醫(yī)用敷料用柔性金屬電極的制備及其細(xì)胞毒性分析

韓佳蕊， 黃珍珍， 王佳珺， 殷 淏， 高 晶， 勞繼紅， 王 璐

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

皮膚創(chuàng)傷愈合是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，歷經(jīng)炎癥期、增殖期和重塑期，傷口部位的細(xì)胞逐漸遷移，血管及蛋白網(wǎng)絡(luò)重組直至愈合重塑。在這一過(guò)程中，多種物質(zhì)和反應(yīng)參與并促進(jìn)了皮膚受損部位的修復(fù)和重建，其中，受損皮膚周圍的內(nèi)源性創(chuàng)面電場(chǎng)[1]也發(fā)揮了引導(dǎo)細(xì)胞遷移，提高細(xì)胞內(nèi)線粒體的膜電位，加速創(chuàng)面愈合的作用，因此，在受損傷口周圍提供可控的外加電場(chǎng)，模仿內(nèi)源性電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行電刺激，是功能性敷料加速細(xì)胞遷移，促進(jìn)傷口愈合的又一研究方向。

生物電敷料是指在傷口修復(fù)過(guò)程中能夠自發(fā)地放電，產(chǎn)生電場(chǎng)并引導(dǎo)細(xì)胞在電場(chǎng)中進(jìn)行遷移、分裂的新型功能性敷料[2]。在化學(xué)電池中，常以鋅、銀作為電池的兩極來(lái)研究原電池的性能特點(diǎn)。鋅被廣泛地應(yīng)用于原電池的制備，而且鋅同時(shí)對(duì)微生物、植物和動(dòng)物在內(nèi)的所有類型生命的生長(zhǎng)、發(fā)育和分化至關(guān)重要[3]。Banerjee等[4]將銀、鋅生物電敷料作用于角質(zhì)形成細(xì)胞，在敷料作用24 h后角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生了明顯的遷移。同時(shí)，銀和鋅具有廣譜抗菌性，銀能夠破壞細(xì)菌的結(jié)構(gòu)，鋅可以破壞空腸彎曲桿菌的細(xì)胞膜并且產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)。Kim等[5]在研究生物電敷料對(duì)各種傷口病原體的體外抗菌功效中發(fā)現(xiàn)，生物電敷料在體外殺滅傷口病原體，包括對(duì)抗廣譜β-內(nèi)酰胺酶(ESBL)細(xì)菌、多重耐藥(MDR)細(xì)菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)效果明顯。其中，萬(wàn)古霉素敏感或者耐藥腸球菌對(duì)該敷料的耐受高達(dá)48 h。Banerjee等[6]將生物電敷料作用于銅綠假單胞菌發(fā)現(xiàn)，生物電敷料能夠?qū)⒎肿友踹€原成超陰離子自由基的活性氧化還原對(duì)。生物電敷料產(chǎn)生超氧化物，使Mex外排泵系統(tǒng)失活，并且生物電敷料抑制甘油-3-磷酸脫氫酶的活性，從而破壞銅綠假單胞菌細(xì)菌生物膜的生物活性。

目前，對(duì)于生物電敷料的研究主要是通過(guò)靜電紡絲過(guò)程中的極化作用制備β晶型聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維膜[7]，利用其產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制備微電流敷料，但PVDF材料吸濕性差、壓電常數(shù)高且不具備抗菌性，在實(shí)際應(yīng)用中容易受到傷口周圍環(huán)境的限制。國(guó)內(nèi)對(duì)于敷料用柔性金屬電極的研究較少，尚在探索中。

本文以滌綸非織造布為基布，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在基布表面涂覆鋅、銀微納米顆粒，制備柔性金屬電極醫(yī)用敷料。首先，對(duì)金屬鋅和銀顆粒進(jìn)行分散，研究了不同分散劑及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金屬顆粒分散性能的影響，并討論了黏合劑的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金屬電極性能的影響。最后，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在滌綸非織造布表面制備了鋅、銀柔性電極對(duì)，對(duì)制備得到的柔性金屬電極的細(xì)胞毒性進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析，為后續(xù)利用柔性電極開發(fā)生物電敷料提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

