載藥聚偏氟乙烯傷口敷料的制備及其性能

吳倩倩， 李 珂， 楊立雙， 付譯鋆， 張 瑜， 張海峰，2

(1. 南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019； 2. 南通大學 安全防護用特種纖維復合材料研發國家地方聯合工程研究中心， 江蘇 南通 226019)

隨著世界人口老齡化問題的日趨嚴重，褥瘡、潰瘍等老年人易患的慢性疾病俞來俞多。這些疾病存在恢復期長、易形成瘢痕等問題，因此對傷口敷料性能方面有更高的要求。傳統醫用敷料如紗布、棉巾等存在傷口保濕性差、更換時牽扯傷口、難以實現有效促進傷口愈合、掉落棉絮不衛生等問題[1]。因此，研究開發高性能傷口敷料具有重要的社會價值和實際應用意義。

目前，已研發出多種新型醫用敷料，如液體類敷料、薄膜類敷料、水凝膠敷料、水膠體敷料、泡沫類敷料和藻酸鹽類敷料等等，這些敷料通過不同機制發揮作用，包括促進細胞增殖、抑制細菌等[2-4]。其中，通過靜電紡絲法制備出的納米纖維因其具有比表面積高、長徑比大、組成成分可控和延展性好等特點，在載藥及藥物緩釋方面有應用優勢，被廣泛應用于生物醫用敷料領域[5]。已有研究表明，電刺激可以加速生長因子的分泌和細胞的增殖分化等功能，但將其應用到醫用敷料領域的研發尚少。

聚偏氟乙烯(PVDF)具備耐磨性好、耐化學試劑侵蝕和電學性能穩定等優點[6-7]，是一種多晶型聚合物，通常主要包括α，β，γ 3種晶型。其中，壓電效應最強的為β晶型的，所以具有β晶型的PVDF表現較強的壓電性[8]。PVDF是目前已發現壓電性最強的聚合物，施力后可以產生良好的電信號。人體表皮存在電場，傷口附近輕微的電刺激可以促進細胞增殖分化[9]。鹽酸恩諾沙星(Enro)是第3代喹諾酮類抗菌藥物[10]，具有廣譜抗菌活性和強滲透性，對多種革蘭氏陰性桿菌和球菌如大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等有良好的抗菌效果。

本文采用靜電紡絲技術，以PVDF為原料并負載Enro，通過高壓電場對聚合物流體產生拉伸作用，制備出具有β晶型的抗菌復合納米纖維膜[11]。由于其具備優異的壓電性能，可在輕微施力后產生一定的電信號，刺激細胞再生，與Enro抗菌性能協同作用，對傷口愈合起促進作用，在傷口敷料研究領域具有潛在應用前景。

1 試驗部分

1.1 試劑及儀器

聚偏氟乙烯(PVDF)(相對分子質量為110萬，法國阿科瑪)、鹽酸恩諾沙星(Enro)(純度≥98%，河北久鵬制藥有限公司)、丙酮(分析純，純度≥99.5%，上海凌峰化學試劑有限公司)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(分析純，純度≥99.5%，西隴化工股份有限公司)。

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器(邦西儀器科技(上海)有限公司)、TL-Pro-10 W型高壓靜電紡絲機(四川致研科技有限公司)、GZX-GF-101AB-2型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海華聯環境試驗設備有限公司)、KYKY2800型掃描電子顯微鏡(北京中科科儀技術發展有限公司)、Nicoiet IS 1型傅里葉紅外光譜儀(上海精密儀器儀表有限公司)、Ultima IV 型X射線衍射儀(Rigaka)、Tektronix示波器(泰克科技(中國)有限公司)、THZ-822型恒溫振蕩器(金壇市榮華儀器制造有限公司)、TU-1901型紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 紡絲液配備

將不同質量的PVDF和Enro粉末溶于DMF和丙酮(質量比為6∶4)的混合溶劑中，放入恒溫磁力攪拌器中65 ℃下攪拌至完全溶解，得到不同Enro質量分數(10%、 15%和20%)混合紡絲液。

1.2.2 納米纖維膜的制備

將混合紡絲液注入計量泵在靜電紡絲機上進行紡絲。設置紡絲參數為：接收距離20 cm、紡絲速率0.015 mL/min、紡絲電壓15 kV，在靜電紡絲機上以標準溫濕度條件(溫度為(20±1)℃，相對濕度為(65±2)%進行紡絲，探索得到最佳Enro質量分數，紡絲過程結束后于60 ℃條件下烘干。

1.3 性能測試

1.3.1 微觀形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對纖維膜的微觀形貌進行觀察分析，并隨機選取50根纖維，進行直徑測試和統計分析。

