聚乙烯醇/海藻酸鈉/黃連素醫用敷料制備及其性能

王春紅， 李 明， 龍碧旋， 才英杰， 王利劍， 左 祺

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 河北科技大學 紡織與服裝學院， 河北 石家莊 050080)

在人體創傷愈合過程中，醫用敷料能起到保護創面、吸附滲出、防止感染、清除壞死組織等作用[1]。目前，我國絕大多數醫療機構仍將棉質紗布、繃帶等作為常用的醫用敷料，但傳統醫用敷料易與傷口粘連、保濕性能差，且需經常更換[2]，難以滿足慢性傷口護理的需求。醫用敷料理想情況下應具備以下特點：使用方便、致敏性低、成本適中；保持創面的濕潤環境；隔離外部污染、清除壞死組織、吸收滲出液；無毒無害與人體相容性良好[3]。以天然材料(膠原蛋白、殼聚糖、細菌纖維素、絲素蛋白、海藻酸鹽等[4-5])為原料經靜電紡絲制備的新型醫用敷料，對于傳統敷料的替代以及理想敷料的開發和研究具有重要意義。

海藻酸鈉(SA)是從天然藻類中提取出的多糖共聚物，其大分子鏈是由β-D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)組成[6]。SA是一種天然材料，與人體相容性較好，在理想敷料的開發上有廣泛的應用前景，可較好地替代傳統敷料。然而單一的海藻酸鹽敷料其力學性能和抗菌性能不足[7]，不能較好地支撐創面以及抑制創面感染菌滋生，因此，在靜電紡絲過程中常與聚乙烯醇(PVA)共混提高力學性能[8]，并添加抗菌物質以增強抗菌性能，抑制傷口的惡化。PVA具有良好的生物相容性以及力學性能，吸濕性較好，可作為改性劑增強海藻酸鈉的可紡性以及力學性能[9-11]。

針對PVA/SA納米纖維膜的抗菌性能，國內外研究人員以PVA/SA為載體，添加納米氧化鋅ZnO、磷酸鋯鈉銀、層狀硅酸鹽等無機抗菌劑[12-14]，研究抗菌改性后金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌性以及細胞毒性。雖然無菌抗菌劑提高了敷料的抗菌性能，且具有較低的細胞毒性;但無機抗菌劑仍容易在人體積累，對人體產生一定的傷害，因此，研究人員發現了一系列從中草藥中提取的天然抗菌劑，其中黃連素(BR)是一種具有廣譜抗菌、藥源廣泛、價格低廉，不易產生耐藥性，還可提高機體免疫力的抗菌添加劑[15-17]。在靜電紡絲過程中添加天然抗菌劑BR，能與海藻酸鈉起到協同抗菌作用，充分發揮BR的藥用功效，制備出與人體相容、抗菌效果好的的醫用敷料。

基于以上分析，本文選用PVA/SA為載體，在靜電紡絲過程中添加天然抗菌劑BR來提高敷料的抗菌性能，并與氯化鈣交聯處理提高敷料的耐水性能。主要探究了不同質量分數BR對纖維膜外觀形貌、力學性能以及抗菌性能的影響；同時還探究了氯化鈣交聯處理對纖維膜外觀形貌、吸液倍率以及力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚乙烯醇(PVA，pH值為5～7，醇解度為88%，廣州市濤升化工有限公司),海藻酸鈉(SA，pH值為7～8，天津福晨化學試劑廠),黃連素(BR，西安四級生物科技有限公司),氯化鈣(分析純，天津風船化學試劑科技有限公司),無水乙醇(分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司)。

1.2 試樣的制備

1.2.1 PVA/SA/BR納米纖維膜的制備

首先，分別稱取2 g SA和10 g PVA：在室溫下將 SA均勻攪拌在98 g去離子水中，配制成質量分數為2%的SA溶液；將PVA溶于90 g去離子水中進行水浴加熱至90 ℃，制得質量分數為10%的PVA溶液。然后，將配制好的2種溶液混合攪拌均勻作為黃連素的載體溶液。最后，再分別加入質量分數為2%、4%、6%的黃連素，室溫下磁力攪拌2 h制得紡絲溶液。將配制好的PVA/SA/BR混合溶液加入到注射器中，使用自制靜電紡絲裝置進行紡絲。紡絲電壓為18 kV，紡絲速率為0.6 mL/h，接收距離為14 cm，接收圓盤轉速為200～300 r/min，得到PVA/SA/BR納米纖維膜，并在真空烘箱中干燥24 h。

1.2.2 PVA/SA/BR納米纖維膜的交聯處理

將PVA/SA/BR納米纖維膜剪成2 cm×2 cm規格，分別放入質量分數為2%、3%、4%、5%的氯化鈣無水乙醇溶液中進行交聯處理，最后用無水乙醇清洗纖維膜表面多余的氯化鈣后，室溫下干燥24 h，得到交聯改性PVA/SA/BR納米纖維膜。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