吐溫-80(Tween-80)、聚乙二醇(PEG)、氯化鈉(NaCl)、海藻酸鈉(SA)、草酸鉀(K2C2O4·H2O)，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；羧甲基纖維素鈉(CMC)、細(xì)胞培養(yǎng)板，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；胰酶(Trypsin-EDTA，0.25%，Gibco)、胎牛血清(FBS，Gibco)、青霉素-鏈霉素(Gibco)，美國(guó)賽默飛世爾科技公司；氯化鈣(CaCl2)、二甲基亞砜，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司；無(wú)水乙醇(C2H5OH)，分析純，常熟市鴻盛精細(xì)化工有限公司；水性丙烯酸乳液(AAE)，深圳吉田化工有限公司；鋅粉(Zn，99.8%, 3～5 μm)，湖南新威凌金屬新材料科技股份有限公司；銀粉(Ag，99.9%, 100 nm)，上海卜微應(yīng)用技術(shù)有限公司；絲網(wǎng)印刷板(0.147 mm)，寧波市鎮(zhèn)海區(qū)駱駝艾嘉絲印器材公司；DMEM/High Glucose培養(yǎng)基(L929，HyClone)，通用電氣(中國(guó))醫(yī)療集團(tuán)生命科學(xué)部；CCK-8試劑(500T)，上海翊圣生物科技有限公司；L929小鼠肺成纖維細(xì)胞，購(gòu)自中科院細(xì)胞庫(kù)。

實(shí)驗(yàn)所采用滌綸非織造布(48 g/m2)由合肥格蘭帝衛(wèi)生材料有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鋅電極的制備

鋅粉的分散：分別取一定量的CMC、PEG和Tween-80溶解于40 mL的去離子水中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CMC、PEG和Tween-80分散濟(jì)溶液。再配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的CMC分散液進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。分別取10 mL的不同種類分散劑溶液向里面加入1 g鋅粉，攪拌1 h。

鋅油墨的配制：稱取0.5 g的CMC于燒杯中，加入50 mL的去離子水?dāng)嚢瑁鳛橛湍渲品稚⒁簜溆?。取一定量的分散液，邊攪拌邊加入適量鋅粉，攪拌1 h后，加入適量黏合劑(AAE)繼續(xù)攪拌2 h，再加入適量SA，攪拌2 h后得到鋅油墨。表1示出鋅電極印刷油墨配比。其中，鋅電極A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%，E為空白樣。

表1 鋅電極印刷油墨的配比Tab.1 Printing ink ratio of zinc electrode

鋅電極的制備：通過(guò)絲網(wǎng)印刷將鋅油墨印刷到經(jīng)無(wú)水乙醇清洗的滌綸基布(5 cm×5 cm)上，然后將含鋅基布放置在真空干燥箱內(nèi)，100 ℃條件下烘干1.5 h。

1.2.2 銀電極的制備

銀粉的分散：分別取一定量的Tween-80、CMC、PVP和PEG溶解于40 mL去離子水中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Tween-80、CMC、PVP和PEG分散液，磁力攪拌至溶質(zhì)溶解后，邊攪拌邊加入0.01 g的納米銀粉。將得到的納米銀分散體系先磁力攪拌10 min后，再超聲分散30 min，待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的Tween-80水溶液40 mL，每10 mL分散劑溶液中加入0.01 g的納米銀粉。將得到的納米銀分散體系先磁力攪拌10 min后，再超聲分散30 min，待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

銀油墨的配制：取0.25 g的Tween-80于燒杯中，加入50 mL的去離子水后，磁力攪拌至溶質(zhì)完全溶解。取適量的分散液，邊攪拌邊加入適量的銀粉，磁力攪拌1 h后超聲0.5 h。待銀粉分散完全后，再加入適量的黏合劑(AAE)，磁力攪拌2 h后加入適量的SA，再磁力攪拌2 h后得到銀油墨。表2示出銀電極印刷油墨配比。其中，銀電極A′、B′、C′、D′分別對(duì)應(yīng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%。

表2 銀電極的印刷油墨配比Tab.2 Printing ink ratio of silver electrode

銀電極的制備：通過(guò)絲網(wǎng)印刷將銀油墨印刷到經(jīng)無(wú)水乙醇清洗的滌綸基布(5 cm×5 cm)上，然后將基布放置在80 ℃的烘箱內(nèi)烘干0.5 h。

