角膜置入［14］、軟骨組織［15］及傷口敷料［16］等領(lǐng)域. PVA類水凝膠的交聯(lián)方式通常有低溫冷凍等物理交聯(lián)方式［17～20］及使用引發(fā)劑和交聯(lián)劑等化學(xué)交聯(lián)方式兩類［21～24］. 由于化學(xué)交聯(lián)時(shí)有可能殘留小分子引發(fā)劑或交聯(lián)劑，這些小分子通常具有較強(qiáng)的反應(yīng)性，從而使水凝膠具有細(xì)胞毒性，并且可能影響水凝膠在作為藥物載體時(shí)對(duì)藥物的封包性能，因此化學(xué)交聯(lián)的水凝膠的生物相容性比物理交聯(lián)的水凝膠要差.

本文將聚乙烯吡咯烷酮碘絡(luò)合物（PVP-I）與PVA 水凝膠相結(jié)合，通過調(diào)控PVA 與PVP-I 的比例及改變冷凍時(shí)間和冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)等條件，不使用引發(fā)劑和交聯(lián)劑，制備出可調(diào)控力學(xué)性能的物理交聯(lián)水凝膠，其保持了水凝膠的生物相容性. 研究了PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的微觀形貌、水凝膠中碘的釋放及水凝膠的抑菌性. 與碘伏消毒液相比，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠實(shí)現(xiàn)了碘的緩釋，延長(zhǎng)了消毒持續(xù)時(shí)間，拓寬了碘類消毒劑的應(yīng)用范圍.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇1788（PVA，分析純），天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；聚乙烯吡咯烷酮碘絡(luò)合物（PVP-I，分析純）、牛肉膏（生物純）、瓊脂（生物純），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化鈉（分析純），北京化工廠；胰蛋白胨（生物純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；碘伏消毒液，山東利爾康醫(yī)療科技股份有限公司. 實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水.

AGS-X型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司；Cary 5000型紫外-可見近紅外分光光度計(jì)，美國(guó)安捷倫科技有限公司；Smartlab 型X 射線衍射（XRD）儀，日本理學(xué)株式會(huì)社，工作電壓40 kV，工作電流40 mA，2θ掃描范圍為10°～50°，掃描速率5°/min；JSM-7610F 型高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子株式會(huì)社；IS50 型傅里葉變換紅外光譜（FTIR）儀，美國(guó)Nicolet 公司，掃描范圍400～4000 cm?1；ZF-20D型暗箱式紫外分析儀，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司.

1.2 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的制備

將一定量的聚乙烯醇粉末溶于90 ℃去離子水中，配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA溶液；冷卻至室溫后，將一定量的PVP-I溶于上述溶液中，混合攪拌均勻；將混合溶液在40 ℃水浴超聲30 min除去氣泡，待氣泡除凈后灌注在厚度為2 mm的模具中，并將模具于-15 ℃下冷凍12～72 h；取出模具，在室溫條件下自然解凍，即制得PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠.

1.3 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的拉伸力學(xué)性能測(cè)試

使用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的拉伸力學(xué)性能，固定十字頭速率，拉伸速度為50 mm/min. 將樣品預(yù)切成40 mm長(zhǎng)、4 mm寬、2 mm厚的片狀啞鈴形.

通過下式計(jì)算應(yīng)力值（σ，kPa）：

式中，F(xiàn)（N）是負(fù)載力，A0（m2）是樣品的初始橫截面積. 通過下式計(jì)算拉伸應(yīng)變（ε，%）：

式中，l（cm）是拉伸變形后樣品的長(zhǎng)度，l0（cm）是拉伸之前樣品的長(zhǎng)度.

1.4 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的形態(tài)研究

使用高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察水凝膠的形態(tài)結(jié)構(gòu). 將冷凍干燥后的PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠樣品在液氮中淬冷30 s后脆斷，將脆斷截面噴金1 min，觀察PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的微觀結(jié)構(gòu).

1.5 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的體外碘釋放

將5 g PVP-I質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%的PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠浸泡在50 mL去離子水中，并置于37 ℃的恒溫水浴搖床中進(jìn)行培養(yǎng)，振蕩速度為50 r/min；經(jīng)一定時(shí)間后，移取1 mL溶液，通過紫外-可見近紅外分光光度計(jì)測(cè)量釋放介質(zhì)中的碘濃度，繪制碘釋放曲線.

