電泳沉積制備殼聚糖水凝膠-導電紗布復合材料及其性能評價

呂鵬程，李昊洋，楊擎宇，張綺月，張 倩，毛吉富,1b,1c，勞繼紅，曹 蓉，王 璐,1b,1c

(1.東華大學 a.紡織學院, b.紡織面料技術教育部重點實驗室, c.紡織行業生物醫用紡織材料與技術重點實驗室，上海 201620；2.上海必趣醫療科技有限公司，上海 201611)

皮膚是保護人體免受外界損傷和病原體侵入的第一道屏障[1-2]。一旦皮膚受損，外界微生物很容易侵入皮膚組織深處，從而引發傷口感染甚至危及生命[3]。醫用敷料是傷口修復的重要材料，其性能對于傷口愈合效果是至關重要的。脫脂棉紗布是臨床上應用最多的醫用敷料，其原料來源廣泛，價格低廉。醫用敷料主要作用是吸收傷口組織液，但是脫脂棉紗布缺乏生物活性，對于促進傷口愈合作用有限[4]。因此理想的醫用敷料應當具有良好的生物相容性和可降解性，能為傷口組織提供合適的微環境，促進傷口愈合。近年來天然高分子材料由于具有優異的生物學性能在多功能醫用敷料領域被廣泛研究[5]。

殼聚糖(chitosan, CS)作為天然多糖甲殼素的衍生物，具有低毒性、固有的抗菌性、良好的生物相容性和可生物降解性等特點[6-7]。此外，CS還具有良好的可加工性，易于制備成水凝膠、膜、海綿、微納米纖維和顆粒等，在細胞培養固定、藥物輸送、組織修復再生等生物醫學領域得到了廣泛的應用[8]。水凝膠類材料為三維互聯的孔隙結構，具有較強的儲水保濕能力和物質交換能力，因此在傷口治療的研究中受到了廣泛的關注[9]。基于此，在紗布表面構建殼聚糖水凝膠將有望提高紗布在傷口修復中的價值。

傳統的CS水凝膠的制備方法有物理交聯和化學交聯兩種方式。物理交聯法依靠氫鍵、靜電作用等方式形成凝膠，無需使用交聯劑，但是難以控制凝膠的網絡結構；化學交聯法一般使用交聯劑，通過控制反應條件和交聯劑種類，在一定程度上調節水凝膠的結構，但是反應過程中常涉及生物毒性交聯劑，對其生物醫學性能有不利影響。

電泳沉積技術作為制備CS水凝膠的新興方法，凝膠制備簡單高效，無需使用生物毒性試劑，并可以通過調整電泳沉積工藝參數或者電極結構來調控殼聚糖水凝膠的宏觀3 D結構和微觀結構[10-11]。因此，本文首先在棉紗布表面聚合聚吡咯(polypyrrde, PPy)涂層，制備導電紗布(PPy/棉紗布)，然后采用電泳沉積的方法，在導電紗布表面構建CS水凝膠涂層，制備CS水凝膠-導電紗布復合材料(CS/PPy/棉紗布)，探究沉積工藝參數對CS/PPy/棉紗布結構調控和性能的影響。此外，該復合材料具有可調的孔隙結構和導電性，有望為促進傷口愈合及再生提供更多可能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

脫脂棉紗布，維德醫療有限公司；吡咯單體(Py，使用前需減壓蒸餾提純)，純度大于98%，Alfa Aesar公司；環己烷，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；氯化鈉(NaCl)，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；5-磺基水楊酸鈉(SSANa)，分析純，上海羅恩化學試劑有限公司；乙醇，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；CS，脫乙酰度為75%～85%，Sigma-Aldrich公司；濃鹽酸(HCl)，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；30%過氧化氫(H2O2)，分析純，滬試國藥集團化學試劑有限公司；去離子水。

馳久524 G型磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；SHB-Ⅲ型循環水真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；CHI-660E型電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；FlexSEM 1000型掃描電子顯微鏡(SEM)，日立高新技術有限公司；Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，珀金埃爾默儀器有限公司；D/max-2550 VB/PC型轉靶X射線衍射儀(XRD)，株式會社理學有限公司；TGA 4000型熱重分析儀(TGA)，珀金埃爾默儀器有限公司；OCA15EC型接觸角測量儀，迪飛儀器有限公司；FE28型pH計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；ME204E/02型精密分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SCIENTZ-10 N型冷凍干燥機，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 導電紗布制備