1.2.3 鋅與銀柔性電極對(duì)的制備

通過(guò)絲網(wǎng)印刷將鋅油墨經(jīng)條紋狀網(wǎng)板印刷到經(jīng)無(wú)水乙醇清洗的滌綸基布(16 cm×16 cm)上，然后將含鋅基布放置在真空干燥箱內(nèi)，100 ℃條件下烘干1.5 h。待含鋅織物烘干后，取銀油墨滴加到指定的網(wǎng)板上，然后將基布放置在80 ℃的烘箱內(nèi)烘干0.5 h后，得到條紋狀金屬圖案的基布樣品，條紋狀設(shè)計(jì)為銀鋅條紋間隔分布，銀條紋寬度為4 mm，鋅條紋寬度為2 mm，條紋間隔為4 mm。表3示出鋅、銀柔性電極對(duì)的印刷油墨配比。其中，鋅電極所使用的分散液為1%的CMC溶液；銀電極所使用的分散液為0.5%的Tween-80溶液。基布Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別對(duì)應(yīng)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.75%、1.0%、3%和5%。

表3 鋅與銀柔性電極對(duì)的印刷油墨配比Tab.3 Printing ink ratio of zinc and silver flexible electrode pairs

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 分散液性能測(cè)試

分散液的黏度測(cè)定采用DV-Ⅱ+Pro旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(美國(guó)BROOKFIELD公司)，在保持扭矩為50%左右的條件下，每隔30 s記錄1次數(shù)據(jù)，共記錄3次。

鋅分散液穩(wěn)定性用一定時(shí)間內(nèi)鋅在溶液中的沉降高度(H)來(lái)表征；銀分散液穩(wěn)定性用吸光度來(lái)表征。采用TU-1 901雙束紫外分光光度計(jì)(上海普析通用儀器有限責(zé)任公司)對(duì)銀分散液的吸光度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前先將儀器預(yù)熱30 min，然后將納米銀分散液稀釋1倍后測(cè)試，每種分散液測(cè)試3次。

1.3.2 電壓測(cè)試

將鋅電極基布裁剪成0.5 cm × 0.5 cm的小塊，將碳片、銀片、鋅片分別裁剪成2 cm × 0.5 cm若干放置備用。在碳片上加入1～2滴石墨導(dǎo)電膠后，用鑷子將小塊鋅電極放置在導(dǎo)電膠上，待膠水完全浸潤(rùn)鋅電極后，用鑷子將鋅電極壓平，放置4 h，使膠水完全干燥，用作工作電極；對(duì)電極選擇純鋅片。將碳片復(fù)合鋅電極夾在石墨電極上，對(duì)電極夾在鉑電極上，電解液選擇0.9%的氯化鈉溶液。石墨電極連接萬(wàn)用表的負(fù)極，鉑電極連接萬(wàn)用表的正極，記錄1 h內(nèi)電極在電解液里電壓的變化情況。

使用同樣的方法將銀電極粘貼到碳片上，用作工作電極，對(duì)電極選擇碳片。將碳片復(fù)合銀電極夾在鉑電極上，將純碳片夾在石墨電極上，電解液選擇0.9%的氯化鈉溶液。鉑電極連接萬(wàn)用表的負(fù)極，純碳片連接萬(wàn)用表的正極，記錄1 h內(nèi)電極在電解液里的電壓變化情況。

1.3.3 體外細(xì)胞毒性測(cè)試

通過(guò)測(cè)試敷料浸提液對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用，反映敷料的體外細(xì)胞毒性。

1)配制細(xì)胞完全培養(yǎng)基。每100 mL的L929培養(yǎng)基包含89 mL的DMEM/High Glucose培養(yǎng)基、10 mL胎牛血清、1 mL青霉素-鏈霉素雙抗溶液，4 ℃條件下貯藏。

