電泳沉積制備殼聚糖水凝膠-導(dǎo)電紗布復(fù)合材料及其性能評(píng)價(jià)

呂鵬程，李昊洋，楊擎宇，張綺月，張 倩，毛吉富,1b,1c，勞繼紅，曹 蓉，王 璐,1b,1c

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院, b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, c.紡織行業(yè)生物醫(yī)用紡織材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.上海必趣醫(yī)療科技有限公司，上海 201611)

皮膚是保護(hù)人體免受外界損傷和病原體侵入的第一道屏障[1-2]。一旦皮膚受損，外界微生物很容易侵入皮膚組織深處，從而引發(fā)傷口感染甚至危及生命[3]。醫(yī)用敷料是傷口修復(fù)的重要材料，其性能對(duì)于傷口愈合效果是至關(guān)重要的。脫脂棉紗布是臨床上應(yīng)用最多的醫(yī)用敷料，其原料來源廣泛，價(jià)格低廉。醫(yī)用敷料主要作用是吸收傷口組織液，但是脫脂棉紗布缺乏生物活性，對(duì)于促進(jìn)傷口愈合作用有限[4]。因此理想的醫(yī)用敷料應(yīng)當(dāng)具有良好的生物相容性和可降解性，能為傷口組織提供合適的微環(huán)境，促進(jìn)傷口愈合。近年來天然高分子材料由于具有優(yōu)異的生物學(xué)性能在多功能醫(yī)用敷料領(lǐng)域被廣泛研究[5]。

殼聚糖(chitosan, CS)作為天然多糖甲殼素的衍生物，具有低毒性、固有的抗菌性、良好的生物相容性和可生物降解性等特點(diǎn)[6-7]。此外，CS還具有良好的可加工性，易于制備成水凝膠、膜、海綿、微納米纖維和顆粒等，在細(xì)胞培養(yǎng)固定、藥物輸送、組織修復(fù)再生等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]。水凝膠類材料為三維互聯(lián)的孔隙結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的儲(chǔ)水保濕能力和物質(zhì)交換能力，因此在傷口治療的研究中受到了廣泛的關(guān)注[9]。基于此，在紗布表面構(gòu)建殼聚糖水凝膠將有望提高紗布在傷口修復(fù)中的價(jià)值。

傳統(tǒng)的CS水凝膠的制備方法有物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)兩種方式。物理交聯(lián)法依靠氫鍵、靜電作用等方式形成凝膠，無需使用交聯(lián)劑，但是難以控制凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；化學(xué)交聯(lián)法一般使用交聯(lián)劑，通過控制反應(yīng)條件和交聯(lián)劑種類，在一定程度上調(diào)節(jié)水凝膠的結(jié)構(gòu)，但是反應(yīng)過程中常涉及生物毒性交聯(lián)劑，對(duì)其生物醫(yī)學(xué)性能有不利影響。

電泳沉積技術(shù)作為制備CS水凝膠的新興方法，凝膠制備簡單高效，無需使用生物毒性試劑，并可以通過調(diào)整電泳沉積工藝參數(shù)或者電極結(jié)構(gòu)來調(diào)控殼聚糖水凝膠的宏觀3 D結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)[10-11]。因此，本文首先在棉紗布表面聚合聚吡咯(polypyrrde, PPy)涂層，制備導(dǎo)電紗布(PPy/棉紗布)，然后采用電泳沉積的方法，在導(dǎo)電紗布表面構(gòu)建CS水凝膠涂層，制備CS水凝膠-導(dǎo)電紗布復(fù)合材料(CS/PPy/棉紗布)，探究沉積工藝參數(shù)對(duì)CS/PPy/棉紗布結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能的影響。此外，該復(fù)合材料具有可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，有望為促進(jìn)傷口愈合及再生提供更多可能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

脫脂棉紗布，維德醫(yī)療有限公司；吡咯單體(Py，使用前需減壓蒸餾提純)，純度大于98%，Alfa Aesar公司；環(huán)己烷，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉(NaCl)，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；5-磺基水楊酸鈉(SSANa)，分析純，上海羅恩化學(xué)試劑有限公司；乙醇，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；CS，脫乙酰度為75%～85%，Sigma-Aldrich公司；濃鹽酸(HCl)，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；30%過氧化氫(H2O2)，分析純，滬試國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水。

馳久524 G型磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；CHI-660E型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；FlexSEM 1000型掃描電子顯微鏡(SEM)，日立高新技術(shù)有限公司；Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，珀金埃爾默儀器有限公司；D/max-2550 VB/PC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(XRD)，株式會(huì)社理學(xué)有限公司；TGA 4000型熱重分析儀(TGA)，珀金埃爾默儀器有限公司；OCA15EC型接觸角測量儀，迪飛儀器有限公司；FE28型pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；ME204E/02型精密分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SCIENTZ-10 N型冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 導(dǎo)電紗布制備