采用TM3030型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對納米纖維膜的外觀形貌進行觀察。采用Image-J軟件隨機選取100根纖維進行直徑測量，對纖維膜直徑分布進行統計。

1.3.2 化學結構測試

采用TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀(德國BRUKER公司)測試納米纖維膜的紅外光譜圖，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3 力學性能測試

采用INSTRON3369型萬能強力機(美國INSTRON公司)測試納米纖維膜的力學性能，試樣規格為長90 mm、寬10 mm，夾持隔距為30 mm，拉伸速率為5 mm/min。每個試樣測量5次，取平均值。

1.3.4 抗菌性能測試

參照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》測試納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率。

1.3.5 吸液性能測試

采用稱取質量法測試納米纖維膜的吸液倍率(w)。將交聯處理后的納米纖維膜進行干燥處理并稱取質量，然后放入100 mL的PBS 緩沖液中浸泡24 h，烘至干態質量，依據下式計算吸液倍率

式中,m0與m1分別為納米纖維膜測試前后的干態質量,g。

2 結果與討論

2.1 黃連素用量對纖維膜結構和性能影響

2.1.1 納米纖維膜表面形貌與纖維直徑分布分析

添加不同質量分數黃連素的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌和直徑分布如圖1所示。可看出，添加質量分數為2%的BR時，BR可很好地包覆在纖維內部，而隨著其質量分數的進一步增加，BR開始沉積在纖維外形成串珠。由纖維直徑分布圖可看出，未添加BR時，纖維的平均直徑為324.54 nm，隨著BR質量分數的增加，纖維直徑呈現先增大后減小的趨勢，且纖維不勻率逐漸增加，添加質量分數為6%的BR時，纖維直徑最小，直徑不勻率最高。這可歸因于BR質量分數較小時，能很好地包覆于PVA/SA中，導致纖維直徑增加，而隨著紡絲液中BR的繼續添加，超過了纖維本身的容納量，過量的BR會使紡絲液的導電性增強，從而增大了射流在場中的電場力，最終導致纖維被抽長拉細，直徑不勻率增加。

2.1.2 化學結構分析

圖1 含不同質量分數BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜表面形貌(×8 000)與直徑分布圖Fig.1 Surface morphology (×8 000) and diameter distribution of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

圖2 BR、PVA/SA和PVA/SA/BR 納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of BR、PVA/SA and PVA/SA/BR nanofiber membranes

2.1.3 力學性能分析

添加不同質量分數BR的PVA/SA/BR納米纖維膜斷裂強度與斷裂伸長率測試結果如圖3所示。

圖3 含不同質量分數BR的PVA/SA/BR 納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

由圖3可看出，添加BR后，PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強度、斷裂伸長率相較于未添加時出現了明顯的下降，當BR質量分數由2%提升至6%時，PVA/SA/BR納米纖維膜的斷裂強度、斷裂伸長率呈現先上升后下降的趨勢。當BR質量分數為4%時，納米纖維膜顯示出較好的力學性能，斷裂強度與斷裂伸長率分別為2.08 MPa、16.12%；當BR質量分數為6%時，斷裂強度與斷裂伸長率有所下降分別為1.76 MPa、12.35%。這可歸因于BR質量分數較低時能很好地包覆在纖維內部，而隨著BR的繼續添加，破壞了PVA與SA之間的氫鍵，導致纖維膜力學性能整體下降。

2.1.4 抗菌性能分析

圖4、5分別示出添加不同質量分數BR的PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率及抗菌效果。可知，納米纖維膜對大腸桿菌的抑菌性能要優于金黃色葡萄球菌的。由未添加BR的纖維膜觀察可知，純海藻酸鹽抗菌效果不明顯。隨著纖維膜中BR質量分數的增加，可明顯觀察到大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的菌落數相繼減少，當BR質量分數為6%時抗菌效果明顯，對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%和97.89%，滿足GB/T 20944.3—2008中抑菌率≥70%的要求，因此，選取黃連素質量分數為6%的PVA/SA/BR納米纖維膜做耐水處理。

圖4 PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌和 金黃色葡萄球菌的抑菌率Fig.4 Antibacterial rate of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

圖5 不同BR質量分數的PVA/SA/BR納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果圖Fig.5 Antibacterial effect of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus (b)with different mass fraction of BR

2.2 氯化鈣對纖維膜結構和性能的影響

2.2.1 交聯后納米纖維膜的表面形貌分析

不同質量分數氯化鈣交聯處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的形貌如圖6所示。由于PVA/SA/BR納米纖維膜放入水中會快速縮聚成團、溶解，耐水性很差，因此用氯化鈣交聯處理，可提高纖維膜的耐水性能[19]。由圖可看出，隨著氯化鈣質量分數的增加，PVA/SA/BR納米纖維膜由網狀轉變為平滑膜狀，交聯程度逐漸增大，但超過一定交聯程度后，納米纖維膜表面開始有氯化鈣顆粒析出;因此，為了獲得表面平滑的纖維膜，氯化鈣的交聯程度不宜過大，采用質量分數為4%的氯化鈣進行交聯處理較適宜。