2)制備浸提液。將柔性電極對(duì)滌綸樣品裁剪好后用消毒的磷酸緩沖鹽溶液(PBS)洗滌3次，每次15 min。將樣品干燥后用酒精熏蒸48 h滅菌，在37 ℃、5%的CO2培養(yǎng)環(huán)境下，將樣品放置在完全培養(yǎng)基中浸提24 h，得到樣品的浸提液。同時(shí)對(duì)浸提液進(jìn)行2倍和3倍的稀釋。設(shè)置陽(yáng)性對(duì)照和空白對(duì)照分別為10%的二甲基亞砜(DMSO)溶液及100%的細(xì)胞完全培養(yǎng)基溶液。每種試樣準(zhǔn)備3個(gè)平行樣。

3)細(xì)胞相對(duì)增殖率的測(cè)定。細(xì)胞接種之前，取4 mL預(yù)熱的無(wú)菌PBS清洗細(xì)胞后，加入1 mL的胰酶于T25細(xì)胞培養(yǎng)瓶中對(duì)細(xì)胞進(jìn)行消化，消化1～3 min后加入完全培養(yǎng)基終止消化。將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到離心管后以1 200 r/min的速度離心5 min，舍去上清液，加入2 mL的細(xì)胞培養(yǎng)基吹打細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)算得到的細(xì)胞質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將細(xì)胞懸液稀釋到實(shí)驗(yàn)所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。取96孔板，每孔加入細(xì)胞濃度為5×104個(gè)/mL的100 μL細(xì)胞懸浮液。將含有細(xì)胞懸液的96孔板放置在CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后吸出培養(yǎng)基，每孔換成100 μL的浸提液進(jìn)行培養(yǎng)，再培養(yǎng)24 h后吸出96孔板中的培養(yǎng)基，每孔加入100 μL含CCK-8的DMEM/High Glucose培養(yǎng)基，在細(xì)胞培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)1.5 h后，使用酶標(biāo)儀測(cè)定 450 nm處的吸光度值，吸光度值越大，意味著活細(xì)胞數(shù)量越多。

細(xì)胞增殖率按下式計(jì)算：

式中：R為細(xì)胞增殖率，%；S為實(shí)驗(yàn)組吸光度值；A為空白對(duì)照組的吸光度值。

1.3.4 其他測(cè)試

采用D/Max-2550PC型X射線衍射儀(日本RIGAKU公司)進(jìn)行結(jié)晶性能測(cè)試。輻射波長(zhǎng)為0.154 056 nm，管電壓為40 kV，管電流為200 mA，掃描范圍 2θ為5°～60°，掃描速度為 1 (°)/min。

采用Aztec X-Max 20型X射線能量色散譜儀(EDS，英國(guó)Oxford 公司)進(jìn)行能譜測(cè)試，加速電壓為12.5 kV。

采用TM-3000型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)觀察基布表面的微觀形貌。

采用PXS8-T型體式顯微鏡(上海測(cè)維公司)觀察基布的宏觀形貌，可連續(xù)變倍觀測(cè)，放大倍數(shù)為7～63倍。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分散劑對(duì)分散液黏度的影響

表4示出質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%的不同分散劑分散液的黏度對(duì)比。可知，同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散液的黏度從大到小為：CMC、Tween-80、PEG。1%的Tween-80和PEG的黏度保持在100 mPa·s左右，二者沒(méi)有顯著性差別；而1%CMC的黏度在8 000 mPa·s左右，其數(shù)值出現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

表4 不同分散劑的分散液黏度Tab.4 Dispersion viscosity of different dispersants

表5示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC分散液黏度對(duì)比?？芍S著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，分散液的黏度值呈指數(shù)級(jí)上升。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC分散液的黏度大小順序?yàn)椋?.0% CMC、1.5% CMC、1.0% CMC、0.5% CMC。

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC分?jǐn)?shù)液黏度Tab.5 Dispersion viscosity of different mass fractions of CMC

2.2 分散劑對(duì)分散液穩(wěn)定性的影響

2.2.1 鋅分散體系的穩(wěn)定性

圖1示出不同分散劑的鋅顆粒分散體系在特定時(shí)間后沉降高度的變化?？梢钥闯觯两? min后鋅分散液的沉降高度從小到大為CMC、Tween-80、PEG，說(shuō)明分散體系的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱為CMC、Tween-80、PEG。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Tween-80、PEG分散體系的沉降高度顯著增加，而CMC分散體系的沉降高度在20 min內(nèi)基本保持不變，由此可見，對(duì)于鋅顆粒的分散，CMC作為分散劑具有較好的穩(wěn)定性。