按照文獻(xiàn)[12]的方法制得的PPy/棉紗布具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，其表面電阻可達(dá)2 S/cm。將脫脂棉紗布裁剪成5 cm×5 cm的大小，置于直徑10 cm的玻璃培養(yǎng)皿中，加入10 mL濃度均為0.36 mol/L的FeCl3和SSANa的混合溶液，于-24 ℃下預(yù)冷至液體凍結(jié)，隨后加入10 mL環(huán)己烷和Py(0.36 mol/L)的混合溶液，于2 ℃下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后,將試樣用濃度為0.1 mol/L的鹽酸、無水乙醇和去離子水交替洗滌數(shù)次，于室溫下晾干。

1.3 CS水凝膠在導(dǎo)電紗布上的電泳沉積

稱量一定質(zhì)量的CS粉末放入去離子水中，逐滴加入濃度為1 mol/L的鹽酸溶液，磁力攪拌一定時(shí)間使得CS粉末溶解。使用砂芯漏斗配合循環(huán)水真空泵抽濾除去不溶雜質(zhì)，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CS溶液，調(diào)節(jié)溶液pH為4.5，向溶液中加入H2O2，使混合液中的H2O2濃度為0.1 mol/L。根據(jù)試驗(yàn)需要向CS溶液中加入一定質(zhì)量的NaCl，溶液現(xiàn)用現(xiàn)配。電泳沉積在電化學(xué)工作站上進(jìn)行，工作模式設(shè)置為恒電壓模式，采用兩電極體系，以鉑片為對(duì)比電極(陽極)，將所制備的導(dǎo)電紗布裁剪為1 cm×2 cm大小作為工作電極(陰極)。沉積一定時(shí)間后，制備的CS/PPy/棉紗布用去離子水輕輕沖洗后進(jìn)行冷凍干燥。

1.4 性能測試與表征

1.4.1 試樣結(jié)構(gòu)表征及性能測試

使用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。使用傅里葉變換紅外光譜儀分析試樣的化學(xué)成分，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1。使用轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對(duì)試樣的結(jié)晶性能進(jìn)行分析，掃描角度范圍為0°～90°。使用熱重分析儀在氮?dú)獗Ｗo(hù)下對(duì)試樣的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，溫度范圍為30～800 ℃。

1.4.2 水凝膠沉積量的計(jì)算

稱取PPy/棉紗布電極的質(zhì)量為m1，經(jīng)電沉積并冷凍干燥后的CS/PPy/棉紗布電極質(zhì)量為m2，CS/PPy/棉紗布上CS水凝膠的面積為S，計(jì)算單位面積上的CS沉積量(G)計(jì)算如式(1)所示。

G=(m2-m1)/S

(1)

1.4.3 試樣孔隙率測試

根據(jù)文獻(xiàn)[13]采用比重瓶法測量試樣內(nèi)部孔隙率。在恒溫條件下，用比重瓶裝滿乙醇，稱得質(zhì)量為mp1，將質(zhì)量為mS的試樣浸入乙醇中，多次抽真空并超聲使得試樣內(nèi)部氣泡脫除，待乙醇完全填滿試樣的孔隙后，向比重瓶中加滿乙醇，稱得質(zhì)量為mp2；取出浸滿乙醇的樣品，稱取剩余的乙醇與比重瓶的質(zhì)量為mp3；VS為多孔材料自身體積；VP為多孔材料的孔隙體積。設(shè)乙醇密度為ρe，則試樣內(nèi)部孔隙率(ε)通過式(4)計(jì)算。

VS=(mp1-mp2+mS)/ρe

(2)

VP=(mp2-mp3-mS)/ρe

(3)

(4)

1.4.4 試樣溶脹率測量

采用稱重法測量試樣的溶脹率，稱取干燥狀態(tài)下的試樣質(zhì)量為mD，隨后將試樣浸沒于去離子水中一定的時(shí)間，使其充分吸水，將試樣取出，用濾紙吸除試樣表面的去離子水后再次稱取其質(zhì)量mT,則溶脹率(SR)通過式(5)計(jì)算。

(5)

1.4.5 潤濕性測量

使用接觸角測量儀測量試樣的靜態(tài)水接觸角，每個(gè)試樣測量5次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 CS水凝膠的電泳沉積

CS是一種對(duì)pH響應(yīng)的陽離子多糖，由于伯氨基的質(zhì)子化，可以將其pH值提高到大于6.3來經(jīng)歷可逆的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變[14]。在電泳沉積過程中，陰極附近的H+被消耗，局部的pH值升高，部分CS分子去質(zhì)子化，并從溶液中析出形成凝膠[15]。

