交聯改性對敷料用殼聚糖/聚氧化乙烯納米纖維膜性能的影響

汪希銘，程 鳳，高 晶，王 璐

(東華大學 紡織學院，上海 201620)

殼聚糖(CS)及其衍生物作為可再生天然高聚物，由于其獨特的理化性質及廣泛的來源而受到持續地關注。CS具有優異的組織相容性、生物可降解性、非致敏性、無細胞毒性以及獨特的陽離子抗菌性能[1]，因此，其在藥物遞送、藥物緩釋[2]、組織工程[3]、傷口敷料[4]等領域被大量應用。靜電紡絲是一種快速、高效地制備多尺度微納米纖維成形的手段。通過靜電紡成形的纖維膜由連續的超細纖維組成，具有高孔隙率、高透氣性、多尺度孔徑分布、高比表面積的特點[5]，且具有與細胞外基質相類似的納米纖維網絡結構。

近年來，靜電紡殼聚糖納米纖維膜作為傷口敷料的研究不斷被報道。付譯鋆等[6]以環丙沙星為藥物模型，利用靜電紡絲方法獲得了具有載藥功能的CS/聚乙烯醇(PVA)納米纖維膜，其成形良好，具有可控且相對較低的藥物釋放速率。Adeli等[7]制備了靜電紡聚乙烯醇/CS/淀粉納米纖維膜，其在干濕狀態下均表現出良好的力學性能、高孔隙率、高吸濕率和較高的水蒸氣透過率，可有效地保護傷口免受細菌感染。Chen等[8]利用序列靜電紡絲法制備了CS/PVA多層靜電紡絲膜，其優化的空間結構能夠為細胞黏附和遷移提供適宜的微環境，并表現出優異的生物相容性、抗菌活性以及促再生功能。Ren等[9]將負載廣譜抗菌藥物氯己定二葡萄糖酸酯的埃洛石納米管(HNTs)分散至絲素蛋白(SF)/CS 混合物中，通過靜電紡獲得具有微納結構的纖維膜敷料，該纖維膜兼具穩定的力學性能、抗菌活性和止血性能，較一般載藥敷料具有更長的藥物釋放時間，且具備酸性環境下藥物響應性釋放的功能，在生物醫學方面有很大的應用潛力。

由于CS具有特殊的剛性分子鏈結構及聚陽離子特性，純CS很難被溶解而紡制成納米纖維膜[10]，因此，一般將CS與其他高聚物如聚環氧乙烷(PEO)[11]或聚乙烯醇(PVA)[12]共混并溶于稀酸溶液[13]。共混物之間所形成的氫鍵導致高聚物之間的分子鏈纏結作用增大，降低紡絲溶液的導電性，從而大大地改善殼聚糖的可紡性[14]。此外，CS基納米纖維在水相環境中會吸濕溶脹，降低纖維膜的孔隙率、透氣性，且對其獨特結構優勢造成破壞，因此，作為傷口敷料功能層，CS基纖維膜必須通過交聯改性處理，以獲得更好的結構穩定性和耐水性，解決其在傷口組織液浸潤后的結構不穩定問題。本文通過化學交聯劑戊二醛(GA)，對CS/PEO靜電紡納米纖維膜進行交聯處理，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)、 X射線衍射儀(XRD)、紅外光譜儀(FT-IR)、 單纖維強力儀等對交聯前后CS/PEO納米纖維膜的微觀形貌、結構穩定性和力學性能等進行表征，探究交聯改性對CS/PEO納米纖維膜結構和性能的影響，以期更好地應用于傷口敷料。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

殼聚糖(CS，脫乙酰度大于92%，黏度為180 mPa·s，浙江金殼生物化學有限公司)；聚環氧乙烷(PEO，平均分子質量為9×105ku，百靈威科技有限公司)；GA溶液(分析純，質量分數為25%，國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 實驗儀器

SS-1型靜電紡絲機,北京永康樂業科技發展有限公司；LLY-006型單纖維強力儀，萊州市電子儀器有限公司；TM-3000型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀，美國 Thermo Fisher公司；D/max-2550 PC型X射線多晶衍射儀，日本Rigaku公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 CS/PEO紡絲溶液的制備

室溫條件下，使用90%的冰醋酸溶液作為溶劑，將CS與PEO以質量比為9∶1，經磁力攪拌至完全溶解，得到質量分數為5%的CS/PEO紡絲溶液。

1.3.2 CS/PEO納米纖維膜的制備

取5 mL注射器吸取一定量的CS/PEO紡絲溶液后，將其頭端與內徑為1.7 mm的針頭相連，開啟電源進行靜電紡絲。電壓設置為10 kV，推注速度為0.8 mL/h。 針頭到接收裝置的距離為20 cm。連續紡絲6 h后制得CS/PEO靜電紡納米纖維膜，真空干燥4 h后置于干燥器中待用。

