聚乙烯吡咯烷酮/蘆薈復合納米纖維膜的制備及其性能

李偉平，楊桂霞，程志強，趙春莉

(1.吉林農業大學 資源與環境學院，吉林 長春 130118；2.吉林農業大學 園藝學院，吉林 長春 130118)

目前，隨著生活水平的提高，人們對健康問題愈加重視，細菌、病毒等病原菌引起的感染具有高致病率、高死亡率等特點，嚴重影響了人們的生命健康[1]。其中，由細菌引起的皮膚和組織感染是患病率最高的感染[2]。細菌會引發慢性傷口轉為炎癥，阻礙傷口再上皮化和膠原合成，給愈合帶來困難[3-4]，因此，傷口敷料應具備吸收滲出物、透氣、保護傷口免受感染、保持潮濕的傷口環境、加速傷口愈合等功效。

生物復合納米纖維大部分可生物降解，具有生物相容性，天然生物抑菌材料能夠有效減少感染的發生，加快傷口愈合過程[5]。通過向天然/合成聚合物中添加藥用植物成分來制備傷口敷料，植物的活性成分可使敷料具有抗菌、抗炎和抗氧化的特性，有助于傷口收縮、血管生成和上皮化形成。生物復合納米纖維敷料因其具有表面積大，可將天然產物抑菌劑局部遞送到傷口環境中以控制感染的優勢，具有廣闊的應用前景[6]。

由靜電紡絲技術[7]制備的納米纖維膜具有比表面積大[8]、孔隙率高[9]、結構尺寸可控等特點[10]，推動了其在許多領域的研究和開發，包括光催化材料[11]和生物材料[12]等。蘆薈作為一種古老的藥用植物在皮膚傷口治療方面有著悠久的歷史[13]。蘆薈凝膠[14]因其富含多糖，如乙酰甘露聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖、葡萄糖醛酸等[15]，這些多糖混合物賦予了蘆薈凝膠抗炎[16]、抗腫瘤[17]和抗菌的特性[18-22]。為此，本文通過靜電紡絲技術將蘆薈和常用于生物材料的聚乙烯吡咯烷酮混合，制備復合納米纖維膜，對纖維膜進行表征與分析，并測試了纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚乙烯吡咯烷酮(PVP，相對分子質量為6.3×106)，Ourchem化學技術有限公司；無水乙醇，北京化工廠；蘆薈(Aloe)，西安云銳生物科技有限公司；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，實驗室培養；營養瓊脂培養基(NA) 、營養肉湯培養基(NB),北京奧博星生物技術有限責任公司。

1.2 試樣的制備

稱量6組質量均為0.5 g的PVP，再分別稱量質量為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 g的蘆薈，將PVP和蘆薈共同溶解在75%乙醇中，制得質量比分別為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe溶液。然后置于30 ℃水浴鍋中磁力攪拌6 h，超聲波處理15 min后得到PVP/Aloe紡絲溶液，使用自制的靜電紡絲裝置進行紡絲。設置紡絲電壓為17 kV，紡絲速率為0.8 mL/h，接收距離為12 cm，接收圓盤轉速為250 r/min，制得PVP/Aloe復合納米纖維膜，將其在真空烘箱中干燥24 h備用。同時，在相同條件下制備純PVP納米纖維膜作為對比。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

采用SS-550型掃描電子顯微鏡(日本島津公司)觀察納米纖維膜的形貌，并隨機選取100 根纖維進行直徑測量，并采用ImageJ軟件對納米膜直徑分布進行統計。

1.3.2 化學結構測試

采用FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀(天津港東科技發展股份有限公司)測試納米纖維膜的化學結構，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3 潤濕性能及表面張力測試

采用SL200KS型光學接觸角分析儀(美國科諾工業有限公司)測試納米纖維膜的潤濕性，并利用BZY-102型表面張力計(上海方瑞儀器有限公司)測試紡絲溶液的表面張力。

1.3.4 抗菌性能測試

采用紙片擴散法測試復合納米纖維膜的抗菌性能。首先，分別配制LB營養瓊脂固體培養基和LB營養瓊脂液體培養基，固體培養基用于純化菌株和測定抑菌圈，液體培養基用于將純化后的菌株進行培養。然后，為證明蘆薈的抑菌作用進行3組抑菌實驗，以純PVP為空白對照組、PVP/Aloe(10∶3)為低濃度組、PVP/Aloe(10∶6)為高濃度組，將各纖維膜用打孔器剪裁成相同大小的圓片，并置于潔凈操作臺上用紫外光殺菌12 h以備待用。最后，將圓片置于滴有大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的固體培養基中，把培養皿放在37 ℃的培養箱中24～48 h后，根據培養基中抑菌圈的大小來衡量納米纖維膜的抑菌性能。為了準確得出PVP/Aloe復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果，用十字交叉法測量對照組、處理組抑菌圈的直徑，按照下式計算抑菌率：