在陰極電壓為0和-3 V的情況下，不同時(shí)間下CS/PPy/棉紗布表面CS的負(fù)載情況如圖1所示。在未施加陰極電壓的情況下，由于浸漬作用，紗布表面只有極少量的CS附著。然而在施加-3 V陰極電壓的情況下，短時(shí)間內(nèi)紗布表面即有明顯的半透明狀的CS水凝膠的沉積，通過電鏡照片可發(fā)現(xiàn)紗布表面附著了一層致密的CS水凝膠膜，并且隨著通電時(shí)間的增加，CS的沉積量也增加，逐漸覆蓋了紗布表面。

為了進(jìn)一步分析CS的沉積狀況，研究在不同電壓和NaCl濃度的條件下，預(yù)定時(shí)間點(diǎn)水凝膠的沉積質(zhì)量，結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知，CS沉積的量隨電壓的增大而增大，并且隨著沉積時(shí)間的增長，CS的沉積速率呈減小趨勢(shì)，主要原因是沉積過程中試樣電阻增大，使得電解反應(yīng)減弱，沉積速率下降。試樣電阻的增加來自兩方面：一方面,CS沉積量增大使得試樣表面電阻增大；另一方面,通電過程中，試樣表面的聚吡咯發(fā)生了脫摻雜使得其自身電阻增大。由圖2(b)可知，當(dāng)電解液中加入可溶性鹽后，增加了電解液的導(dǎo)電性，電解反應(yīng)增強(qiáng)，CS的沉積量明顯增多。當(dāng)電解液中的NaCl濃度為10 mmol/L時(shí)單位時(shí)間內(nèi)CS沉積量最大，當(dāng)繼續(xù)增加NaCl濃度時(shí)，CS沉積量開始減小。這一現(xiàn)象是由于NaCl的加入產(chǎn)生了電場屏蔽作用，阻礙CS向陰極遷移，隨著NaCl濃度增大，這種屏蔽作用使陰極上的CS沉積量開始減少。

圖1 電壓為0和-3 V時(shí)制備的CS/PPy/棉紗布的宏觀照片和SEM圖像Fig.1 Macro pictures and SEM images of the CS/PPy/cotton gauze prepared with voltages of 0 V and -3 V

圖2 CS沉積量與輸入電壓或電解液中NaCl濃度的關(guān)系Fig.2 The relationship between the amount of CS deposited and the input voltage or the concentration of NaCl in the electrolyte

2.2 沉積工藝參數(shù)對(duì)試樣微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控

文獻(xiàn)[16]研究表明，材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞的黏附、遷移和增殖分化等行為具有調(diào)控作用。利用電泳沉積的方式制備CS水凝膠，可實(shí)現(xiàn)CS水凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率的調(diào)控，對(duì)于材料的多樣化應(yīng)用具有積極意義。陰極電壓均為-3 V、沉積時(shí)間均為4 min時(shí)，不同NaCl濃度下CS水凝膠涂層的SEM圖像如圖3所示。

圖3 不同NaCl濃度下CS水凝膠涂層的SEM圖像Fig.3 SEM images of CS hydrogel coating under different NaCl concentrations

由圖3可知，在沉積電壓和時(shí)間相同的條件下：當(dāng)電解液中不添加NaCl時(shí)，CS沉積在PPy/棉紗布表面，形成一層較為致密的膜；當(dāng)電解液中加入NaCl后，CS的沉積量明顯增多，覆蓋紗布原有結(jié)構(gòu)，并且表面出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)。隨著NaCl濃度的增大，孔隙直徑和孔隙率均增大，電解液中NaCl濃度分別為10、15、20 mmol/L時(shí)，CS水凝膠的孔隙率分別為(50.3±3.9)%、(64.6±1.2)%和(84.7±2.6)%。電解液中的可溶性NaCl對(duì)電場具有屏蔽作用，會(huì)使沉積過程中CS大分子鏈的遷移和排列受阻，因此更多的CS大分子原位去質(zhì)子化析出，形成結(jié)構(gòu)更為疏松多孔的凝膠結(jié)構(gòu)。當(dāng)NaCl濃度進(jìn)一步增大(大于20 mmol/L)時(shí)，電場屏蔽作用會(huì)導(dǎo)致CS水凝膠原有的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，通過SEM照片觀察可發(fā)現(xiàn)水凝膠表面出現(xiàn)較多的碎裂片層，表面孔隙均勻性較差。

