可降解水凝膠/棉織物復(fù)合敷料的制備及性能研究

許夢(mèng)玉，張勁松，劉東妮，吳德群

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620；2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

皮膚作為人體最大的器官和第一道屏障，在保護(hù)人體免受外部損害和微生物入侵時(shí)起著重大的作用。但皮膚極易受損，受損后需要較長(zhǎng)時(shí)間的修復(fù)；在修復(fù)的過(guò)程中，微生物極易入侵導(dǎo)致傷口感染惡化或危及生命健康[1]。因此，醫(yī)用敷料在促進(jìn)傷口愈合以及保護(hù)傷口環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用[2]。傳統(tǒng)干敷料(如棉織物、麻織物等制成繃帶和紗布)常用來(lái)保護(hù)干燥傷口、吸收滲出物，具有極好的機(jī)械性能及穩(wěn)定性，在傷口護(hù)理的前期發(fā)揮了不可或缺的作用[3]。已知研究證明，保持傷口濕潤(rùn)的環(huán)境可以加速傷口的愈合；傳統(tǒng)干敷料并不能提供潮濕的環(huán)境，且易粘附在傷口表面，在移除時(shí)易引起二次創(chuàng)傷[1]。水凝膠因具有3D交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以吸收大量的水，可快速吸收組織滲出液，為傷口提供濕潤(rùn)環(huán)境，還具有足夠的柔韌性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，成為目前醫(yī)用敷料上的研究熱點(diǎn)[4]，但大多數(shù)水凝膠的力學(xué)性能較差。

魔芋葡甘聚糖(KGM)是一種可再生天然高分子多糖，主要來(lái)源于天南星科魔芋屬多年生草本植物魔芋的塊莖，是我國(guó)已確認(rèn)的天然健康食物[5]。魔芋葡甘聚糖具有優(yōu)良的凝膠行為、持水性等理化性質(zhì)。殼聚糖是一種天然氨基多糖，由幾丁質(zhì)脫除部分乙?；@得，具有較好的生物降解性和生物相容性[6]，可被殼聚糖糖酶、溶菌酶、胃腸道酶等進(jìn)行降解[7]。兩種多糖大分子因其出色的生物相容性、可降解性能、價(jià)格便宜，在生物醫(yī)學(xué)、功能材料等領(lǐng)域，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

長(zhǎng)鏈烷基季銨鹽通過(guò)親水的陽(yáng)離子和疏水長(zhǎng)鏈與細(xì)菌表面結(jié)合后，可改變細(xì)菌膜的電勢(shì)致使細(xì)菌膜破裂，達(dá)到殺死細(xì)菌的目的[8]。因其抗菌效果優(yōu)良，成本較低，廣泛應(yīng)用于紡織品的抗菌整理。

本文以N，N－二甲基－N－[3－(三甲氧基硅烷基)丙基]十二烷－1－氯化銨(CDMA)接枝棉織物制得抗菌棉織物，再通過(guò)直接沉積法復(fù)合殼聚糖和氧化含醛基OKGM為原料的水凝膠，水凝膠通過(guò)OKGM上的醛基與殼聚糖的氨基經(jīng)席夫堿反應(yīng)原位成膠，制備了系列可降解水凝膠/棉織物復(fù)合敷料，并研究了其抗菌性、降解性等一系列性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

棉織物(平紋組織，克重為160 g/m2)，殼聚糖、高碘酸鈉(上海泰坦科技股份有限公司)，魔芋葡甘聚糖(KGM合肥博美生物科技)，乙二醇、醋酸、氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，大腸桿菌(E.coli ATCC 8099，南京便診生物科技有限公司)和金黃色葡萄球菌(S.aureus ATCC 6538，南京便診生物科技有限公司)，γ－氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMS)、N，N－二甲基十二烷基叔胺(DMDA)、甲醇、碘化鉀(上海易勢(shì)化工有限公司)。