圖1 鋅粉在不同分散劑體系中的沉降高度Fig.1 Settling height of zinc powder in different dispersant systems

0 h時(shí)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC的鋅分散液體系的相對(duì)液面高度如表6所示。由低到高為2.0% CMC、1.5% CMC、1.0% CMC、0.5% CMC，說(shuō)明分散液體系穩(wěn)定性排序?yàn)?.0% CMC、1.5% CMC、1.0% CMC、0.5% CMC。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC對(duì)分散液穩(wěn)定性的影響如圖2所示。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，0.5% CMC的鋅粉分散液體系的液面出現(xiàn)了顯著沉降，在4 h后懸浮液基本沉降完全。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5% CMC的鋅粉分散液體系的沉降高度在4 h內(nèi)基本保持不變。

表6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC的鋅分散體系0 h時(shí)的相對(duì)液面高度Tab.6 Relative liquid level height of zinc dispersion systemsunder different mass fractions of CMC at 0 h

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC的鋅分散體系的沉降高度Fig.2 Settlement height of zinc dispersion systems under different concentrations of CMC

2.2.2 銀分散體系的穩(wěn)定性

圖3示出不同分散劑銀分散體系的吸光度?？煽闯?，不同分散劑的分散體系的吸光度大小順序?yàn)椋篢ween-80、PVP、CMC、PEG，因此分散液體系的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱為Tween-80、PVP、CMC、PEG。這是因?yàn)榉请x子型表面活性劑Tween-80分子比較大，其空間位阻比較顯著，對(duì)分散效果作用顯著[7]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tween-80對(duì)分散液穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，銀分散液吸光度先減少后增加的結(jié)果。分散液穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱依次為0.5%Tween-80、1.0% Tween-80、2.0%Tween-80、1.5%Tween-80，表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Tween-80分散液體系對(duì)納米銀顆粒的分散性能最好。因此，選擇Tween-80質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%作為納米銀粒子的目標(biāo)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 不同分散劑的納米銀分散液的吸光度Fig.3 Absorbance of nano-silver dispersions with different dispersants

2.3 黏合劑對(duì)電極性能的影響

2.3.1 鋅電極的性能

由于水性丙烯酸乳液(AAE)具有無(wú)毒、無(wú)刺激，對(duì)人體無(wú)害，且成膜后具有優(yōu)異的抗黏連性能等特點(diǎn)，選取水性丙烯酸乳液作為金屬油墨的黏合劑。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE鋅電極的微觀形貌如圖4所示。當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，鋅顆粒均勻地分散在纖維的表面和纖維與纖維的夾縫之間，少量的鋅顆粒被黏合劑包裹。隨著AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋅顆粒被黏合劑包裹的越來(lái)越緊密。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，很少有裸露鋅顆粒暴露在基布外層。

圖4 不同鋅電極與空白基布SEM照片(×3 000)Fig.4 SEM images of different zinc electrodes and based fabric (×3 000). (a) Zinc electrodes A; (b) Zinc electrodes B;(c) Zinc electrodes C;(d) Zinc electrodes D;(e)Based fabric

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE鋅電極的XRD圖譜如圖5所示。所有的試樣在2θ為36.32°、39.04°和43.28°處呈現(xiàn)出最強(qiáng)的衍射峰，對(duì)應(yīng)金屬鋅結(jié)構(gòu)的(002)、(100)和(101)晶面，以及54.321°、70.061°、70.64°、82.08°和86.818°處呈現(xiàn)的弱衍射峰對(duì)應(yīng)金屬鋅結(jié)構(gòu)的(102)、(103)、(110)、(112)和(201)晶面[9]。表明鋅電極沒(méi)有受到明顯的氧化作用。

圖5 不同鋅電極與純鋅粉及滌綸非織造布的XRD圖Fig.5 XRD image of different zinc electrodes, zinc powder and polyester non-woven

