靜電紡PVDF/PAN/左氧氟沙星復合纖維膜的制備及性能

宋路平，閔爾君，王英灃，王旭

(安徽工程大學，紡織服裝學院，安徽蕪湖 241000)

醫(yī)用敷料在人體創(chuàng)傷組織愈合過程中起到保護創(chuàng)口、吸收滲透液、防止外界細菌感染、促進傷口愈合等作用[1]。目前，市場上大部分敷料仍以傳統(tǒng)紗布、脫脂棉、繃帶為主，這使得在更換敷料時易出現(xiàn)紗布與傷口皮膚黏連，造成傷口撕扯，進而增加患者痛苦[2]。因此，開發(fā)新型傷口敷料受到國內外研究者重視。近幾年，國內外新型敷料主要有液體類敷料、泡沫類敷料、水凝膠敷料、薄膜類敷料等[3]，其中，以靜電紡絲技術制備的纖維膜類傷口敷料，因其超高比表面積、孔隙率以及類細胞外基質結構能有效促進傷口愈合，受到學者們的廣泛關注[4]。

筆者基于靜電紡絲技術制備聚偏氟乙烯(PVDF)/聚丙烯腈(PAN)/左氧氟沙星傷口敷料。PVDF是一種具有柔性且質輕的多晶型聚合物，主要包含α，β，γ三種晶型，其中β晶型為全反式構象的極性結構，表現(xiàn)出極強的壓電效應[5-6]。靜電紡PVDF纖維膜不僅具有輕薄、柔軟的特質，且靜電紡絲有利于α晶型向β晶型發(fā)生轉變，從而增強纖維膜的壓電性能。已有研究表明給予傷口處一定電刺激，可有效促進傷口愈合[7]。但考慮到PVDF具有疏水性，在紡絲液中增加具有抗菌作用的抗生素類藥物左氧氟沙星，同時并添加改善PVDF親水性的PAN，以提高傷口敷料的綜合性能。通過對三種組分的不同配比，探討其可紡性、外觀形貌、晶型分析、親水性、體外釋藥性、抗菌性等，為該類傷口敷料的制備提供有價值的參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PVDF：相對分子量15萬，上海三愛富新材料股份有限公司上海華誼公司；

PAN：相對分子量8萬，上海巴斯夫化工有限公司；

左氧氟沙星：純度≥98%，上海麥克林試劑有限公司；

二氯甲烷(DCM)：分析純，純度≥99.5%，上海泰坦科技股份有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)：分析純，純度≥99.5%，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 主要儀器及設備

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，河南省予華儀器有限公司；

靜電紡絲機：TL-01型，深圳市通力微納科技有限公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：S-4800型，日本日立公司；

紅外光譜分析儀：IRPrestige-21型，日本島津公司；

X射線衍射(XRD)儀：D8型，德國Bruker公司；

恒溫振蕩器：BSI-3型，上海一恒儀器有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-5500PC型，上海元析儀器有限公司。

1.3 試樣制備

(1) 純PVDF紡絲液配備。

將不同質量(1.6，2.0，2.4 g)的聚偏氟乙烯粉末分別加入錐形瓶中，再往錐形瓶中滴加DMF與DCM (質量比7∶1)的混合溶劑，直至溶液總質量為20 g，再將錐形瓶放入恒溫磁力攪拌器中攪拌12 h后得到PVDF質量含量為8%，10%，12%的紡絲液。

(2) PVDF/左氧氟沙星復合紡絲液配備。

將2.0 gPVDF粉末和不同質量(0.3，0.5，0.7 g)的左氧氟沙星粉末溶于DMF與DCM (質量比7∶1)的混合溶劑中，與上述方法相同，配成左氧氟沙星質量含量分別為1.5%，2.5%，3.5%的復合紡絲液。

(3) PVDF/PAN/左氧氟沙星復合紡絲液配備。

將2.0 gPVDF粉末和不同質量(0.3，0.5，0.7 g)的左氧氟沙星粉末溶于DMF與DCM (質量比7∶1)的混合溶劑中，再往紡絲液中添加0.5 g PAN，與上述方法相同，制成左氧氟沙星含量分別為1.5%，2.5%，3.5%的復合紡絲液。將2.0 gPVDF粉末和0.3 g左氧氟沙星粉末溶于DMF與DCM (質量比7∶1)的混合溶劑中，再往紡絲液中添加不同質量(0.1，0.3，0.5 g)的PAN，與上述方法相同，制得PAN含量為0.5%，1.5%，2.5%的復合紡絲液。

(4) 靜電紡復合纖維膜納米纖維膜的制備。

將配置好的紡絲液置于注射器中在高壓靜電紡絲機上紡絲。設置紡絲參數(shù)為接收距離18 cm、紡絲速率0.9 mL/h、紡絲電壓17 kV；靜電紡絲機內部溫度設置35 ℃、相對濕度60% rh。在此條件下進行紡絲，制備出不同成分及比例的復合纖維膜，探索最佳含藥及PAN的質量分數(shù)，將制得的纖維膜放于50 ℃的烘箱烘干待用。