圖6 不同質量分數氯化鈣交聯處理PVA/SA/BR的 掃描電鏡照片(×5 000)Fig.6 SEM images of PVA/SA/BR after crosslinking with calcium chloride at different concentrations (×5 000)

2.2.2 交聯后納米纖維膜的吸液倍率分析

PVA/SA纖維膜的親水性能很好，遇水后很快發生溶解，縮短了纖維膜的使用時間，不利于傷口的愈合，因此，需要提高纖維膜的耐水性能。氯化鈣交聯處理可提高纖維膜的耐水性，從而延長其使用時間。

圖7示出經不同質量分數氯化鈣處理的PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率。可看出，隨著氯化鈣質量分數的增加，納米纖維膜的吸液倍率先升高后下降，經4%氯化鈣處理的納米纖維膜的吸液倍率達到最高，其耐水性能最好。氯化鈣交聯處理可提高吸液倍率是由于Ca2+可與SA中G基團的—COONa發生螯合作用形成—COOCaOOC—，進而形成三維凝膠網格結構，該結構可限制SA分子鏈段的自由運動，降低纖維膜的水溶性并提高吸液倍率[20]。當Ca2+濃度較低時，溶液中沒有足夠的凝膠網絡形成，凝膠強度較小，因此吸液倍率較小；當Ca2+存在過量時，凝膠交聯點過多，導致鏈段平均分子鏈變小，網絡空間收縮，發生海藻酸鈣的沉淀，凝膠分子變少，吸液倍率有所下降[21-23]。

圖7 不同質量分數氯化鈣交聯處理PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.7 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes crosslinked with different concentrations of calcium chloride

圖8示出氯化鈣質量分數為4%時，不同交聯時間下PVA/SA/BR納米纖維膜的吸液倍率。可看出，隨著交聯時間的增加，納米纖維膜的吸液倍率先上升后下降，交聯4 h時纖維膜的吸液倍率達到最大為1 257%。當交聯時間適當時，形成的三維網格凝膠結構較好，但超過一定時間后，交聯點過密，空間網格收縮，導致納米纖維膜的剛性增加，因此吸液倍率由于過飽和反而下降。

圖8 不同交聯時間下PVA/SA/BR 納米纖維膜的吸液倍率Fig.8 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes at different cross-linking time

綜合氯化鈣質量分數和交聯時間對纖維膜吸液倍率的影響可知，二者對于納米纖維膜的吸液倍率具有同向作用，當氯化鈣質量分數為4%，交聯時間為4 h時，能形成很好的三維凝膠網格結構，而交聯超過一定程度后，由于海藻酸鈣沉淀和纖維膜剛性增加，耐水性能反而下降。

2.2.3 交聯后納米纖維膜的力學性能分析

圖9示出氯化鈣質量分數為4%時，不同交聯時間下納米纖維膜的斷裂強度與斷裂伸長率曲線。可看出，隨著交聯時間的持續進行，納米纖維膜的斷裂強度先上升后下降，在交聯4 h時達到最大為4.17 MPa，而納米纖維膜的斷裂伸長率則由57.13%增加到108.24%。在一定的交聯時間內，納米纖維膜的力學性能總體上在逐漸提高，這是由于海藻酸鈉不僅與Ca2+形成了交聯鍵，還形成了分子之間的相互鍵合，從而共同抵抗外力的變化。而當交聯時間過長時，由于交聯密度過大，纖維膜剛性變大，韌性下降，受到外界作用力時，易產生應力集中，使整體力學性能下降。

圖9 不同交聯時間下PVA/SA/BR的力學性能Fig.9 Mechanical properties of PVA/SA/BR with different cross-linking times

3 結 論

本文采用靜電紡絲技術將不同質量分數的黃連素(BR)添加到PVA/SA載體上，并與氯化鈣進行交聯處理，提高了PVA/SA/BR納米纖維膜作為醫用敷料的抗菌性和耐水性，得出以下主要結論。

1)隨著BR質量分數的增加，纖維的直徑先增大后減小，斷裂強度逐漸下降，抗菌性能逐漸提高。當BR質量分數為6%時，納米纖維膜斷裂強度為1.76 MPa，其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為99.41%、97.89%，滿足抗菌材料抑菌率大于70%的要求。

2)氯化鈣交聯處理能有效提高纖維膜的耐水性能。隨著氯化鈣質量分數、交聯時間的增加，纖維膜的耐水性能逐漸提高。當氯化鈣質量分數為4%，交聯時間4 h時，纖維膜的斷裂強度達到4.17 MPa，吸液倍率為1 257%。而隨著氯化鈣質量分數、交聯時間的進一步增大，由于交聯過度，力學性能和耐水性能反而下降。