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE的鋅電極EDS分析如圖6所示?？梢钥闯?，鋅電極基布上鋅顆粒的微米級(jí)尺寸均勻地呈點(diǎn)狀分布在基布的表面。

圖6 不同鋅電極的EDS圖Fig.6 EDS image of different zinc electrode. (a) Zinc electrodes A; (b) Zinc electrodes B;(c) Zinc electrodes C;(d) Zinc electrodes D

通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的不同AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋅電極的電壓如圖7所示。隨著AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋅電極的電壓先減小后增大；隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，鋅電極的電壓緩慢地下降。這與電解液不斷滲入有關(guān)，時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致和電解液反應(yīng)的鋅粉不斷減少，從而使得電壓下降。在初始測(cè)量時(shí)，當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，2個(gè)電極之間產(chǎn)生的電壓最高，電壓值在0.65 V左右波動(dòng)，達(dá)到商用生物電敷料的電學(xué)性能(0.5～0.9 V)要求[4、10]；當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，鋅油墨干燥后在織物表面形成互穿交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將鋅顆粒包裹在黏合劑里，導(dǎo)致鋅電極的電壓下降，在0.25 V左右波動(dòng)。在所有測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鋅電極的電壓均高于另外3種電極。這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，鋅顆粒大都裸露在纖維的表面，沒(méi)有過(guò)多地被黏合劑包裹，從而使鋅顆粒和電解液產(chǎn)生良好的接觸，在2個(gè)電極之間形成了較高的電勢(shì)差。

圖7 不同鋅電極的電壓Fig.7 Voltages of different zinc electrodes

2.3.2 銀電極的性能

通過(guò)絲網(wǎng)印刷得到的不同黏合劑AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銀電極基布的微觀形貌如圖8所示?？梢姡翰煌|(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE的銀電極，銀顆粒均勻地黏附在滌綸基布上；當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，纖維表面黏附的銀粉較少，銀粉多分布在纖維與纖維的空隙內(nèi)；隨著AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，纖維表面黏附銀逐漸增多；當(dāng)黏合劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，纖維表面及纖維與纖維間隙內(nèi)都填充了較多銀粉。

圖8 不同銀電極與空白基布的SEM照片(×3 000)Fig.8 SEM images of different silver electrodes and based fabric(×3 000). (a) Silver electrodes A′; (b) Silver electrodes B′; (c) Silver electrodes C′; (d) Silver electrodes D′; (e)Based fabric

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE的銀電極的XRD圖譜如圖9所示。以銀電極C′為例，其2θ衍射角38.060°、44.200°、64.340°和 77.299°處分別對(duì)應(yīng)單質(zhì)銀的(111)、(200)、(220)和(311)晶面[11]。用MDI Jade軟件檢測(cè)分析該晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，衍射峰和所用純銀粉的XRD圖譜相匹配，并且基線平直，衍射峰尖銳，峰強(qiáng)高，說(shuō)明納米銀粉被均勻地負(fù)載到基布表面，且隨著時(shí)間的推移沒(méi)有在空氣中自發(fā)地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖9 不同銀電極與純銀粉及滌淪非織造布的XRD圖Fig.9 XRD image of different silver electrodes, silver powder and polyester non-woven

不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)銀電極的EDS分析結(jié)果如圖10所示。可看出：銀電極基布表面出現(xiàn)了銀的特征光點(diǎn)；隨著黏合劑含量的提高，基布表面分布的銀粉逐漸增多，且分布越來(lái)越均勻；當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，銀的分布較為稀疏，基布表面部分區(qū)域沒(méi)有銀粉的覆蓋，而當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至15%時(shí)，銀顆粒在基布表面均勻分布。EDS結(jié)果顯示，銀電極表面不含有其他的金屬雜質(zhì)，與XRD結(jié)果吻合。

圖10 不同銀電極的EDS圖Fig.10 EDS image of different silver electrode. (a) Silver electrodes A′; (b) Silver electrodes B′; (c) Silver electrodes C′; (d) Silver electrodes D′

銀-碳片組合電極的電壓測(cè)試結(jié)果如圖11所示。隨著AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，銀電極電壓先增大后減小。當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，銀電極的電壓達(dá)到最大值。當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，銀電極的電壓開始下降。

