高吸液性醫用紗布制備工藝的優化

錢璐敏，張 斌,b，張亞軍

(東華大學 a.紡織學院； b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620)

皮膚的總表面積達1.5～2.0 m2，是人體最大的器官[1]，因其直接與外界環境接觸而易受傷。 受傷的皮膚在清創后，常用紗布覆蓋包扎，以保護傷口，促進愈合。 在傷口愈合的初期，會產生大量滲出液，紗布需具備良好的吸液性能[2]。 然而，目前使用的傳統紗布因其吸液性能有限[3]，在使用過程中需要頻繁更換，以保證傷口的干燥。 這不僅增加了紗布用量和醫療費用，而且也增加了醫務人員的工作量。

為提高紗布的吸液性能，對其進行羧甲基化改性是行之有效的方法之一[4]。 目前，對醫用紗布羧甲基化改性的研究主要集中在制備工藝方面，探討一些因素對紗布吸液性能的影響[5-10]，而涉及工藝優化的較少。 張楠楠[11]和閆永海[4]先后采用正交試驗法對羧甲基化棉紗布的制備工藝進行了優化，但該方法獲得的最優工藝只能從試驗水平中選擇。 二次通用旋轉組合設計是正交回歸組合設計的一種，其不僅保留了正交試驗的優點，即試驗次數比較少、部分消除了回歸系數間的相關性，而且具有旋轉性，克服了回歸正交設計中二次回歸預測值的方差依賴于試驗點在因子空間中位置的缺點[12]。

二次通用旋轉組合設計法優化工藝已在較多領域得到了應用，但尚未發現該方法應用于高吸液性醫用紗布制備工藝的優化研究中。 因此，本文將二次通用旋轉組合設計優化法應用于制備高吸液性醫用紗布，研究紗布羧甲基化改性中一些重要工藝參數對紗布吸液性能的影響，以獲得較優的制備工藝。

1 試 驗

1.1 主要材料與試劑

材料: 醫用脫脂棉紗布(平紋，27.8 tex×27.8 tex，110根/10cm×102根/10cm，曹縣康源醫用衛生材料有限責任公司)。

試劑: 氫氧化鈉(平湖化工試劑廠)、氯乙酸(國藥集團化學試劑有限公司)、乙酸(上海凌峰化學試劑有限公司)、無水乙醇(常熟市楊園化工有限公司)、氯化鈣(上海凌峰化學試劑有限公司)，氯化鈉(上海凌峰化學試劑有限公司)。 以上試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設備

TP-114型電子天平(丹佛儀器北京有限公司)，DK-S28型電熱恒溫水浴鍋(上海森信實驗儀器有限公司)，DHG-9420A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)，YG026H-II型電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)。

1.3 醫用紗布的羧甲基化改性處理

本文采用水媒法進行羧甲基化改性，制備高吸液性醫用棉紗布[11]。 制備流程: 紗布堿化醚化中和、洗滌、烘干高吸液性紗布。 具體試驗操作: 裁剪一定大小的紗布，將其放入一定質量分數的氫氧化鈉溶液中，在30 ℃下浸漬20 min； 配制一定質量分數的氯乙酸溶液后，將溶液pH值調至醚化所需值，放入紗布，在一定溫度下醚化處理5 h后用乙酸調節pH值至中性；再用乙醇/蒸餾水(體積比為80/20)洗滌紗布數次，烘干后即得產物。

1.4 醫用紗布吸液性能的測試

本文參照國際上常用的測試創面用敷料吸濕性的方法[13]，采用吸濕稱重法測試紗布的吸液性能。 裁制5 cm×5 cm紗布，準確稱量其干質量為m0，將其放入142 mmol/L NaCl和2.5 mmol/L CaCl2·2H2O的混合溶液(1 L)中，吸液30 min， 取出紗布，懸掛30 s后，稱取紗布的濕質量為m1。 單位質量紗布的吸液量(Q)計算如式(1)所示。

(1)

1.5 醫用紗布力學性能的測試

采用電子織物強力機，將在20 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕條件下平衡回潮48 h后的試樣進行經緯向拉伸斷裂性能測試[14]。 試樣寬度為50 mm，夾持距離為100 mm，預加張力為0.2 cN，拉伸速度為100 mm/min。

2 結果與討論

2.1 回歸方程的建立

前期試驗發現氫氧化鈉質量分數、氯乙酸質量分數和醚化溫度對紗布吸液性能的影響較大，因此在前期試驗的基礎上，確定每個因素的水平進行二次通用旋轉組合設計，試驗的因素、水平及編碼如表1所示。

表1 試驗的因素、水平及編碼Table 1 The experimental factors, levels and coding

根據二次通用旋轉組合設計的參數表[15]，當試驗因素為3時，零水平、析因和星號臂上試驗次數分別為6、8和6，因此試驗總次數為20次，試驗的具體方案和結果如表2所示。

表2 二次通用旋轉組合設計試驗方案及結果

(續 表)

根據表2結果，利用最小二乘法計算各項回歸系數，然后將其代入方程，所得紗布吸液量(Y1)與3個因素(X1、X2和X3)間的回歸方程如式(2)所示。

Y1=5.81+1.04X1-0.001 565X2+0.32X3+
0.07X1X2-0.5X1X3- 0.11X2X3- 0.75X12-
0.74X22-0.23X32

(2)

