王春紅, 李 明, 龍碧旋, 才英杰, 王利劍, 左 祺
(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院, 天津 300387; 2. 河北科技大學 紡織與服裝學院, 河北 石家莊 050080)
在人體創(chuàng)傷愈合過程中,醫(yī)用敷料能起到保護創(chuàng)面、吸附滲出、防止感染、清除壞死組織等作用[1]。目前,我國絕大多數醫(yī)療機構仍將棉質紗布、繃帶等作為常用的醫(yī)用敷料,但傳統(tǒng)醫(yī)用敷料易與傷口粘連、保濕性能差,且需經常更換[2],難以滿足慢性傷口護理的需求。醫(yī)用敷料理想情況下應具備以下特點:使用方便、致敏性低、成本適中;保持創(chuàng)面的濕潤環(huán)境;隔離外部污染、清除壞死組織、吸收滲出液;無毒無害與人體相容性良好[3]。以天然材料(膠原蛋白、殼聚糖、細菌纖維素、絲素蛋白、海藻酸鹽等[4-5])為原料經靜電紡絲制備的新型醫(yī)用敷料,對于傳統(tǒng)敷料的替代以及理想敷料的開發(fā)和研究具有重要意義。
海藻酸鈉(SA)是從天然藻類中提取出的多糖共聚物,其大分子鏈是由β-D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)組成[6]。SA是一種天然材料,與人體相容性較好,在理想敷料的開發(fā)上有廣泛的應用前景,可較好地替代傳統(tǒng)敷料。然而單一的海藻酸鹽敷料其力學性能和抗菌性能不足[7],不能較好地支撐創(chuàng)面以及抑制創(chuàng)面感染菌滋生,因此,在靜電紡絲過程中常與聚乙烯醇(PVA)共混提高力學性能[8],并添加抗菌物質以增強抗菌性能,抑制傷口的惡化。PVA具有良好的生物相容性以及力學性能,吸濕性較好,可作為改性劑增強海藻酸鈉的可紡性以及力學性能[9-11]。
針對PVA/SA納米纖維膜的抗菌性能,國內外研究人員以PVA/SA為載體,添加納米氧化鋅ZnO、磷酸鋯鈉銀、層狀硅酸鹽等無機抗菌劑[12-14],研究抗菌改性后金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌性以及細胞毒性。雖然無菌抗菌劑提高了敷料的抗菌性能,且具有較低的細胞毒性;但無機抗菌劑仍容易在人體積累,對人體產生一定的傷害,因此,研究人員發(fā)現(xiàn)了一系列從中草藥中提取的天然抗菌劑,其中黃連素(BR)是一種具有廣譜抗菌、藥源廣泛、價格低廉,不易產生耐藥性,還可提高機體免疫力的抗菌添加劑[15-17]。在靜電紡絲過程中添加天然抗菌劑BR,能與海藻酸鈉起到協(xié)同抗菌作用,充分發(fā)揮BR的藥用功效,制備出與人體相容、抗菌效果好的的醫(yī)用敷料。
基于以上分析,本文選用PVA/SA為載體,在靜電紡絲過程中添加天然抗菌劑BR來提高敷料的抗菌性能,并與氯化鈣交聯(lián)處理提高敷料的耐水性能。主要探究了不同質量分數BR對纖維膜外觀形貌、力學性能以及抗菌性能的影響;同時還探究了氯化鈣交聯(lián)處理對纖維膜外觀形貌、吸液倍率以及力學性能的影響。
聚乙烯醇(PVA,pH值為5~7,醇解度為88%,廣州市濤升化工有限公司),海藻酸鈉(SA,pH值為7~8,天津福晨化學試劑廠),黃連素(BR,西安四級生物科技有限公司),氯化鈣(分析純,天津風船化學試劑科技有限公司),無水乙醇(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司)。
1.2.1 PVA/SA/BR納米纖維膜的制備
首先,分別稱取2 g SA和10 g PVA:在室溫下將 SA均勻攪拌在98 g去離子水中,配制成質量分數為2%的SA溶液;將PVA溶于90 g去離子水中進行水浴加熱至90 ℃,制得質量分數為10%的PVA溶液。然后,將配制好的2種溶液混合攪拌均勻作為黃連素的載體溶液。最后,再分別加入質量分數為2%、4%、6%的黃連素,室溫下磁力攪拌2 h制得紡絲溶液。將配制好的PVA/SA/BR混合溶液加入到注射器中,使用自制靜電紡絲裝置進行紡絲。紡絲電壓為18 kV,紡絲速率為0.6 mL/h,接收距離為14 cm,接收圓盤轉速為200~300 r/min,得到PVA/SA/BR納米纖維膜,并在真空烘箱中干燥24 h。
1.2.2 PVA/SA/BR納米纖維膜的交聯(lián)處理
將PVA/SA/BR納米纖維膜剪成2 cm×2 cm規(guī)格,分別放入質量分數為2%、3%、4%、5%的氯化鈣無水乙醇溶液中進行交聯(lián)處理,最后用無水乙醇清洗纖維膜表面多余的氯化鈣后,室溫下干燥24 h,得到交聯(lián)改性PVA/SA/BR納米纖維膜。
1.3.1 形貌觀察
采用TM3030型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對納米纖維膜的外觀形貌進行觀察。采用Image-J軟件隨機選取100根纖維進行直徑測量,對纖維膜直徑分布進行統(tǒng)計。
1.3.2 化學結構測試
采用TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀(德國BRUKER公司)測試納米纖維膜的紅外光譜圖,掃描范圍為4 000~400 cm-1。
1.3.3 力學性能測試
采用INSTRON3369型萬能強力機(美國INSTRON公司)測試納米纖維膜的力學性能,試樣規(guī)格為長90 mm、寬10 mm,夾持隔距為30 mm,拉伸速率為5 mm/min。每個試樣測量5次,取平均值。
1.3.4 抗菌性能測試