1.2 儀器與設(shè)備

Avance400型核磁共振氫譜儀(瑞士布魯克公司)，Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾公司)，S－4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，ALPHAL－2冷凍干燥機(jī)(德國(guó)克萊斯特公司)，HWS－250HL型恒溫培養(yǎng)空氣搖床(上海賀德公司)，HD－650型超凈臺(tái)(蘇州凈化公司)，LDZX－50FBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋(上海申安公司)，SPX－80B－II型生化培養(yǎng)箱(上海賀德公司)，MS7－H550－S磁力攪拌機(jī)(上海亞榮公司)，AL204電子天平(梅特勒－托利多集團(tuán))，F(xiàn)STRO－10超純水機(jī)(上海富詩(shī)特公司)，YG(B)026G型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織儀器)，DKZ系列電熱恒溫振蕩水槽(上海一恒科技有限公司)。

1.3 可降解水凝膠/棉織物復(fù)合敷料的制備

1.3.1 OKGM單體的制備

圖1 OKGM單體的制備

1.3.2 CDMA的制備

將25.608 g十二烷胺二甲基叔胺與19.872 gγ－氯丙基三氯硅烷偶聯(lián)劑溶于無(wú)水甲醇和DMSO的混合溶液中，溫度80℃，在氮?dú)鈼l件下反應(yīng)21 h，減壓蒸餾4 h除去溶劑和未反應(yīng)物，再溶于乙醇，－8℃～0℃下在丙酮中重結(jié)晶，過(guò)濾后40℃～50℃干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物長(zhǎng)鏈烷基季銨鹽，反應(yīng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 CDMA單體的制備

1.3.3 可降解水凝膠/棉織物復(fù)合敷料的制備

取OKGM加入去離子水中，制備8%(w/v)的OKGM水溶液；取CS加入0.5%的乙酸水溶液中，調(diào)節(jié)pH＝5，制備3%(w/v)的CS混合溶液；OKGM水溶液和CS混合溶液以不同的體積比形成多糖水凝膠，具體投料比以及成膠時(shí)間如表1所示。

表1 水凝膠的投料比及成膠時(shí)間

將棉織物樣品進(jìn)行充分洗滌并干燥稱(chēng)重；將不同質(zhì)量的CDMA加入3.5 mL水和乙醇混合溶液中，制備不同濃度的CDMA溶液，再放入棉織物，浸泡6 h后，80℃加熱反應(yīng)20 min，充分水洗干燥得抗菌棉織物(CCT)?？刂芆KGM水溶液和CS水溶液以不同的體積比沉積在抗菌織物上，靜置形成水凝膠/棉織物復(fù)合敷料，不同投料比如表2所示。

表2 復(fù)合敷料的投料比

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能分析

1.4.1 核磁共振氫譜(1H NMR)

采用AVANCE400型核磁共振波譜儀對(duì)改性多糖進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，分別稱(chēng)取5 mg～10 mg樣品放入樣品管內(nèi)，用氘代水溶解進(jìn)行1H NMR測(cè)試，確定OKGM和CDMA單體中H的歸屬。1.4.2 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

②渡槽槽身滲漏嚴(yán)重，鋼筋多處暴露且嚴(yán)重銹蝕；隧洞襯砌拱頂滲漏溶蝕較嚴(yán)重；水閘啟閉設(shè)備老化嚴(yán)重甚至缺失；10余座橋梁因損壞需拆除重建。

采用Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行表征，OKGM、水凝膠采用壓片法制樣，抗菌織物經(jīng)充分烘干后制樣，測(cè)試并記錄550cm－1～4000cm－1范圍的光譜。

1.4.3 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試

采用S－4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣品表面形態(tài)進(jìn)行測(cè)試，樣品冷凍干燥后經(jīng)噴金制樣后進(jìn)行測(cè)試。

1.4.4 吸水率測(cè)試

試樣的吸水性按照GB/T 21655.1－2008《紡織品吸濕速干性的評(píng)定第1部分 單項(xiàng)組合試驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行測(cè)定。將抗菌棉織物和復(fù)合敷料尺寸裁剪為100 mm×100 mm，每個(gè)樣品裁取5塊試樣，稱(chēng)取每塊試樣質(zhì)量；將試樣完全浸潤(rùn)在去離子水中，每間隔5 min時(shí)取出，自然平展地垂直懸掛，當(dāng)試樣不再滴水時(shí)，立即稱(chēng)取試樣質(zhì)量，按照以下公式計(jì)算每個(gè)試樣的吸水倍率:

式中:m0為試樣原始質(zhì)量，單位為g，精確至0.001 g；m為試樣浸潤(rùn)5 min后的質(zhì)量，單位為g，精確至0.001 g[11]。

1.4.5 酶降解性能

采用稱(chēng)重法觀察多糖水凝膠的酶降解性能。取130 mg的水凝膠樣品加入含有10 mL PBS(pH＝7.2)的離心管中，其中溶菌酶溶液的濃度分別為0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L和40 mg/L，然后將離心管置于37℃的搖床中，每24 h取出水凝膠，吸干表面水分，進(jìn)行稱(chēng)重，并更換PBS溶液[12]；按照下列公式計(jì)算酶降解速率:

式中:W0為樣品初始質(zhì)量，W t為降解時(shí)間為t時(shí)的樣品質(zhì)量。

1.4.6 抗菌性能測(cè)試

采用GB/T 20944.3－2008《紡織品抗菌性能評(píng)價(jià)第3部分:震蕩法》為標(biāo)準(zhǔn)，選取大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為測(cè)試菌種，對(duì)抗菌棉織物和復(fù)合敷料進(jìn)行定量抗菌性能評(píng)價(jià)，按照以下公式計(jì)算試樣的抑菌性:

式中:Y為試樣的抑菌率；W t為對(duì)照樣24 h振蕩接觸后燒瓶?jī)?nèi)的活菌濃度的平均值；Q t為抗菌試樣24 h振蕩接觸后燒瓶?jī)?nèi)的活菌濃度的平均值[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁共振氫譜(1 H NMR)分析

通過(guò)核磁共振氫譜(1H NMR)確認(rèn)OKGM上各個(gè)H原子的歸屬，如圖3所示，在9.20 ppm出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)于OKGM中的醛基[13]，表明了KGM已被成功氧化成OKGM；環(huán)上其他質(zhì)子的信號(hào)峰主要集中在2 ppm～6.4 ppm處。

圖3 OKGM單體的1 H NMR

通過(guò)核磁共振氫譜(1H NMR)確認(rèn)CDMA上各個(gè)H原子的歸屬，如下頁(yè)圖4所示，在3.10 ppm出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)CDMA上e、f位置的氫，表明了季銨鹽的成功合成，在1.65 ppm出現(xiàn)的峰對(duì)應(yīng)CDMA上g位值的氫，其他質(zhì)子的信號(hào)峰主要集中在0.85 ppm～1.34 ppm處。

圖4 CDMA單體的1 H NMR

2.2 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析

通過(guò)傅里葉變換紅外光譜來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)多糖大分子的改性情況和多糖水凝膠的合成情況，OKGM、水凝膠、抗菌棉織物的紅外光譜如圖5所示。圖5(a)中3389 cm－1處為O－H的特征吸收峰，1640 cm－1左右的強(qiáng)烈峰歸因于水分子的面內(nèi)變形；與KGM相比，OKGM在1730 cm－1和893 cm－1處有較為明顯的峰值，前者歸因于羰基，后者因?yàn)槿┗袜徑u基形成的半縮醛結(jié)構(gòu)[14]；Gel與OKGM相比，醛的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)吸收峰1730cm－1完全消失，且1640cm－1的峰值強(qiáng)度有明顯加強(qiáng)，表明OKGM的氨基與CS的醛基通過(guò)席夫堿反應(yīng)形成C＝N鍵(1640 cm－1)。圖5(b)中3350 cm－1為氮正離子的吸收峰，2922 cm－1、2853 cm－1為－CH3和－CH2伸縮振動(dòng)吸收峰，1087 cm－1為Si－O－C的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰；表明CDMA通過(guò)水解反應(yīng)成功接到棉織物上[15－17]。

圖5 (a)OKGM和水凝膠的紅外光譜圖(FTIR)(b)CDMA和抗菌棉織物(CCT)的紅外光譜圖(FTIR)

2.3 表面形貌分析

將OKGM/CS水凝膠達(dá)到溶脹平衡后進(jìn)行冷凍干燥，制樣噴金處理后采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察其表面形貌，其SEM圖如圖6所示。從圖中可以看出，水凝膠外表面具有均勻且規(guī)則的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，歸因于化學(xué)鍵的交聯(lián)形成，這有利于水分的吸收以及減少流失；并且隨著水凝膠中OKGM含量減少，交聯(lián)度減少，水凝膠的孔隙直徑逐漸變大。