電解液中NaCl濃度均為10 mmol/L和沉積時(shí)間均為4 min時(shí)，不同電壓下CS水凝膠涂層的SEM圖像，如圖4所示。由圖4可知，在其他沉積參數(shù)相同的情況下，沉積電壓的增大對(duì)水凝膠的沉積具有不利影響。因?yàn)樵谳^大電壓下水的電解加劇，陰極產(chǎn)生大量氫氣泡，破壞凝膠的原有孔隙結(jié)構(gòu)。從圖4可以看到，當(dāng)電壓為-5 V時(shí)凝膠表面開始出現(xiàn)因氣泡破裂導(dǎo)致的大孔，當(dāng)電壓為-7 V時(shí)出現(xiàn)了巨大的氣泡孔，影響材料的均勻性和完整性。

圖4 不同電壓下CS水凝膠涂層的SEM圖像Fig.4 SEM images of CS hydrogel coating under different voltages

2.3 結(jié)構(gòu)表征

圖5 試樣的紅外光譜圖和X射線衍射圖Fig.5 FTIR and XRD of the samples

圖6為不同試樣的熱重曲線和DTG曲線。由圖6可知，PPy/棉紗布的熱失重表現(xiàn)出雙組分材料分解的特征，PPy/棉紗布與純棉紗布相比，前者初始分解溫度減小，由于在導(dǎo)電聚合的過程中使用的FeCl3對(duì)紗布具有一定腐蝕作用，使得其熱穩(wěn)定性下降。當(dāng)沉積電壓為-3 V，電解液中NaCl濃度為10 mmol/L時(shí)，利用CS/PPy/棉紗布樣品的熱重曲線可計(jì)算出CS組分的含量為81.4%。在PPy/棉紗布上沉積CS后形成CS/PPy/棉紗布的TG曲線只有一個(gè)失重階段，因?yàn)榧僀S試樣的失重溫度區(qū)間較廣，與棉纖維素和聚吡咯重合，因此試樣整體顯示出一個(gè)失重階段。

圖6 試樣的熱重曲線和熱重微分曲線Fig.6 TG and DTG curve of the samples

2.4 溶脹率與接觸角分析

NaCl濃度的改變可以調(diào)控CS水凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率，進(jìn)而影響試樣的溶脹性能，溶脹性能是醫(yī)用敷料的重要指標(biāo)。試樣表面的親疏水性能影響蛋白質(zhì)吸附以及細(xì)胞的黏附、遷移和增殖分化[21]，因此對(duì)不同NaCl濃度下所制試樣的溶脹率和接觸角進(jìn)行了測試。在電壓為-3 V、沉積時(shí)間為4 min時(shí)，不同NaCl濃度下沉積所得的CS/PPy/棉紗布試樣的溶脹率和水接觸角如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著電解液中NaCl濃度的增大，CS/PPy/棉紗布的溶脹率也增大。這是因?yàn)镹aCl濃度增大使得CS/PPy/棉紗布表面的CS凝膠孔隙率增大，結(jié)構(gòu)更為疏松，所以CS/PPy/棉紗布具有更好的吸水性能。PPy/棉紗布疏水性較高，水接觸角可達(dá)137.1°。由圖7(b)可知，經(jīng)過電沉積制備的CS/PPy/棉紗布表面具有一層相對(duì)親水的CS,因此接觸角減小。隨著NaCl濃度的增大，CS/PPy/棉紗布表面的孔徑尺寸增大，液滴更容易進(jìn)入試樣內(nèi)部，試樣表面的接觸角逐漸減小。

圖7 不同NaCl濃度下制備的CS/PPy/棉紗布的溶脹率和水接觸角Fig.7 The swelling rate and water contact angle of CS/PPy/cotton gauze prepared at different NaCl concentrations

3 結(jié) 語

以PPy/棉紗布為基底，利用電泳沉積的方式制備CS/PPy/棉紗布，研究電泳沉積工藝參數(shù)對(duì)材料沉積動(dòng)力學(xué)以及微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的影響，并對(duì)材料的物化性能、溶脹率及接觸角進(jìn)行了分析表征，得出以下主要結(jié)論：

(1)CS水凝膠的電沉積是一種物理過程，不涉及化學(xué)反應(yīng)。水凝膠的沉積速率隨著時(shí)間的增加而減小，可以通過輸入電壓、NaCl濃度來調(diào)節(jié)CS水凝膠的沉積速度。當(dāng)電壓為-3 V時(shí)，不易產(chǎn)生氣泡，CS水凝膠涂層相對(duì)完好；當(dāng)NaCl濃度為10 mmol/L時(shí)，CS的沉積速度最大。

(2)CS水凝膠涂層的微觀結(jié)構(gòu)可以通過電解液中NaCl濃度進(jìn)行調(diào)控，隨著NaCl濃度的增大，CS水凝膠的孔徑和孔隙率增大，進(jìn)而影響材料的溶脹率以及接觸角的大小，提高了脫脂棉紗布材料的功能性。

(3)該CS/PPy/棉紗布具有生物功能性表面、可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，有望成為促進(jìn)傷口愈合及再生的高性能敷料。