1.3.3 CS/PEO納米纖維膜的交聯改性

取一定量的GA溶液于培養皿中，放置于干燥器底部，將制備好的CS/PEO纖維膜裁剪為合適大小后，放置在干燥器底部的支架上，于室溫下利用GA蒸汽進行交聯，時間分別為0(未交聯)、4、8、12和24 h。交聯完成后試樣經真空干燥處理一定時間，使殘留GA 完全去除后密封保存于干燥器中。

1.3.4 微觀形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡對交聯處理前后纖維的微觀結構進行觀察,從不同圖像中選取至少100個點對纖維直徑進行測量分析。加速電壓設置為5 kV。

1.3.5 化學結構測試

通過傅里葉變換紅外光譜儀表征CS粉末、PEO纖維膜、CS/PEO納米纖維膜的化學結構，波數范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.6 結晶結構測試

通過X射線多晶衍射儀測定各樣品的結晶結構。參數設置為：電壓40 kV，掃描速度3 (°)/min，掃描范圍5°～60°。

1.3.7 吸水率和質量損失率測試

將5種交聯時間(0、4、8、12、24 h)處理后的樣品，采用稱取質量法測量其吸水率及質量損失率。將樣品裁剪成一定大小，記錄其初始干態質量(m0)；然后置于模擬PBS緩沖液(pH=7.2)中24 h后，使用蒸餾水沖洗3次，將濾紙置于試樣表面以吸干其表面水分，并記錄濕態質量(mw)，冷凍后真空干燥并記錄纖維膜質量(md)。3次平行實驗后，由下式求得其平均吸水率(W)和平均質量損失率(S)：

1.3.8 力學性能測試

采用電子單纖維強力儀在溫度為20 ℃、相對濕度為 65%條件下，以10 mm/min的拉伸速度對試樣進行拉伸實驗，隔距長度設置為 10 mm。每種試樣測5次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 交聯改性對納米纖維膜形貌的影響

殼聚糖基納米纖維膜在傷口組織液浸潤后需保持細胞外基質的類似結構，因此，對其進行交聯改性后的纖維形貌進行觀察，結果如圖1所示。圖中左側為CS/PEO納米纖維膜分別經25%的GA蒸汽于室溫下交聯0、4、8、12和24 h的微觀形貌圖。可知，不同交聯時間的纖維直徑分別由未交聯的310 nm 增加至404、436、537和598 nm。這可能是由于在交聯反應過程中，纖維受到GA蒸汽中水分的影響而發生溶脹效應，隨交聯時間的增加，纖維與水的作用時間變長，纖維溶脹程度不斷增加，體現為纖維直徑變大。

圖1中右側為交聯處理前后纖維膜在PBS中浸泡24 h后的微觀形貌。可以看出，未交聯的纖維膜在PBS浸泡后,發生明顯地溶脹、軟化和交纏；而在交聯后，隨著交聯處理時間不斷增加，經PBS浸泡后纖維形貌均勻性得到提升，光滑度不斷提高，這說明交聯處理可有效提高CS/PEO納米纖維膜的耐水性，且交聯時間越長，耐水性越好，這為其抵抗傷口組織液浸入發生結構形變提供了很好的解決方案。

圖1 不同交聯時間的納米纖維膜經PBS浸泡24 h 前后的掃描電鏡照片(×5 000)Fig.1 SEM images of nanofiber membranes under different cross-linking time before and after soaked in PBS for 24 h(×5 000)

2.2 交聯改性對納米纖維膜結構的影響

圖2示出交聯改性前后納米纖維膜紅外光譜圖。可知，加入PEO后 3 400～3 100 cm-1處醇羥基(—OH)、 氨基(—NH)吸收峰在殼聚糖分子內氫鍵的作用下重疊增寬，與1 594 cm-1處CS上氨基(—NH)的吸收峰[15-16]分別轉移到3 362和1 558 cm-1處，且2 876 cm-1處—CH2的伸縮振動吸收峰強度增強。這是由于CS在PEO中醚鍵的影響下，原有的分子內氫鍵轉變為氨基與PEO中醚鍵形成的分子間氫鍵[17]，使得CS結晶度降低從而提升了其可紡性。與純CS相比，CS/PEO共混纖維膜中—CH2吸收峰峰強增加大且向高波數移動；且純CS紅外光譜圖中位于1 070～1 030 cm-1之間的2個孤峰變為不可分的肩峰，并向高波數移動[15]。由此推斷出PEO加入后，CS分子中的分子內氫鍵被破壞，CS中的氨基、酰胺基與PEO中的氫分別產生了新的氫鍵作用，影響了CS大分子的結晶結構，有效提升了CS的紡絲性能，且證明了PEO與CS相容性良好[18-19]。