1.6 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠與碘伏消毒液的穩(wěn)定性對(duì)比

將相同碘含量的PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠和碘伏消毒液分別灌注在石英片制成的模具中，置于暗箱式紫外分析儀中，用波長(zhǎng)365 nm的紫外光照射48 h，觀察其褪色情況.

1.7 體外抑菌性能

根據(jù)GB/T20944.1-2007 標(biāo)準(zhǔn)［25］，采用抑菌圈法評(píng)價(jià)材料的抑菌性. 將枯草芽孢桿菌、大腸桿菌接種到固體平板培養(yǎng)基（胰蛋白胨1%，氯化鈉1%，酵母粉0.5%，瓊脂粉2%）上，涂布均勻. 將PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠樣品（直徑為1 cm、厚度為2 mm的圓柱）置于平板培養(yǎng)基上適宜位置，于37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h（以純PVA水凝膠為空白組）. 培養(yǎng)結(jié)束后檢查樣品周圍是否有抑菌圈并測(cè)量拍照.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1給出PVA，PVP-I 及復(fù)合水凝膠的FTIR 譜圖，其中譜線a為固體粉末狀PVP-I 的紅外光譜圖，1656 cm?1處為羰基的特征峰；譜線b為PVA水凝膠的紅外光譜圖，3264 cm?1處為—OH的伸縮振動(dòng)峰；譜線c為PVP-I 與PVA 質(zhì)量比為1.25∶10 的復(fù)合水凝膠的譜線，其中1656 cm?1處PVP-I羰基特征峰的強(qiáng)度明顯下降，3264 cm?1處PVA中羥基伸縮振動(dòng)峰的強(qiáng)度和寬度都有所增加. 這些結(jié)果表明，在復(fù)合水凝膠中，PVA 的羥基和PVP-I 中PVP 的羰基形成了分子間氫鍵.

2.2 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能

當(dāng)敷料覆蓋在傷口表面時(shí)，復(fù)雜多變的外界環(huán)境和不同部位的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)傷口和敷料都會(huì)造成一定的沖擊，因此傷口敷料水凝膠需要具有一定力學(xué)性能對(duì)傷口部位進(jìn)行保護(hù)，防止對(duì)傷口產(chǎn)生二次傷害. 為了制備出符合力學(xué)強(qiáng)度需求的水凝膠，對(duì)水凝膠的單體比例和制備方式進(jìn)行了深入研究.

由圖2 可見，當(dāng)PVP-I 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.25%時(shí)，隨著PVA 的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由5%增加到20%，凝膠的力學(xué)強(qiáng)度從58 kPa 提升至1.03 MPa，拉伸形變量從312%提升至482%，彈性模量從2.632 kPa提升至24.117 kPa. 研究結(jié)果表明，隨著PVA含量的增加，PVA鏈段自身纏繞，增大了鄰近分子鏈之間的接觸，分子間氫鍵密度增大，使得凝膠內(nèi)的交聯(lián)密度逐漸增大，凝膠的力學(xué)強(qiáng)度得到了很大的提升.

Fig.1 FTIR spectra of PVP?I(a),PVA(b)and PVA/PVP?I hydrogel(c)

Fig.2 Mechanical properties of PVA/PVP?I hydrogel[w(PVP?I)=1.25%,freeze at-15 ℃for 24 h]with different contents of PVA

由圖3 可見，PVA 含量為10%的純PVA 水凝膠在?15 ℃冷凍24 h 后力學(xué)強(qiáng)度和形變量分別為63 kPa和302%. 而在相同PVA含量和冷凍時(shí)間下，隨著PVP-I含量的增加，由于PVA中的羥基和PVP-I中的羰基間逐漸形成大量的氫鍵，凝膠的力學(xué)強(qiáng)度和形變量都顯著提升. 但隨著PVP-I的繼續(xù)加入，凝膠力學(xué)強(qiáng)度提升的幅度逐漸降低. 這是因?yàn)檩^低含量的PVP-I可以促進(jìn)與PVA網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵，而過量的PVP-I使得PVA網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度過大，凝膠網(wǎng)絡(luò)變硬變脆，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)力學(xué)強(qiáng)度提升的幅度逐漸降低.