式中：Bck為處理組抑菌圈直徑,mm；Bd為空白對照組抑菌圈直徑,mm。

2 結果與討論

2.1 形貌分析

不同質量比的PVP/Aloe復合納米纖維膜的形貌和直徑分布如圖1所示。可知，不同質量比的PVP/Aloe復合納米纖維膜呈現出不同的形態，纖維膜出現了既相互分離又相互連接的油條狀結構。油條狀結構中間凹陷的形狀以及在納米尺度上的多孔結構[23]，與單根納米纖維相比，具有更高的比表面積和孔隙率，這可使敷料與傷口貼合得更加緊密，且具有透氣性，有利于氣體交換使傷口的愈合機制得到改善。由圖1可看出，隨著蘆薈占比的增加，納米纖維膜表面呈現出的油條狀結構愈發明顯。質量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe復合納米纖維的直徑分別為1.01、1.25、1.55、1.61、1.88、2.75 μm，即隨著蘆薈占比的增多，纖維直徑也隨之增大，尤其是當PVP和Aloe的質量比為10∶6時，纖維直徑達到最大。與其他組相比，質量比為10∶4的PVP/Aloe納米纖維的直徑分布均勻，且載有蘆薈含量較多。

圖1 不同質量比的PVP/Aloe復合納米纖維膜的SEM照片和直徑分布圖Fig.1 SEM images and diameter distribution of PVP/Aloe composite nanofiber membranes with different mass ratios

2.2 接觸角和表面張力分析

質量比為10∶4的PVP/Aloe復合納米纖維膜的水接觸角測量結果如圖2所示。

圖2 PVP/Aloe復合納米纖維膜在不同時間時的水接觸角Fig.2 Water contact angle of PVP/Aloe composite nanofiber membranes at different time

由圖2可知，由于PVP、Aloe均是親水性物質，所以當PVP與Aloe共混時所形成的納米纖維膜仍表現出親水性，遇水5 s后纖維可完全溶解。說明本文制備的復合納米纖維膜具有超親水性質，蘆薈從復合納米纖維膜中快速釋放出來，可第一時間緩解病患疼痛，及時發揮止血、消炎和抑菌的作用。

不同質量比的PVP/Aloe紡絲液的表面張力如圖3所示。可以看出，紡絲液的表面張力隨著蘆薈占比的增加而增大。當PVP與Aloe的質量比分別為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6時，紡絲液的表面張力分別為26.03、26.25、26.41、26.68、26.89、27.12 mN/m。結合掃描電鏡照片可知，當表面張力在26.03～27.12 mN/m區間時，紡絲時易形成油條狀結構。若PVP與Aloe的質量比低于10∶1，形成的油條狀結構不明顯，且載有的蘆薈藥物成分含量較低；當PVP/Aloe質量比高于10∶6時，形成的油條狀結構粒徑過大，易導致復合納米纖維膜的比表面積相對較小，會影響其在抑菌敷料方面的應用。

圖3 不同質量比的PVP/Aloe紡絲液的表面張力Fig.3 Analysis of surface tension of PVP/Aloe spinning solution with different mass ratios

2.3 化學結構分析

不同質量比的PVP/Aloe復合納米纖維膜的紅外光譜圖如圖4所示。可以看出，質量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe復合納米纖維膜在1 666 cm-1處出現芳香環伸縮振動峰，在 1 435 cm-1處出現碳氧鍵伸縮振動峰，在1 287 cm-1處出現羥基的伸縮振動峰。幾種樣品的紅外光譜圖顯示的特征峰相似度極高，這充分說明蘆薈與聚乙烯吡咯烷酮共混沒有影響其各自結構，進一步證實了所形成的油條狀結構是由于二者混合后的物理現象，沒有發生官能團之間的化學反應。

圖4 不同質量比的PVP/Aloe復合納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of PVP/Aloe composite nanofiber membranes with different mass ratios

2.4 抗菌性能分析

圖5示出純PVP以及質量比為10∶3和10∶6的PVP/Aloe復合納米纖維膜的抑菌圈結果。可知，純PVP納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌沒有抗菌性。經計算得，質量比為10∶3的PVP/Aloe復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為42.6%、79.5%，質量比為10∶6的PVP/Aloe復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為53.8%、86.2%。可見，蘆薈含量與抑菌率呈正相關，說明蘆薈具有抑菌作用，對金黃色葡萄球菌抗菌有一定的效果。在培養箱中培養24 h內，PVP/Aloe復合納米纖維膜圓片便形成了抑菌圈，進一步證明了復合納米纖維膜的藥物突釋性。

圖5 純PVP及PVP/Aloe復合納米纖維膜抑菌圈分析結果Fig.5 Analysis results of inhibition zone of pure PVP,PVP/Aloe composite nanofiber membranes.(a)Pure PVP；(b)PVP/Aloe composite nanofiber membranes(10∶3)；(c)PVP/Aloe composite nanofiber membranes(10∶6)

3 結 論

本文通過靜電紡絲技術將不同質量比的天然蘆薈(Aloe)與聚乙烯吡咯烷酮(PVP)進行共混，利用混合溶液中的物理作用使二者之間互相粘連，成功地制備出了油條狀結構的PVP/Aloe復合納米纖維膜，得到如下主要結論。

1)質量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe紡絲液的表面張力分別為26.03、26.25、26.41、26.68、26.89、27.12 mN/m，當表面張力在26.03～27.12 mN/m區間時，紡絲時易形成油條狀結構，且二者共混對其化學結構未產生影響；質量比為10∶4的PVP/Aloe復合納米纖維膜在遇水5 s 時即可溶解，潤濕性能較好。

2)負載蘆薈的PVP/Aloe復合納米纖維膜對金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌作用，抑菌率為86.2%，且隨著蘆薈的增加抗菌效果越好，有望應用于創傷敷料開發。

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