按照文獻[12]的方法制得的PPy/棉紗布具有優良的導電性能，其表面電阻可達2 S/cm。將脫脂棉紗布裁剪成5 cm×5 cm的大小，置于直徑10 cm的玻璃培養皿中，加入10 mL濃度均為0.36 mol/L的FeCl3和SSANa的混合溶液，于-24 ℃下預冷至液體凍結，隨后加入10 mL環己烷和Py(0.36 mol/L)的混合溶液，于2 ℃下反應24 h。反應結束后,將試樣用濃度為0.1 mol/L的鹽酸、無水乙醇和去離子水交替洗滌數次，于室溫下晾干。

1.3 CS水凝膠在導電紗布上的電泳沉積

稱量一定質量的CS粉末放入去離子水中，逐滴加入濃度為1 mol/L的鹽酸溶液，磁力攪拌一定時間使得CS粉末溶解。使用砂芯漏斗配合循環水真空泵抽濾除去不溶雜質，制得質量分數為1%的CS溶液，調節溶液pH為4.5，向溶液中加入H2O2，使混合液中的H2O2濃度為0.1 mol/L。根據試驗需要向CS溶液中加入一定質量的NaCl，溶液現用現配。電泳沉積在電化學工作站上進行，工作模式設置為恒電壓模式，采用兩電極體系，以鉑片為對比電極(陽極)，將所制備的導電紗布裁剪為1 cm×2 cm大小作為工作電極(陰極)。沉積一定時間后，制備的CS/PPy/棉紗布用去離子水輕輕沖洗后進行冷凍干燥。

1.4 性能測試與表征

1.4.1 試樣結構表征及性能測試

使用掃描電子顯微鏡對試樣的表面形貌進行觀察。使用傅里葉變換紅外光譜儀分析試樣的化學成分，掃描波數范圍為4 000～500 cm-1。使用轉靶X射線衍射儀對試樣的結晶性能進行分析，掃描角度范圍為0°～90°。使用熱重分析儀在氮氣保護下對試樣的熱穩定性進行分析，溫度范圍為30～800 ℃。

1.4.2 水凝膠沉積量的計算

稱取PPy/棉紗布電極的質量為m1，經電沉積并冷凍干燥后的CS/PPy/棉紗布電極質量為m2，CS/PPy/棉紗布上CS水凝膠的面積為S，計算單位面積上的CS沉積量(G)計算如式(1)所示。

G=(m2-m1)/S

(1)

1.4.3 試樣孔隙率測試

根據文獻[13]采用比重瓶法測量試樣內部孔隙率。在恒溫條件下，用比重瓶裝滿乙醇，稱得質量為mp1，將質量為mS的試樣浸入乙醇中，多次抽真空并超聲使得試樣內部氣泡脫除，待乙醇完全填滿試樣的孔隙后，向比重瓶中加滿乙醇，稱得質量為mp2；取出浸滿乙醇的樣品，稱取剩余的乙醇與比重瓶的質量為mp3；VS為多孔材料自身體積；VP為多孔材料的孔隙體積。設乙醇密度為ρe，則試樣內部孔隙率(ε)通過式(4)計算。

VS=(mp1-mp2+mS)/ρe

(2)

VP=(mp2-mp3-mS)/ρe

(3)

(4)

1.4.4 試樣溶脹率測量

采用稱重法測量試樣的溶脹率，稱取干燥狀態下的試樣質量為mD，隨后將試樣浸沒于去離子水中一定的時間，使其充分吸水，將試樣取出，用濾紙吸除試樣表面的去離子水后再次稱取其質量mT,則溶脹率(SR)通過式(5)計算。

(5)

1.4.5 潤濕性測量

使用接觸角測量儀測量試樣的靜態水接觸角，每個試樣測量5次，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 CS水凝膠的電泳沉積