1.4 測試與表征

微觀形貌觀察：將制備好的復合纖維膜用雙面導電膠固定于樣品臺上噴金處理20 s后，置于掃描電子顯微鏡中進行微觀形貌觀察。

復合纖維膜化學成分測試：采用紅外光譜分析儀對復合纖維膜在4 000～500 cm-1內進行掃描，觀察其波峰。

復合纖維膜晶型測試：采用XRD粉末衍射儀對復合纖維的晶體結構進行表征。設置測試電壓為40 kV，測試電流40 mA，掃描速度5(°)/s，掃描角度5°～60°。

親水性能測試：采用接觸角儀器對含有不同質量分數(shù)PAN的復合纖維膜進行測試。

體外釋藥測試：取復合纖維膜(3.4 mg)浸入100 mL磷酸鹽緩沖液中，置于恒溫振蕩器(參數(shù)：37 ℃，130 r/min)，前兩小時每隔20 min取出4 mL溶液在293 nm處測其吸光度(OD)值，測完后立即將取出的溶液倒回，后6 h每隔3 h測其OD值。

抗菌性能測試：分別選取大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為菌種，選取無水乙醇為陽性對照組，生理鹽水為陰性對照組，將菌液與培養(yǎng)皿上的營養(yǎng)肉湯混勻，將纖維膜貼在培養(yǎng)皿上，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。觀察抑菌圈大小，計算抑菌圈直徑。該組實驗設置三個平行樣品。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

(1) PVDF質量分數(shù)對纖維微觀形貌的影響。

圖1為單紡PVDF在8 kV下的SEM圖，當紡絲液中PVDF質量含量為8%時，纖維出現(xiàn)大量串珠結構，粗細極度不均勻，考慮PVDF濃度過低，導致紡絲液整體黏度不夠，表面張力過小而不易成絲。當紡絲液中PVDF質量含量為10%時，射流在電場力的牽引下平穩(wěn)拉伸成粗細均勻的纖維[8]，紡絲效果好，纖維成形性高。當紡絲液中PVDF質量含量為12%時，紡絲液黏度過大，射流到達針頭時不能及時牽引拉伸，易形成黏連，針頭容易堵塞，不易紡絲。綜合考慮，采取10%的PVDF進行混合紡絲。

圖1 不同質量分數(shù)PVDF的紡絲液制備的純纖維膜

(2) 不同質量分數(shù)的藥物對纖維形態(tài)的影響。

當固定紡絲液中PVDF質量含量為10%時，依次添加梯度質量的左氧氟沙星及相同含量PAN，使復合紡絲液中左氧氟沙星質量含量達到1.5%，2.5%，3.5%，4.5%，并將紡絲液置于靜電紡絲機上進行紡絲。當左氧氟沙星含量為4.5%時，紡絲液出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，考慮藥物不能溶解完全，無法制備復合纖維膜。圖2a～圖2c依次為含藥量為1.5%，2.5%，3.5%的復合纖維膜電鏡圖。由圖可知，通過靜電紡絲技術可成功將PVDF、左氧氟沙星和PAN制備成復合纖維膜且纖維形貌均良好，平均直徑依次可達(1 125±105)，(1 405±85)，(1 568±90) nm。

圖2 不同質量分數(shù)左氧氟沙星紡絲液制備的復合纖維膜圖

2.2 纖維膜晶型測試分析

圖3為左氧氟沙星粉末、PVDF粉末及不同纖維膜紅外光譜圖。由圖3可知，PVDF粉末在1 189，871 cm-1處顯示明顯特征峰是C—F伸縮振動，也是α晶型主要特征峰[9]。純PVDF纖維膜在854，1 238 cm-1處顯示出β晶型主要特征峰[10]。PVDF/PAN/左氧氟沙星復合纖維膜紅外仍顯示出PVDF纖維膜主峰，表明PVDF粉末經(jīng)靜電紡絲技術紡絲成纖維膜，由α晶型轉變?yōu)棣戮?，且在加入PAN和左氧氟沙星后并未影響PVDF晶型。在純PAN纖維膜的紅外光譜中，1 454 cm-1顯示出明顯特征峰是—CH2變形振動，1 732，2 242 cm-1處分別對應羰基、氰基特征峰[11]。在左氧氟沙星粉末紅外圖譜中，1 618，1 726 cm-1處分別對應左氧氟沙星羰基的振動拉伸、羧基中的C=O伸展[12]。在復合纖維膜中左氧氟沙星和PAN的主要特征峰雖略有偏移，但仍能觀察到，表明三種物質在復合紡絲時，物質本身結構都未遭到破壞，仍穩(wěn)定存在于復合纖維膜中。

