用于負壓封閉引流的氧化石墨烯改性聚乙烯醇海綿的配方優化

摘要：本實驗通過利用單因素實驗確認了聚乙烯醇，氧化石墨烯，發泡劑山梨酯，交聯劑甲醛，催化劑硫酸5個因素在聚乙烯醇海綿改性過程中的劑量范圍，結果表明：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L。然后使用Design-Expert軟件作響應面法設計5因素3水平實驗，并根據設計的實驗方案得到海綿綜合評分進行響應面分析，最后得出海綿的關鍵性能保水性能受氧化石墨烯含量影響較明顯，受其它因素影響較小;最佳配方為硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L。

關鍵詞：氧化石墨烯改性聚乙烯醇海綿;單因素實驗;響應面分析;保水性最佳配方

1 引言

負壓封閉引流技術，是一種創面治療方式：它將醫用海綿覆蓋于創面，并用半透膜進行密封，連接負壓動力源，使局部處于負壓環境，從而可以將創面壞死組織和滲透液通過引流管排出體外，為創面修復和后期恢復創造良好生長環境。醫用海綿主要有聚乙烯醇海綿和聚氨酯海綿這兩種[1]。聚乙烯醇海綿具有良好的生物相容性和親水性，對人體無害，對皮膚無刺激性[2]。所以聚乙烯醇海綿更具有臨床使用優勢。

碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。石墨烯是碳材料中活性較強的材料[3]，為了充分發揮器優良性，改善其分散性和溶解性，可以使用氧化石墨烯，如果能在聚乙烯醇海綿中加入功能化的氧化石墨烯，對其生物安全性，和保水性對會有一定改善 [3]。

本實驗首先對石墨烯氧化，然后利用單因素實驗分析了氧化石墨烯、聚乙烯醇、交聯劑、發泡劑和催化劑的各組分含量對石墨烯海綿制備的影響，并采用響應面設計對各主效因素進行了參數優化[4][5]，獲得最佳配方組分，對其基本理化生性能進行測定并驗證，得到了一種新的氧化石墨烯改性聚乙烯醇海綿配方。

2 實驗部分

2.1材料與儀器

2.1.1 試劑

聚乙烯醇（PVA，平均聚合度為2488，日本可樂立），石墨烯（鄭州富樂化工），甲酸（國藥集團化學試劑有限公司），硫酸（國藥集團化學試劑有限公司），山梨酯（國藥集團化學試劑有限公司 ），甲醛（國藥集團化學試劑有限公司），戊二醛（ 國藥集團化學試劑有限公司），

2.1.2 儀器與設備

反應釜（定制），輻照設備（中金輻照武漢有限公司），真空冷凍干燥機（上海拓紛機械設備有限公司），千分之一分析天平（上海力辰儀器科技有限公司），負壓吸引機（武漢凱信醫療設備有限公司）

2.2制備原理

2.2.1石墨烯的氧化：按重量比1：10稱取石墨烯粉末和濃度為20%甲酸溶液，將石墨烯加入酸性溶液中，在溫度為2～9攝氏度條件下分散均勻，得到羧基改性的氧化石墨烯溶液，冷凍干燥，得到的粉末即為氧化石墨烯。

2.2.2改性石墨烯海綿的制備原理與方法

將聚乙烯醇溶于水中，然后加入氧化石墨烯，再依次加入發泡劑山梨酯，催化劑硫酸和交聯劑甲醛，并在溫度為55-95攝氏度條件下固化形成氧化石墨烯改性海綿，然后利用蒸餾水清洗到pH=6.8～7.3切割成15×10×1cm規格，25kg劑量輻照滅菌處理，保存。

2.3單因素實驗設計

2.3.1固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分別為190g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，只改變催化劑硫酸的含量為10g/L，30g/L

，50g/L，70g/L，90g/L，110g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海綿，對產品進行理化檢測并綜合評價。

2.3.2固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、硫酸的含量分別為190g/L，0.5g/L，3.5g/L，85g/L，只改變交聯劑甲酸的含量為90g/L，120g/L，

150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海綿，對產品進行理化檢測并綜合評價。

2.3.3固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、硫酸、甲醛的含量分別為190g/L，0.5g/L，85g/L，180g/L，只改變發泡劑山梨酯的含量為1g/L，3g/L，

5g/L，7g/L，9g/L，11g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海綿，對產品進行理化檢測并綜合評價。

2.3.4固定聚乙烯醇、硫酸、山梨酯、甲醛的含量分別為190g/L，85g/L，3.5g/L，180g/L，只改變氧化石墨烯的含量為0.1g/L，0.3g/L，

0.5g/L，0.7g/L，1.1g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海綿，對產品進行理化檢測并綜合評價。