CS是一種對pH響應的陽離子多糖，由于伯氨基的質子化，可以將其pH值提高到大于6.3來經歷可逆的溶膠-凝膠相轉變[14]。在電泳沉積過程中，陰極附近的H+被消耗，局部的pH值升高，部分CS分子去質子化，并從溶液中析出形成凝膠[15]。

在陰極電壓為0和-3 V的情況下，不同時間下CS/PPy/棉紗布表面CS的負載情況如圖1所示。在未施加陰極電壓的情況下，由于浸漬作用，紗布表面只有極少量的CS附著。然而在施加-3 V陰極電壓的情況下，短時間內紗布表面即有明顯的半透明狀的CS水凝膠的沉積，通過電鏡照片可發現紗布表面附著了一層致密的CS水凝膠膜，并且隨著通電時間的增加，CS的沉積量也增加，逐漸覆蓋了紗布表面。

為了進一步分析CS的沉積狀況，研究在不同電壓和NaCl濃度的條件下，預定時間點水凝膠的沉積質量，結果如圖2所示。由圖2(a)可知，CS沉積的量隨電壓的增大而增大，并且隨著沉積時間的增長，CS的沉積速率呈減小趨勢，主要原因是沉積過程中試樣電阻增大，使得電解反應減弱，沉積速率下降。試樣電阻的增加來自兩方面：一方面,CS沉積量增大使得試樣表面電阻增大；另一方面,通電過程中，試樣表面的聚吡咯發生了脫摻雜使得其自身電阻增大。由圖2(b)可知，當電解液中加入可溶性鹽后，增加了電解液的導電性，電解反應增強，CS的沉積量明顯增多。當電解液中的NaCl濃度為10 mmol/L時單位時間內CS沉積量最大，當繼續增加NaCl濃度時，CS沉積量開始減小。這一現象是由于NaCl的加入產生了電場屏蔽作用，阻礙CS向陰極遷移，隨著NaCl濃度增大，這種屏蔽作用使陰極上的CS沉積量開始減少。

圖1 電壓為0和-3 V時制備的CS/PPy/棉紗布的宏觀照片和SEM圖像Fig.1 Macro pictures and SEM images of the CS/PPy/cotton gauze prepared with voltages of 0 V and -3 V

圖2 CS沉積量與輸入電壓或電解液中NaCl濃度的關系Fig.2 The relationship between the amount of CS deposited and the input voltage or the concentration of NaCl in the electrolyte

2.2 沉積工藝參數對試樣微觀結構的調控

文獻[16]研究表明，材料表面的拓撲結構對于細胞的黏附、遷移和增殖分化等行為具有調控作用。利用電泳沉積的方式制備CS水凝膠，可實現CS水凝膠的孔隙結構和孔隙率的調控，對于材料的多樣化應用具有積極意義。陰極電壓均為-3 V、沉積時間均為4 min時，不同NaCl濃度下CS水凝膠涂層的SEM圖像如圖3所示。

圖3 不同NaCl濃度下CS水凝膠涂層的SEM圖像Fig.3 SEM images of CS hydrogel coating under different NaCl concentrations

由圖3可知，在沉積電壓和時間相同的條件下：當電解液中不添加NaCl時，CS沉積在PPy/棉紗布表面，形成一層較為致密的膜；當電解液中加入NaCl后，CS的沉積量明顯增多，覆蓋紗布原有結構，并且表面出現孔隙結構。隨著NaCl濃度的增大，孔隙直徑和孔隙率均增大，電解液中NaCl濃度分別為10、15、20 mmol/L時，CS水凝膠的孔隙率分別為(50.3±3.9)%、(64.6±1.2)%和(84.7±2.6)%。電解液中的可溶性NaCl對電場具有屏蔽作用，會使沉積過程中CS大分子鏈的遷移和排列受阻，因此更多的CS大分子原位去質子化析出，形成結構更為疏松多孔的凝膠結構。當NaCl濃度進一步增大(大于20 mmol/L)時，電場屏蔽作用會導致CS水凝膠原有的孔隙結構被破壞，通過SEM照片觀察可發現水凝膠表面出現較多的碎裂片層，表面孔隙均勻性較差。