圖11 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AAE的銀電極的電壓Fig.11 Voltages of silver electrodes with different mass fractions of AAE

2.4 條紋狀A(yù)g/Zn電極對(duì)及其細(xì)胞毒性

Ag/Zn條紋狀圖案基布的表觀形貌如圖12所示。其中：深色區(qū)域代表Ag電極，灰白色區(qū)域代表Zn電極。條紋圖案清晰，Ag、Zn電極對(duì)界限明顯。

圖12 條紋狀A(yù)g/Zn電極對(duì)的表觀形貌Fig.12 Apparent morphology of striped Ag/Zn electrode pairs

作為敷料用Ag/Zn電極對(duì)，要求其細(xì)胞相容性良好，因此，對(duì)條紋狀電極對(duì)采用浸提液的方法進(jìn)行24 h的L929細(xì)胞培養(yǎng)，采用倍比稀釋的方法確定微電流基布的細(xì)胞毒性質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分界點(diǎn)，使用CCK-8檢測(cè)材料的細(xì)胞毒性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7和圖13所示?？梢钥闯?，隨著基布上金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，細(xì)胞的增殖率顯著減少，具有質(zhì)量分?jǐn)?shù)-毒性的對(duì)應(yīng)關(guān)系(P<0.05)即浸提液中金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對(duì)細(xì)胞的毒性效應(yīng)越高。具體表現(xiàn)為，基布Ⅰ～Ⅲ在24 h的細(xì)胞增殖率大于75%，而基布Ⅳ和Ⅴ在24 h的細(xì)胞增殖率卻低于20%。因此，所制備的條紋狀圖案基布Ⅰ～Ⅲ被界定為沒(méi)有細(xì)胞毒性，由于金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，其在使用過(guò)程中不會(huì)抑制細(xì)胞的增殖；而基布Ⅳ～Ⅴ由于金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，被界定為具有中度細(xì)胞毒性，在使用中較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的金屬粒子對(duì)細(xì)胞具有一定的毒害作用。

注：標(biāo)注線為不同水平間相互對(duì)比的顯著性分析，星號(hào)越多顯著性越強(qiáng)。圖13 基布的倍比稀釋細(xì)胞增殖率Fig.13 Proliferation rate of multiple dilution cells in based fabric

表7 基布Ⅲ的細(xì)胞增殖率Tab.7 Proliferation rate of cells in based fabric Ⅲ

此外采用倍比稀釋法研究發(fā)現(xiàn)，隨著基布浸提液稀釋倍數(shù)的增大，基布在24 h時(shí)的細(xì)胞存活率顯著上升，表現(xiàn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)-毒性的對(duì)應(yīng)關(guān)系(P<0.01)[12]。當(dāng)基布Ⅳ的浸提液稀釋2倍后，其細(xì)胞增殖率高于75%(P<0.001)，且和不稀釋的基布Ⅲ的細(xì)胞增殖率相當(dāng)，表現(xiàn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)-毒性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)敷料用柔性電極的制備，探究了分散劑種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金屬顆粒分散性能的影響及黏合劑種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)金屬電極性能的影響，并對(duì)制備得到的條紋狀柔性金屬電極對(duì)的細(xì)胞毒性進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析，得到如下結(jié)論。

1) 隨著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，分散液的黏度提高，鋅分散體系的空間位阻增加，分散體系穩(wěn)定性更好，因此確定1.0%的CMC為鋅顆粒的分散劑。隨著Tween-80質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2.0%，納米銀分散液的吸光度先減小后增大，確定0.5%的Tween-80作為納米銀粒子的分散劑。

2) 金屬粒子在基布表面分布均勻；基布在制備過(guò)程中不存在金屬氧化。

3) 鋅電極的電壓隨水性丙烯酸乳液AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而下降，當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，鋅電極電壓最大。銀電極基布的電壓隨AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高先上升后減小，當(dāng)AAE質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%時(shí)，銀電極-碳片組合電極的電壓最大。

4) 金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%的基布不具有細(xì)胞毒性，金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～5.0%的基布具有中度細(xì)胞毒性。條紋化金屬電極對(duì)在金屬含量較低時(shí)，表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性，可作為今后生物電敷料深入研究時(shí)金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)值的有力參考。