圖3 左氧氟沙星粉末、PVDF粉末及不同纖維膜紅外光譜圖

2.3 纖維膜化學成分測試

圖4為不同纖維膜及PVDF粉末的XRD圖。從圖4可以看出，PVDF粉末在2θ為18.2°，20.1°，26.6°處顯示出明顯特征峰對應α晶型[13]。經(jīng)靜電紡絲技術加工后，純PVDF纖維膜中可明顯觀察到α晶型特征峰全部消失，在2θ=22.4°處產(chǎn)生一個新峰，是β晶型特征峰[14]。分析原因，靜電紡絲過程中紡絲液在電場力下牽引拉伸成纖維過程中發(fā)生了極化，誘導PVDF結構由α晶型轉變?yōu)棣戮蚚15]。在復合纖維膜中仍顯示出與純PVDF膜相同的晶型特征峰，表明在加入PAN和左氧氟沙星后并未對PVDF晶型結構產(chǎn)生影響，PVDF仍以β晶型結構形式穩(wěn)定存在于復合纖維膜中，與前文紅外中的結果一致。β晶型具有很強壓電效應，故含有β晶型的纖維膜能對皮膚產(chǎn)生一定電刺激進而促進傷口愈合。

圖4 不同纖維膜及PVDF粉末XRD圖

2.4 親水性能測試

圖5和表1為制得的PVDF/左氧氟沙星和PVDF/PAN/左氧氟沙星復合納米纖維膜接觸角測試圖和取相同秒數(shù)間隔時測得的接觸角數(shù)據(jù)。由圖5和表1可知，在30 s時PVDF/左氧氟沙星復合纖維膜接觸角為128.6°，而在PVDF/左氧氟沙星紡絲液中添加梯度質量PAN，得到PAN質量含量為0.5%，1.5%，2.5%的復合紡絲液制備出的纖維膜在30 s時接觸角依次為114.8°，82.9°，36.5°。表明在相同時間內，添加PAN的復合纖維膜較PVDF/左氧氟沙星復合纖維膜的接觸角具有明顯的下降趨勢，且隨著PAN含量的增加，接觸角下降幅度逐漸增大。分析原因，PVDF材料中無親水基團，PVDF分子內部形成的氫鍵太強[16]，水中的電負性不足以使其氫鍵分離，故PVDF具有疏水性，PAN因含有氰基親水基團而具備親水性[17]，因此，添加PAN進行紡絲能有效提高復合纖維膜的親水性能。因此，可促進傷口表面氣液交換，維持傷口濕潤度，使纖維膜與皮膚更加貼合，給傷口處提供柔軟舒適的環(huán)境。

圖5 相同時間間隔下的不同纖維膜接觸角圖

表1 相同時間間隔下不同纖維膜的接觸角 (°)

2.5 體外釋藥測試

圖6為左氧氟沙星標準曲線及釋放曲線圖，經(jīng)線性擬合，得到左氧氟沙星的標準曲線方程Y=0.086 2X-0.009 6。根據(jù)標準曲線方程可由測出的吸光度推算出釋放體系中左氧氟沙星濃度。

圖6 藥物標準曲線及釋放曲線圖

圖6b為左氧氟沙星體外釋藥累計釋放率，可以看出左氧氟沙星在前兩個小時內快速釋放，釋放累計速率達到70%，后四個小時內藥物緩慢釋放，最終釋藥率可達約80%。表明該藥物作為傷口敷料釋藥性能優(yōu)異，根據(jù)釋放時長可應用于半日次敷料。

2.6 抗菌性能測試

圖7、圖8分別為不同左氧氟沙星含量的復合紡絲液制備出的纖維膜對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抑制效果圖。由圖可知，當復合紡絲液中左氧氟沙星質量含量分別為1.5%，2.5%，3.5%時，制備出的纖維膜對大腸桿菌抑菌圈直徑依次為2.8，3，3.5 cm，對金黃色葡萄球菌抑菌圈直徑依次為2.6，3.1，3.6 cm。表明左氧氟沙星對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有明顯的抑制作用，且隨左氧氟沙星含量的增加，抑菌圈直徑明顯增大，抑制效果逐步增強。因此該復合纖維膜具有很好的抗菌性能，適合用作傷口敷料。

圖7 藥物對大腸桿菌抗菌性能測試圖

圖8 藥物對金黃葡萄球菌抗菌性能測試圖

3 結論

通過靜電紡絲技術制備了PVDF/PAN/左氧氟沙星復合纖維膜，并對其微觀形貌、化學成分、晶型結構、親水性能、抗菌性能進行分析得到以下結論：

(1)當復合紡絲液中PVDF質量含量為10%，PAN質量含量為2.5%時，制備出的復合纖維膜的纖維粗細均勻、形貌良好，且在一定范圍內纖維直徑隨復合紡絲液中左氧氟沙星含量增加而逐漸增大。

(2)紅外和XRD測試表明紡絲過程中三種物質的化學結構均未遭到破壞，仍穩(wěn)定存在于復合纖維膜中，且PVDF由α晶型轉變?yōu)棣戮?，因此具備一定壓電效應?/p>

(3)接觸角測試表明添加PAN能有效提高復合纖維膜的親水性能?？咕鷾y試和體外釋藥表征說明復合纖維膜具有快速釋藥和優(yōu)異的抗菌性能，適用于作傷口敷料。