圖6 (a)Gel－1(b)Gel－2(c)Gel－3(d)Gel－4(e)Gel－5的水凝膠表面SEM圖

2.4 吸水性能分析

抗菌織物和復(fù)合敷料的吸水倍率如下頁(yè)圖7所示，可以看出，試樣5、試樣4、試樣3在40 min內(nèi)的吸水率分別達(dá)到了20.55 g/g、17.79 g/g、12.42 g/g，遠(yuǎn)高于試樣12.95 g/g，水凝膠為敷料提供了主要的吸液能力。降低水凝膠交聯(lián)密度可提高其溶脹能力，但較小的交聯(lián)密度會(huì)導(dǎo)致水凝膠在大量吸水溶脹的時(shí)候碎裂，如試樣7在70 min后出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失。

圖7 水凝膠/棉織物復(fù)合敷料的吸水倍率

2.5 酶降解性能分析

取多個(gè)130 mg的Gel－2分別放入含10 mL PBS溶液的離心管中，其中溶菌酶的濃度分別為0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L，40 mg/L，每組設(shè)立5個(gè)樣品。由文獻(xiàn)可知，溶菌酶可選擇性的水解殼聚糖分子鏈中N－乙?；咸烟菃卧g的β－(1，4)糖苷鍵，但不能水解脫乙酰度95%以上的殼聚糖[18]。Gel－2在不同溶菌酶的降解速率結(jié)果如圖8所示，在無(wú)酶PBS溶液中浸泡7天后質(zhì)量損失約為7.9%，主要是由于長(zhǎng)時(shí)間受到恒溫振蕩水槽的震動(dòng)部分碎裂掉落所造成。當(dāng)浸泡在含10 mg/mL的溶菌酶PBS溶液中時(shí)，質(zhì)量損失速率加快，在第7天質(zhì)量損失可達(dá)67.3%；進(jìn)一步增加至25 mg/mL時(shí)，在第7天質(zhì)量損失為91.5%，降解速率明顯提升。但當(dāng)溶菌酶濃度從25 mg/mL增加至40 mg/mL時(shí)，降解速率并沒(méi)有較為顯著的提升，這是因?yàn)槿芫概c殼聚糖的結(jié)合量已經(jīng)達(dá)到了飽和。

圖8 Gel－2在不同溶菌酶濃度下的降解速率

2.6 抗菌性能分析

采用振蕩法對(duì)試樣1、試樣2和試樣3進(jìn)行定量抗菌性能的測(cè)試，以零接觸樣為對(duì)照樣。使用平板計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)細(xì)菌菌落數(shù)，菌落數(shù)結(jié)果如圖9所示，括號(hào)內(nèi)D＋數(shù)字表示稀釋倍數(shù)到幾倍。由公式計(jì)算可得，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率，試樣1、試樣2、試樣3分別為99.99%、99.99%、99.99%；對(duì)大腸桿菌的抑菌率，試樣1、試樣2、試樣3分別為99.98%、99.99%、99.97%。以上數(shù)據(jù)表明，隨著CDMA的投料質(zhì)量增加，抗菌效果增加；復(fù)合水凝膠后，復(fù)合敷料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有優(yōu)良的抗菌效果。

圖9 試樣的定量抗菌菌落圖

3 結(jié)論

本文以可生物降解的多糖大分子魔芋葡甘聚糖和殼聚糖為原料，使用高碘酸鈉對(duì)魔芋葡甘聚糖氧化制得含醛基的OKGM，使用長(zhǎng)鏈烷基季銨鹽對(duì)棉織物進(jìn)行抗菌整理；然后將抗菌棉織物先后浸入不同體積的殼聚糖溶液和OKGM水溶液中，經(jīng)席夫堿反應(yīng)原位成膠制備得可降解、抗菌性能極佳的系列水凝膠/棉織物復(fù)合敷料。經(jīng)性能測(cè)試表明，水凝膠在含25 mg/L溶菌酶的PBS溶液中7天后可降解91.5%；多糖水凝膠/棉織物復(fù)合敷料的吸水率均高于原棉織物，水凝膠為復(fù)合敷料提供主要的吸液能力，且隨著水凝膠交聯(lián)度的降低，吸水率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)棉織物接枝CDMA，抗菌織物和復(fù)合敷料均對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有優(yōu)良的抗菌效果。