1.3.2 纖維膜化學結構測試

采用傅里葉紅外光譜儀對纖維膜進行測試，掃描范圍為4 200～300 cm-1。

采用X射線衍射儀分析纖維膜晶體結構，測試電壓為40 kV，測試電流為40 mA，掃描速度為5(°)/s，掃描角度為5°～60°。

1.3.3 壓電性能

對復合納米纖維膜(厚度為(35.7±4.7) μm)進行裁剪后(2 cm×2 cm)引出電極，用絕緣膠帶將封裝好的試樣固定在應變顯示器上，測試壓電性能。設置壓力為14 N，按電壓示波器讀取數據。

1.3.4 體外釋藥表征

將復合纖維膜(0.03 g)浸入PBS緩沖液(8 mL)，置于恒溫振蕩器中，設置溫度為37.5 ℃，分別于1、2、4、6、24、48、72、96、120、144、168 h時取出釋放液1 mL，同時補入同體積溫度緩沖液。采用紫外分光光度計測定釋放介質在271 nm下的吸光度，計算藥物累計釋放量。該試驗設置3個平行樣品。

1.3.5 抗菌性能

選取金黃色葡萄球菌為菌種，將滅菌后的復合纖維膜剪成條狀，浸于25 mL肉湯與2.5 mL菌液混合液中，在恒溫振蕩器中震蕩24 h，分別于0、1、6、12、24 h時取出并用紫外分光光度計測定液體在540 nm下的吸光度，計算菌群密度，研究分析復合纖維膜抗菌性能。該試驗設置3個平行樣品。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

2.1.1 PVDF質量分數對纖維形貌的影響

圖1為純PVDF納米纖維膜的掃描電鏡照片。可以看出，PVDF質量分數為6%時，纖維粘連呈串珠狀，這是由于紡絲液濃度和黏度太低，大分子鏈纏結不緊密，射流無法得到充分拉伸形成串珠[12]。當質量分數達到8%時，黏度和表面張力隨之變大，紡絲液形成穩定射流，串珠消失，觀察到清晰的纖維形貌且纖維粗細均勻，平均直徑為(753±128) nm。隨著質量分數進一步增大到10%，紡絲液黏度過大，射流到達接收裝置時溶劑未能完全揮發，造成纖維間粘連，形貌變差，因此，將PVDF質量分數確定為8%進行后續試驗。

2.1.2 Enro質量分數對復合纖維形貌的影響

圖2為不同濃度PVDF/Enro復合納米纖維膜的掃描電鏡照片。從圖中可看出，復合納米纖維膜的平均直徑分別為(751±122)、(987±86)、(741±165) nm。在紡絲速率一定的條件下加入Enro混紡后，隨著Enro質量分數增加，復合納米纖維膜的直徑呈先增大后減小趨勢。這是由于Enro的加入使紡絲液黏度和表面張力增大，射流的分裂作用和拉伸作用減弱，纖維直徑變大，分布范圍變寬[13]。當Enro質量分數繼續增加，由于Enro的加入使紡絲液濃度和黏度繼續增大到一定程度后，單位時間內噴射的射流所帶電荷增加使紡絲液導電率增大，射流在電場中得到充分牽伸[14]，形成較細纖維。

2.2 纖維膜化學結構分析

圖3示出PVDF粉末、Enro粉末、純PVDF納米纖維膜以及PVDF/Enro復合納米纖維膜的紅外光譜圖。

由圖3可看出：PVDF粉末在1 183、1 073、878、765 cm-1處表現出明顯的特征吸收峰，對應α晶型[15]；純PVDF納米纖維膜在841 cm-1處的特征峰對應—CH拉伸，1 400～1 000 cm-1處特征峰對應—CH和—CF拉伸振動[16]，是β晶型特征峰。靜電紡絲后，α晶型特征峰消失而出現β晶型特征峰，表明靜電紡絲極化作用使PVDF中α晶型轉化為β晶型。在純PVDF納米纖維膜光譜中觀察到的主峰也存在于PVDF/Enro復合纖維膜光譜中，表明PVDF在靜電紡絲過程中結構保持穩定。Enro粉末的光譜圖在1 160 cm-1處出現—COOH特征峰[17]。復合纖維膜中Enro特征峰略有偏移但仍存在。結果證明Enro以原有形式存在于復合納米纖維膜中，且未改變復合纖維膜晶型。