Fig.3 Mechanical properties of PVA/PVP?I hydrogel[w(PVA)=10%,freeze at-15 ℃for 24 h]with different contents of PVP?I

Fig.4 Mechanical properties of PVA/PVP?I hydrogels[w(PVA)=10% , w(PVP?I)=1.25%, freeze at-15 ℃]with different freezeing time

Fig.5 Mechanical properties of PVA hydrogel[V(PVA)=10%,freeze at-15 ℃]and PVA/PVP?I hydrogel[w(PVA)=10%,w(PVP?I)=1.25%,freeze at-15 ℃]with different freeze?thaw cycles

由于PVA低溫結(jié)晶的特性，冷凍時(shí)間與冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)對(duì)PVA水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度有著顯著的影響［26］，圖4給出在不同冷凍時(shí)間的條件下，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠力學(xué)強(qiáng)度的變化情況. 圖5給出不同冷凍循環(huán)次數(shù)［單次冷凍24 h，冷凍-解凍1次（24 h×1）、單次冷凍12 h，冷凍-解凍2次（12 h×2）、單次冷凍8 h，冷凍-解凍3次（8 h×3）和單次冷凍6 h冷凍-解凍4次（6 h×4）］對(duì)純PVA水凝膠和PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠力學(xué)性能的影響. 隨著冷凍時(shí)間的延長(zhǎng)，交纏的PVA分子鏈自身及與PVP-I分子鏈之間形成了分子內(nèi)/分子間氫鍵，升溫解凍后物理交聯(lián)的結(jié)構(gòu)得到保存，使得凝膠的強(qiáng)度逐漸增大. 而冷凍-解凍循環(huán)過程中會(huì)反復(fù)增強(qiáng)這種物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)的密度，形成PVA結(jié)晶. 在冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，與純PVA水凝膠相比，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠內(nèi)PVA分子鏈自身及與PVP-I分子鏈間產(chǎn)生的分子內(nèi)/分子間氫鍵大幅度提升了水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度. 但在反復(fù)冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)逐漸增多后，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠內(nèi)PVA 分子鏈自身及其與PVP-I分子鏈間產(chǎn)生的分子內(nèi)/分子間氫鍵不再是提升凝膠力學(xué)強(qiáng)度的主要因素，隨著PVA半結(jié)晶的粒徑直徑逐漸增大，相當(dāng)于增加了交聯(lián)點(diǎn)的強(qiáng)度，使得凝膠的力學(xué)強(qiáng)度逐漸增大，導(dǎo)致純PVA水凝膠和PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能逐漸接近.

2.3 X射線衍射分析

PVA 為結(jié)晶聚合物，而且PVA 的結(jié)晶會(huì)顯著提高凝膠的力學(xué)強(qiáng)度. 圖6 中，純PVA 水凝膠在2θ=19.28°處的尖銳峰為PVA 的特征峰；PVP-I 為非晶聚合物，隨著PVP-I的加入，復(fù)合凝膠在2θ=19.80°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰，而且隨著復(fù)合凝膠的冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)增加，該衍射峰強(qiáng)度逐漸增加.PVP-I 的加入抑制了PVA 的結(jié)晶，從而使結(jié)晶程度降低，而隨著冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)增加，PVA的結(jié)晶度逐漸增加. 說(shuō)明PVP-I的加入使PVA的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在較低的冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)下，影響復(fù)合凝膠強(qiáng)度的主要因素為PVA 分子鏈自身及與PVP-I分子鏈間產(chǎn)生的分子內(nèi)/分子間氫鍵，隨著冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)的增加，PVA 的結(jié)晶程度逐漸成為影響復(fù)合凝膠強(qiáng)度的主要因素.