參照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分:振蕩法》測試納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率。
1.3.5 吸液性能測試
采用稱取質量法測試納米纖維膜的吸液倍率(w)。將交聯(lián)處理后的納米纖維膜進行干燥處理并稱取質量,然后放入100 mL的PBS 緩沖液中浸泡24 h,烘至干態(tài)質量,依據下式計算吸液倍率
式中,m0與m1分別為納米纖維膜測試前后的干態(tài)質量,g。
2.1.1 納米纖維膜表面形貌與纖維直徑分布分析
添加不同質量分數黃連素的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌和直徑分布如圖1所示。可看出,添加質量分數為2%的BR時,BR可很好地包覆在纖維內部,而隨著其質量分數的進一步增加,BR開始沉積在纖維外形成串珠。由纖維直徑分布圖可看出,未添加BR時,纖維的平均直徑為324.54 nm,隨著BR質量分數的增加,纖維直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且纖維不勻率逐漸增加,添加質量分數為6%的BR時,纖維直徑最小,直徑不勻率最高。這可歸因于BR質量分數較小時,能很好地包覆于PVA/SA中,導致纖維直徑增加,而隨著紡絲液中BR的繼續(xù)添加,超過了纖維本身的容納量,過量的BR會使紡絲液的導電性增強,從而增大了射流在場中的電場力,最終導致纖維被抽長拉細,直徑不勻率增加。
2.1.2 化學結構分析
圖1 含不同質量分數BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜表面形貌(×8 000)與直徑分布圖Fig.1 Surface morphology (×8 000) and diameter distribution of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR
圖2 BR、PVA/SA和PVA/SA/BR 納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of BR、PVA/SA and PVA/SA/BR nanofiber membranes
2.1.3 力學性能分析
添加不同質量分數BR的PVA/SA/BR納米纖維膜斷裂強度與斷裂伸長率測試結果如圖3所示。
圖3 含不同質量分數BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR
由圖3可看出,添加BR后,PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強度、斷裂伸長率相較于未添加時出現(xiàn)了明顯的下降,當BR質量分數由2%提升至6%時,PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強度、斷裂伸長率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當BR質量分數為4%時,納米纖維膜顯示出較好的力學性能,斷裂強度與斷裂伸長率分別為2.08 MPa、16.12%;當BR質量分數為6%時,斷裂強度與斷裂伸長率有所下降分別為1.76 MPa、12.35%。這可歸因于BR質量分數較低時能很好地包覆在纖維內部,而隨著BR的繼續(xù)添加,破壞了PVA與SA之間的氫鍵,導致纖維膜力學性能整體下降。
2.1.4 抗菌性能分析
圖4、5分別示出添加不同質量分數BR的PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率及抗菌效果??芍{米纖維膜對大腸桿菌的抑菌性能要優(yōu)于金黃色葡萄球菌的。由未添加BR的纖維膜觀察可知,純海藻酸鹽抗菌效果不明顯。隨著纖維膜中BR質量分數的增加,可明顯觀察到大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的菌落數相繼減少,當BR質量分數為6%時抗菌效果明顯,對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%和97.89%,滿足GB/T 20944.3—2008中抑菌率≥70%的要求,因此,選取黃連素質量分數為6%的PVA/SA/BR納米纖維膜做耐水處理。
圖4 PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌和 金黃色葡萄球菌的抑菌率Fig.4 Antibacterial rate of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli and Staphylococcus aureus
圖5 不同BR質量分數的PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果圖Fig.5 Antibacterial effect of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus (b)with different mass fraction of BR
2.2.1 交聯(lián)后納米纖維膜的表面形貌分析