圖4為PVDF粉末、純PVDF納米纖維膜和PVDF/Enro復合納米纖維膜的XRD圖?？梢钥闯觯琍VDF粉末的X射線衍射圖在2θ為18.4°、19.9°、26.7°處呈現3個明顯的凸起峰，分別對應α晶型的(020)、(110)、(021)晶面[15-16]。而在靜電紡PVDF納米纖維膜X射線衍射圖的2θ為20.4°處觀察到一個明顯的β相結晶峰，該峰對應β晶型的(110)晶面[17-19]，同時，出現在PVDF粉末中的α相結晶峰呈大幅度減弱狀。測試結果表明，PVDF粉末中多以α晶型為主，而靜電紡PVDF纖維膜則以β晶型為主。分析原因，是由于靜電紡絲過程對PVDF溶液射流產生機械拉伸且高壓電場會帶來極化作用，同時溶劑的快速揮發使溶質凝結，對PVDF由α晶型向β晶型的轉化起到促進作用。且圖中顯示，加入Enro后，復合纖維膜的β相結晶峰明顯增強，表明Enro的存在不僅不會改變復合纖維膜晶型，還會有助于β晶型的形成，與前文FT-IR分析結果一致。

2.3 壓電性能分析

圖5示出純PVDF納米纖維膜和PVDF/Enro復合納米纖維膜的壓電性能測試結果。

由圖5(a)可知，靜電紡絲后，PVDF納米纖維膜在壓力作用下產生電壓，輸出值為6 mV，具備壓電性能。這是因為靜電紡絲極化作用使PVDF的晶型由α相轉變為β相，而具備β晶型的納米纖維膜壓電效果良好，證實了PVDF中β晶型的存在，與前文晶型分析結果一致，且PVDF確實具備壓電效應。隨著Enro含量增加，圖5(b)～(d)中顯示復合纖維膜的輸出電壓逐漸增大，當Enro質量分數為20%，輸出電壓達到9 mV。結果表明抗菌藥物的加入有助于β晶型形成，使得復合納米纖維膜輸出電壓升高，壓電性能增強。有研究表明，壓電效應可刺激細胞再生，使細胞增殖分化，從而達到促進傷口愈合的目的[20]，可以與抗菌藥物的抗菌能力協同發揮更大的醫用價值，使傷口敷料具備更加強大的功效。

2.4 藥物模擬體外釋藥分析

圖6示出Enro標準曲線。根據圖6的數據進行線性回歸擬合，可以得到Enro的標準曲線方程：y=0.107 88x，即標準曲線的斜率為0.107 88。

圖7示出PVDF/Enro復合納米纖維膜體外模擬累計釋放曲線。可以看出，在開始的2 h內，Enro的累計釋放率有明顯增加，但數值較低，分別為7.1%(Enro-10%)、7.9%(Enro-15%)和8.3%(Enro-20%)。該結果表明藥物在初期釋放速度較低，可避免產生藥物突釋的現象[21]。72 h以后隨時間延長，藥物仍在釋放但速度減慢，此時對應的累計釋放曲線逐漸平坦，逐漸達到動態平衡，累計釋放率分別為81.1%(Enro-10%)、85.6%(Enro-15%)和87.9%(Enro-20%)，因此，載藥PVDF復合納米纖維膜藥物釋放速度平穩且持續釋放時間長。

2.5 抗菌性能分析

圖8示出不同時間節點載藥前后PVDF納米纖維膜的菌群密度。本文選用純PVDF纖維膜作為空白試樣，Enro質量分數為15%的復合納米纖維膜作為對照試樣。

圖8顯示，空白試樣上菌群密度隨著時間的推移逐漸增加，且增幅較大，說明細菌在空白試樣上24 h內迅速繁殖。而對照試樣上菌群密度雖有所增加，但增幅較小且明顯小于空白試樣，因此可證實，PVDF/Enro復合納米纖維膜具有一定抗菌性能。

3 結 論

通過靜電紡絲制備了PVDF/Enro復合納米纖維膜，并對其微觀形貌、化學結構、晶型、壓電性能和抗菌性能進行研究分析，得到以下結論。

1)PVDF質量分數為8%時，纖維分布清晰，成形良好，平均直徑為(753±128) nm。PVDF/Enro復合納米纖維膜的直徑隨Enro質量分數的增加呈先增大后減小趨勢。

2)紅外和X射線衍射結果顯示：靜電紡絲產生極化作用，促使PVDF中α晶型轉變成β晶型，且Enro的加入對纖維膜晶型未造成改變；壓電測試結果表明，純PVDF纖維膜輸出電壓為6 mV，Enro質量分數越大，壓電效應越強，Enro質量分數為20%時，復合納米纖維膜輸出電壓為9 mV；藥物緩釋和抗菌測試結果顯示，PVDF/Enro復合納米纖維膜釋藥速度平穩，持續釋放時間長且具備一定的抗菌性能。