2.4 PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠的形態(tài)

圖7（A）為PVA 固含量為10%，冷凍時(shí)間為24 h 的純PVA 水凝膠的SEM 照片；圖7（B）為PVA 固含量為10%，PVP-I 固含量為1.25%，冷凍時(shí)間為24 h 的復(fù)合水凝膠的SEM 照片. 可見，凍干后的純PVA水凝膠的平均孔徑約為1～10 μm，而復(fù)合水凝膠的平均孔徑約為0.5～2 μm，表明隨著PVP-I的加入，PVP-I的羰基與PVA的羥基之間形成了大量的氫鍵，導(dǎo)致水凝膠內(nèi)部交聯(lián)密度增大，這種致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能有效提升水凝膠的力學(xué)性能.

Fig.6 XRD patterns of PVA hydrogel[w(PVA)=10%,freeze at -15 ℃for 24 h], PVA/PVP?I hydro?gels[w(PVA) =10%, w(PVA/PVP ? I) =1.25%,freeze at -15 ℃] with different freeze?thaw cycles(b—e)and PVP-I powder(f)

Fig.7 SEM images of PVA hydroge(A)and PVA/PVP?I hydrogel(B)

2.5 PVA/PVP-I復(fù)合水凝中碘的釋放及穩(wěn)定性

圖8 示出了PVA/PVP-I 復(fù)合水凝膠浸泡在水中時(shí)碘的釋放情況. 隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液在286 nm處的吸收峰（碘的特征吸收峰）逐漸增強(qiáng)，浸泡6 h后，碘的釋放量達(dá)到78%，說(shuō)明復(fù)合水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效控制碘的釋放，延長(zhǎng)消毒時(shí)間.

由于碘的光照穩(wěn)定性差，使得碘類消毒劑的使用范圍受到了諸多限制，如需要在室溫下避光保存等. 圖9給出PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠（A）與碘伏消毒液褪色程度（B）的對(duì)比照片. 可見，在356 nm波長(zhǎng)的紫外燈下照射48 h后，復(fù)合水凝膠的褪色程度明顯弱于碘伏消毒液的褪色程度. 表明復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以有效阻止紫外線對(duì)碘的分解，拓寬了碘類消毒劑的應(yīng)用范圍.

Fig.8 Controlled release of iodine from PVA/PVP?I hydrogels after 30 min(a), 1 h(b), 2 h(c) and 6 h(d)，PVP(e)and I2(f)

Fig.9 Discoloration under UV 365 nm of PVA/PVP?I hydrogel(A)and povidone?iodine disin?fectant(B)

2.6 抑菌性能

圖10示出了PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)的抑制結(jié)果. 由圖10可以看出，空白組在培養(yǎng)皿中無(wú)抑菌圈，樣品表面和周圍的細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖如常情況與其它區(qū)域無(wú)差別；而實(shí)驗(yàn)組周圍都有明顯的抑菌圈，說(shuō)明復(fù)合水凝膠具有同碘伏消毒液一樣的抑菌性，而且可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的抑制，這對(duì)拓寬碘類消毒劑的應(yīng)用有非常大的意義.

Fig.10 Photographs of bacterial colony against E. Coli(A,B)and B. subtili.(C,D)

3 結(jié) 論

通過改變PVA和PVP-I的含量、冷凍時(shí)間及冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)，制備出了可滿足多種力學(xué)強(qiáng)度的傷口敷料復(fù)合水凝膠，研究了復(fù)合水凝膠中各組分之間的相互作用. 結(jié)果表明，隨著PVA和PVP-I含量的增大，復(fù)合水凝膠內(nèi)部的交聯(lián)密度增大，水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度增大. 隨著冷凍時(shí)間和冷凍-解凍循環(huán)次數(shù)的增加，水凝膠內(nèi)PVA的結(jié)晶程度增加，水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度也增大. PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地控制水凝膠內(nèi)碘的釋放. 與常用的碘伏消毒液相比，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠內(nèi)部的碘更加穩(wěn)定，在紫外線照射下分解的速度更慢. 抗菌測(cè)試結(jié)果表明，PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)和繁殖有明顯的抑制. 這種具有可控的力學(xué)強(qiáng)度和抗菌性且可以降低碘分解速度的PVA/PVP-I復(fù)合水凝膠可拓寬碘類消毒劑的應(yīng)用領(lǐng)域，并且為抗菌水凝膠的制備提供了新思路.