2.3.5固定硫酸、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分別為85g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，190g/L，只改變聚乙烯醇的含量為90g/L，120

g/L，150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海綿，對產品進行理化檢測并綜合評價。

2.4響應面實驗設計

在單因素實驗的基礎上，確定各因素取值范圍，按照Box-Behnken法進行響應面實驗設計來優化產品配方，因素水平編碼見表

2.5性能檢測方法

保水性能測試：將切割好的規格為15×10cm，厚度為1厘米的海綿吸收50ml蒸餾水后，利用負壓吸引機在200mmhg負壓下進行臨床模擬抽吸實驗，72小時后，觀察海綿狀態。

3 結果討論

3.1改變催化劑硫酸的含量，固定其他組分的含量，合成石墨烯海綿。當硫酸含量在70g/L-110g/L時，海綿成型成孔，中間未抽干，海綿保水性良好。

3.2改變交聯劑甲酸的含量，固定其他組分的含量，合成石墨烯海綿。當甲醛含量在150g/L-210g/L時，海綿成型成孔，中間未抽干，海綿保水性良好。

3.3 改變山梨酯的含量，固定其他組分的含量，合成石墨烯海綿。當山梨醇含量在7g/L-11g/L時，海綿成型成孔，中間未抽干，海綿保水性良好。

3.4 改變氧化石墨烯的含量，固定其他組分的含量，合成石墨烯海綿。當氧化石墨烯含量在0.5g/L-0.7g/L時，海綿成型成孔呈淺灰色，中間未抽干，海綿保水性良好。

3.5 改變聚乙烯醇的含量，固定其他組分的含量，合成石墨烯海綿。當聚乙烯醇含量在150g/L-210g/L時，海綿成型成孔，中間未抽干，海綿保水性良好。

3.6根據單因素試驗中聚乙烯醇，氧化石墨烯，山梨酯，甲酸，硫酸對氧化石墨烯海綿的理化性能影響，確定響應面設計中每個因子的適宜范圍是：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L

3.7響應面設計是一種很好的數學統計方法，可以尋找多因素系統中最佳的條件，本實驗利用D設計，為5因素，3水平（高水平，中水平，低水平），共43次獨立實驗，每次實驗3個平行取平均值，綜合評分為響應值為y，綜合評分是根據表觀形態，保水性能以及海綿在負壓機抽負壓72h后海綿的軟硬狀態，遇水后變軟的恢復狀態（是否均勻恢復，或者不均勻恢復等細節）判斷。實驗設計及結果見表1

對綜合評分影響顯著plt;0.0001的是一次項X4，二次項X42，影響順序為X4gt;X3gt;X1gt;X5gt;X2。本實驗p值為0.0492，是顯著的，無失擬因素存在，因此可用該回歸方程代替實驗真實點對結果進行分析。其決定系數為R2為92.05%，說明由這五個因素及其二次項能解釋y變化的92.05%，擬合程度較高。

3.8 因素之間的交互作用

如圖所示響應面坡度較陡峭說明響應值受因素變化較明顯，說明綜合評分受氧化石墨烯含量影響較明顯。如圖所示響應面坡度比較平緩說明響應值受因素變化的影響較小。說明綜合評分受硫酸，甲醛，山梨酯，聚乙烯醇影響較小。這與方差結果都是一致的。

3.9 驗證性實驗

通過響應面優化得出的最佳配方是硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，理論最高綜合評分96.1983。為了進一步驗證模型的正確性與可靠性，按最有條件進行試驗驗證，重復三次獲的綜合評分為95.5，與預測值吻合較好。

4 結論

利用單因素實驗研究海綿的關鍵性能：表觀形態，保水性能，發現5個因素的配方適宜范圍為：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150 g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L;利用Design-Expert軟件作響應面設計5因素3水平實驗，43個實驗項，進行響應面分析，最后得出海綿的關鍵性能保水性能受氧化石墨烯含量影響較明顯。并根據設計的實驗方案分析得出最佳配方為硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，海綿的綜合評分可達96.1983，經驗證后，重復三次獲的綜合評分為95.5，與預測值吻合較好。

參考文獻：

[1]唐文力，黃瑜，謝曦. 醫用聚氨酯泡沫輔料的研究及配方優化[J]. 海南大學學報自然科學版，2016，34（1）：19-24.

[2]孫瑞煥，毛立江，胡元潔，等.離子型聚乙烯醇海綿的結構及性能[J].中國康復理論與實踐，2000，6（2）：56-58

[3]鄭信民，王怡軫，朱仁佑，等.石墨烯-聚乙烯醇奈米復合材料之制程與機械性質[J]，材料科學，2015，5：103-110.

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[5]單聯剛，李洪濤，馬林. 木薯醇紫薯海綿蛋糕的配方優化[J].食品工業科技，2016，37（16）：296-301.