不同質量分數氯化鈣交聯(lián)處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌如圖6所示。由于PVA/SA/BR納米纖維膜放入水中會快速縮聚成團、溶解,耐水性很差,因此用氯化鈣交聯(lián)處理,可提高纖維膜的耐水性能[19]。由圖可看出,隨著氯化鈣質量分數的增加,PVA/SA/BR納米纖維膜由網狀轉變?yōu)槠交睿宦?lián)程度逐漸增大,但超過一定交聯(lián)程度后,納米纖維膜表面開始有氯化鈣顆粒析出;因此,為了獲得表面平滑的纖維膜,氯化鈣的交聯(lián)程度不宜過大,采用質量分數為4%的氯化鈣進行交聯(lián)處理較適宜。
圖6 不同質量分數氯化鈣交聯(lián)處理PVA/SA/BR的 掃描電鏡照片(×5 000)Fig.6 SEM images of PVA/SA/BR after crosslinking with calcium chloride at different concentrations (×5 000)
2.2.2 交聯(lián)后納米纖維膜的吸液倍率分析
PVA/SA纖維膜的親水性能很好,遇水后很快發(fā)生溶解,縮短了纖維膜的使用時間,不利于傷口的愈合,因此,需要提高纖維膜的耐水性能。氯化鈣交聯(lián)處理可提高纖維膜的耐水性,從而延長其使用時間。
圖7示出經不同質量分數氯化鈣處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率。可看出,隨著氯化鈣質量分數的增加,納米纖維膜的吸液倍率先升高后下降,經4%氯化鈣處理的納米纖維膜的吸液倍率達到最高,其耐水性能最好。氯化鈣交聯(lián)處理可提高吸液倍率是由于Ca2+可與SA中G基團的—COONa發(fā)生螯合作用形成—COOCaOOC—,進而形成三維凝膠網格結構,該結構可限制SA分子鏈段的自由運動,降低纖維膜的水溶性并提高吸液倍率[20]。當Ca2+濃度較低時,溶液中沒有足夠的凝膠網絡形成,凝膠強度較小,因此吸液倍率較小;當Ca2+存在過量時,凝膠交聯(lián)點過多,導致鏈段平均分子鏈變小,網絡空間收縮,發(fā)生海藻酸鈣的沉淀,凝膠分子變少,吸液倍率有所下降[21-23]。
圖7 不同質量分數氯化鈣交聯(lián)處理PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.7 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes crosslinked with different concentrations of calcium chloride
圖8示出氯化鈣質量分數為4%時,不同交聯(lián)時間下PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率??煽闯觯S著交聯(lián)時間的增加,納米纖維膜的吸液倍率先上升后下降,交聯(lián)4 h時纖維膜的吸液倍率達到最大為1 257%。當交聯(lián)時間適當時,形成的三維網格凝膠結構較好,但超過一定時間后,交聯(lián)點過密,空間網格收縮,導致納米纖維膜的剛性增加,因此吸液倍率由于過飽和反而下降。
圖8 不同交聯(lián)時間下PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.8 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes at different cross-linking time
綜合氯化鈣質量分數和交聯(lián)時間對纖維膜吸液倍率的影響可知,二者對于納米纖維膜的吸液倍率具有同向作用,當氯化鈣質量分數為4%,交聯(lián)時間為4 h時,能形成很好的三維凝膠網格結構,而交聯(lián)超過一定程度后,由于海藻酸鈣沉淀和纖維膜剛性增加,耐水性能反而下降。
2.2.3 交聯(lián)后納米纖維膜的力學性能分析
圖9示出氯化鈣質量分數為4%時,不同交聯(lián)時間下納米纖維膜的斷裂強度與斷裂伸長率曲線??煽闯觯S著交聯(lián)時間的持續(xù)進行,納米纖維膜的斷裂強度先上升后下降,在交聯(lián)4 h時達到最大為4.17 MPa,而納米纖維膜的斷裂伸長率則由57.13%增加到108.24%。在一定的交聯(lián)時間內,納米纖維膜的力學性能總體上在逐漸提高,這是由于海藻酸鈉不僅與Ca2+形成了交聯(lián)鍵,還形成了分子之間的相互鍵合,從而共同抵抗外力的變化。而當交聯(lián)時間過長時,由于交聯(lián)密度過大,纖維膜剛性變大,韌性下降,受到外界作用力時,易產生應力集中,使整體力學性能下降。
圖9 不同交聯(lián)時間下PVA/SA/BR的力學性能Fig.9 Mechanical properties of PVA/SA/BR with different cross-linking times
本文采用靜電紡絲技術將不同質量分數的黃連素(BR)添加到PVA/SA載體上,并與氯化鈣進行交聯(lián)處理,提高了PVA/SA/BR納米纖維膜作為醫(yī)用敷料的抗菌性和耐水性,得出以下主要結論。
1)隨著BR質量分數的增加,纖維的直徑先增大后減小,斷裂強度逐漸下降,抗菌性能逐漸提高。當BR質量分數為6%時,納米纖維膜斷裂強度為1.76 MPa,其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%、97.89%,滿足抗菌材料抑菌率大于70%的要求。
2)氯化鈣交聯(lián)處理能有效提高纖維膜的耐水性能。隨著氯化鈣質量分數、交聯(lián)時間的增加,纖維膜的耐水性能逐漸提高。當氯化鈣質量分數為4%,交聯(lián)時間4 h時,纖維膜的斷裂強度達到4.17 MPa,吸液倍率為1 257%。而隨著氯化鈣質量分數、交聯(lián)時間的進一步增大,由于交聯(lián)過度,力學性能和耐水性能反而下降。