圖2 納米纖維膜和CS的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra analysis on nanofiber membranes and CS

圖3示出納米纖維膜的X射線衍射光譜圖。可知，在純CS粉末的X射線衍射圖中，特征衍射峰分別位于2θ為14.5°、20.1°、28.1°以及29.5°處，其結晶度為44.72%。

圖3 納米纖維膜和CS的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction spectra of nanofiber membranes and CS

2.3 交聯改性對吸水率和質量損失率影響

圖4示出不同交聯時間的CS/PEO納米纖維膜在PBS中處理24 h后的吸水率和質量損失率。

圖4 不同交聯時間的納米纖維膜在PBS溶 液中浸泡24 h后的吸水率與質量損失率Fig.4 Water absorption(a) and dissolution(b) ratio of nanofiber membranes under different cross-linking time after soaked in PBS for 24 h

從圖4 (a)可見，交聯處理4 h后，隨著交聯時間的不斷增加，纖維膜吸水率呈現先降低后升高的趨勢。由圖4 (b)可知，交聯改性后的納米纖維膜質量損失率大幅度降低，且隨著交聯改性時間的增加，纖維膜的質量損失率呈小幅度下降趨勢。其原因可能是交聯處理后，CS分子鏈之間形成共價交聯網絡，纖維膜結構變得更加緊密，阻止了PEO的溶出，表現為纖維膜的質量損失率大幅度下降，而吸水率在排除纖維膜溶失部分影響后有所降低；與此同時，交聯處理后CS分子鏈中部分氨基脫離分子間氫鍵的束縛，轉變為游離態，從而造成了纖維膜吸水性的提高；隨著交聯時間的繼續延長，過度交聯使得纖維間粘合破裂，纖維中孔隙增多，因而吸水率不斷增加。可見，適當時間交聯處理后的納米纖維膜的吸水率和質量損失率變化特點符合作為傷口敷料功能層的實際需求，即交聯處理后的納米纖維膜能夠更多地吸收組織液，以達到清創的效果；同時內部結構更加穩定，自身溶失較少，不會對敷料結構產生較大的影響。

2.4 交聯改性對納米纖維膜力學性能影響

表1示出CS/PEO納米纖維膜在干燥狀態下的拉伸性能測試結果。可知：隨交聯時間的不斷增加，CS/PEO納米纖維膜的斷裂強度呈先升高后降低趨勢，在交聯處理時間為8 h時斷裂強度與斷裂伸長率均達到最大值，分別為(3.85±0.59) MPa與(4.62±1.24)%。這是由于CS分子中的氨基與GA分子中的醛基發生反應形成剛性亞胺鍵，從而使主要由氫鍵、范德華力等作用力形成的較弱自連網絡，被共價鍵形成的網絡所取代，因此，納米纖維膜的強度和脆性均得到顯著提升。由于納米纖維膜作為傷口敷料的功能層覆蓋于傷口之上，對其拉伸和撕扯的力較弱，因此，納米纖維膜力學性能一定程度的變化不會對其使用產生過度影響。

表1 不同交聯時間的納米纖維膜的力學性能Tab.1 Mechanical property of nanofiber membranes under different cross-linking time

3 結 論

本文采用乙酸為溶劑制備殼聚糖/聚氧化乙烯(CS/PEO) 靜電紡納米纖維膜，探究戊二醛交聯不同時間后纖維膜微觀形態、結構穩定性及力學性能等的變化。CS/PEO納米纖維膜交聯前后的掃描電鏡測試表明，隨著交聯時間的不斷增加，纖維在水的作用下發生溶脹，直徑有所增加；納米纖維膜PBS浸泡實驗顯示，隨著交聯時間的延長，PBS處理后纖維的形貌更加穩定，光滑度逐漸增加，交聯改性可顯著提高纖維膜的耐水性能，使其更適合應用于傷口敷料。經交聯處理后CS/PEO纖維膜中CS與GA分子生成剛性亞胺鍵，分子間形成共價交聯網絡，并使得CS大分子固有結晶結構發生重排。

CS/PEO纖維膜交聯前后的吸水率和質量損失率測試結果表明，隨著交聯時間的不斷增加，纖維膜結構致密化，其吸水率得到提升，質量損失率降低，證明了交聯處理對纖維膜結構穩定具有積極影響；纖維膜的力學性能測試分析結果顯示，交聯處理后CS/PEO纖維膜隨著處理時間的增加其力學強度呈先升后下降趨勢，因此，適當的交聯處理可一定程度上提升納米纖維膜的強度和韌性。