2.2 回歸方程的方差分析和顯著性檢驗

對回歸方程式(2)進行方差分析，結果如表3所示。

表3 回歸方程的方差分析結果Table 3 Variance analysis results of regression equation

由表3可知，回歸方程的失擬檢驗F1=4.91 0.05，差異不顯著，說明未控制因素對試驗結果影響很小，擬合不足可排除。模型F2= 195.95 >F0.01(9, 10) = 4.94，且P< 0.01，達到極顯著水平，說明方程的預測值與實際值擬合良好。 在顯著水平α=0.05的條件下剔除方程式(2)的不顯著項X2和X1X2后，得到優化后的回歸方程如式(3)所示。

Y1=5.81+1.04X1+0.32X3-0.5X1X3-
0.11X2X3-0.75X12-0.74X22- 0.23X32

(3)

2.3 因素的影響順序分析

由于回歸方程是經無量綱線性編碼代換后所得，因此，可以直接通過比較各項回歸系數絕對值的大小來判斷各因子的重要性。 由式(2)可知，各因素在試驗范圍內對紗布吸液性能的影響順序為: 氫氧化鈉質量分數(X1)> 醚化溫度(X3)> 氯乙酸質量分數(X2)。

2.4 因素間的交互作用分析

因素間的交互作用分析是將其中1個因素在零水平固定，然后將余下2個因素進行交互作用分析。 由表3可知，僅X1X3和X2X3存在因素間的交互作用，且達到顯著水平α=0.05，因此對此兩組因素進行交互作用分析，結果如圖1和2所示。

圖1 醚化溫度與氫氧化鈉質量分數間的交互作用Fig.1 Interaction of etherification temperature and mass fraction of sodium hydroxide

圖2 醚化溫度與氯乙酸質量分數間的交互作用Fig.2 Interaction of etherification temperature and mass fraction of chloroacetic acid

由圖1可知，當醚化溫度和氫氧化鈉質量分數均處于較低水平時，紗布的吸液量也最低。 當醚化溫度處于零水平以下，氫氧化鈉質量分數對紗布吸液量的影響比較明顯，且隨著氫氧化鈉質量分數的增大，紗布的吸液量呈增加趨勢。 因為當氫氧化鈉質量分數較低時，溶液中鈉離子較少，紗布中的纖維素與鈉離子結合生成的堿纖維素也較少，從而降低了紗布中纖維素的反應活性，同時較低的醚化溫度也不利于醚化反應的進行，因此紗布的吸液量較低；當氫氧化鈉質量分數增大以后，紗布中部分因被堿化而生成的堿纖維素含量增加，使得這部分堿化的纖維素反應活性增加，即使在較低的醚化溫度下，這些被堿化的纖維素也能發生醚化反應，將羧甲基引入被堿化的纖維素大分子鏈中，提高了紗布的吸液量。

由圖2可知，紗布的吸液量隨著醚化溫度和氯乙酸質量分數的增大呈先增加后減小的趨勢，且在醚化溫度的任意水平，醚化溫度和氯乙酸質量分數成拋物線關系。 這可能是因為適當增加氯乙酸質量分數和醚化溫度，會使紗布中因被堿化而生成的堿纖維素有更多的機會接觸氯乙酸，并與之反應生成羧甲基纖維素，從而有利于紗布吸液量的提高；但若氯乙酸質量分數增加過多，則會使反應體系的堿性下降，抑制醚化反應的進行，從而降低紗布的吸液量。

2.5 工藝參數的尋優與驗證

2.5.1 工藝參數的尋優

利用Design-Expert軟件對回歸方程進行預測分析[16]，以紗布吸液量作為優化指標，在試驗范圍內得到的一組較優的工藝如表4所示。

表4 優化工藝參數及性能預測值

由表4解碼可得，氫氧化鈉質量分數為18.5%，氯乙酸分數為20.08%，醚化溫度為58.9 ℃，此時紗布吸液量最大為6.17 g/g。 為方便實際操作，簡化工藝: 氫氧化鈉質量分數為18.5%，氯乙酸質量分數為20%，醚化溫度為59 ℃。

2.5.2 驗證試驗

采用上述優化工藝條件所制備的紗布吸液量為6.19 g/g，與預測值6.17 g/g較接近，表明建立的回歸模型準確合理。 改性前紗布的經、緯向斷裂強力分別為127和109 N，改性后紗布的經、緯向的斷裂強力分別提升至168和160 N。 脫脂棉紗布標準[13]中要求紗線線密度為27.8 tex×27.8 tex、經緯密為110根/10 cm×102根/10 cm的紗布經向強力需達到85 N，緯向強力需達到60 N，由此可知改性后的紗布強力符合標準要求。

3 結 論

(1) 通過二次通用旋轉組合設計法探究得到各因素對紗布吸液量的影響順序為: 氫氧化鈉質量分數 > 醚化溫度 > 氯乙酸質量分數，且醚化溫度和氫氧化鈉質量分數、氯乙酸質量分數間存在交互作用。

(2) 通過二次通用旋轉組合設計優化得到制備高吸液性醫用紗布較優工藝: 氫氧化鈉質量分數為18.5%，氯乙酸質量分數為20%，醚化溫度為59 ℃。 在此條件下，紗布的吸液量可以達到6.19 g/g，且其經向和緯向的拉伸斷裂強力分別為168和160 N，符合標準要求。