電解液中NaCl濃度均為10 mmol/L和沉積時間均為4 min時，不同電壓下CS水凝膠涂層的SEM圖像，如圖4所示。由圖4可知，在其他沉積參數相同的情況下，沉積電壓的增大對水凝膠的沉積具有不利影響。因為在較大電壓下水的電解加劇，陰極產生大量氫氣泡，破壞凝膠的原有孔隙結構。從圖4可以看到，當電壓為-5 V時凝膠表面開始出現因氣泡破裂導致的大孔，當電壓為-7 V時出現了巨大的氣泡孔，影響材料的均勻性和完整性。

圖4 不同電壓下CS水凝膠涂層的SEM圖像Fig.4 SEM images of CS hydrogel coating under different voltages

2.3 結構表征

圖5 試樣的紅外光譜圖和X射線衍射圖Fig.5 FTIR and XRD of the samples

圖6為不同試樣的熱重曲線和DTG曲線。由圖6可知，PPy/棉紗布的熱失重表現出雙組分材料分解的特征，PPy/棉紗布與純棉紗布相比，前者初始分解溫度減小，由于在導電聚合的過程中使用的FeCl3對紗布具有一定腐蝕作用，使得其熱穩定性下降。當沉積電壓為-3 V，電解液中NaCl濃度為10 mmol/L時，利用CS/PPy/棉紗布樣品的熱重曲線可計算出CS組分的含量為81.4%。在PPy/棉紗布上沉積CS后形成CS/PPy/棉紗布的TG曲線只有一個失重階段，因為純CS試樣的失重溫度區間較廣，與棉纖維素和聚吡咯重合，因此試樣整體顯示出一個失重階段。

圖6 試樣的熱重曲線和熱重微分曲線Fig.6 TG and DTG curve of the samples

2.4 溶脹率與接觸角分析

NaCl濃度的改變可以調控CS水凝膠的孔隙結構和孔隙率，進而影響試樣的溶脹性能，溶脹性能是醫用敷料的重要指標。試樣表面的親疏水性能影響蛋白質吸附以及細胞的黏附、遷移和增殖分化[21]，因此對不同NaCl濃度下所制試樣的溶脹率和接觸角進行了測試。在電壓為-3 V、沉積時間為4 min時，不同NaCl濃度下沉積所得的CS/PPy/棉紗布試樣的溶脹率和水接觸角如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著電解液中NaCl濃度的增大，CS/PPy/棉紗布的溶脹率也增大。這是因為NaCl濃度增大使得CS/PPy/棉紗布表面的CS凝膠孔隙率增大，結構更為疏松，所以CS/PPy/棉紗布具有更好的吸水性能。PPy/棉紗布疏水性較高，水接觸角可達137.1°。由圖7(b)可知，經過電沉積制備的CS/PPy/棉紗布表面具有一層相對親水的CS,因此接觸角減小。隨著NaCl濃度的增大，CS/PPy/棉紗布表面的孔徑尺寸增大，液滴更容易進入試樣內部，試樣表面的接觸角逐漸減小。

圖7 不同NaCl濃度下制備的CS/PPy/棉紗布的溶脹率和水接觸角Fig.7 The swelling rate and water contact angle of CS/PPy/cotton gauze prepared at different NaCl concentrations

3 結 語

以PPy/棉紗布為基底，利用電泳沉積的方式制備CS/PPy/棉紗布，研究電泳沉積工藝參數對材料沉積動力學以及微觀結構調控的影響，并對材料的物化性能、溶脹率及接觸角進行了分析表征，得出以下主要結論：

(1)CS水凝膠的電沉積是一種物理過程，不涉及化學反應。水凝膠的沉積速率隨著時間的增加而減小，可以通過輸入電壓、NaCl濃度來調節CS水凝膠的沉積速度。當電壓為-3 V時，不易產生氣泡，CS水凝膠涂層相對完好；當NaCl濃度為10 mmol/L時，CS的沉積速度最大。

(2)CS水凝膠涂層的微觀結構可以通過電解液中NaCl濃度進行調控，隨著NaCl濃度的增大，CS水凝膠的孔徑和孔隙率增大，進而影響材料的溶脹率以及接觸角的大小，提高了脫脂棉紗布材料的功能性。

(3)該CS/PPy/棉紗布具有生物功能性表面、可調的孔隙結構和導電性，有望成為促進傷口愈合及再生的高性能敷料。