壳聚糖/ACF的制备及抗菌性能研究

熊亮 韦加娜 陈锦涛

摘要：以ACF为载体，将聚乙二醇（PEG400）改性的壳聚糖膜负载于其表面，制得了壳聚糖/ACF复合材料。研究结果表明，当柔性改性的PEG400质量分数为20%时，改性的壳聚糖膜的柔性特征最佳，并且ACF在负载该膜后其表面微孔结构并未发生很大的改变，抑菌结果测试表明，该复合材料对白色念珠菌的抑菌率可达100%。

关键词：活性炭纤维；壳聚糖；敷料；吸附性；抑菌性

活性炭纤维（activated carbon fiber， ACF）是继颗粒活性炭（GAC）以后在20世纪70年代逐渐发展起来的新型活性炭。ACF与以往的活性炭相比，比表面积大，含量丰富的微孔占总体积的90%左右，孔径分布狭窄且均匀，微孔孔径大多在1nm左右，没有大孔和过渡孔，吸附、脱附速度快，对于痕量物质有很好的吸附能力，可塑性和再生性强。ACF表面有各种官能团，对于金属离子、某些有机物及某些气体有很好的选择性吸附功能，是一种新型的高效吸附剂，在医疗卫生界有较好的应用前景，特别适用于对伤口的吸附和护理。然而，ACF本身不具备抗菌官能团，在护理伤口时非常容易使伤口感染。[12]

壳聚糖为（1，4）2乙酰氨基2脱氧βD葡萄糖，由甲壳素脱乙酰基而得，是一种极为丰富的天然再生资源，具有无毒、无副作用、生物相容性好、可生物降解、可杀菌等特点。壳聚糖具有优异的成膜性能，可制作超滤膜、渗透膜、气体分离膜、固化酶膜、离子交换膜、医学用膜等。目前壳聚糖膜已成为研究和开发的热点，尤其是它作为天然的物质具有生物相容性好和抑菌能力强的特点，引起了医学界的学者们越来越多的重视。但壳聚糖存在大量的羟基和氨基，易形成分子内或分子间的氢键，溶解性较差。此外，由于壳聚糖属于刚性分子，纯壳聚糖膜力学性能差，比较脆，限制了它在医学界的使用范围。[34]

本文针对ACF在作为伤口护理敷料的不足，以ACF为载体，研究负载柔性壳聚糖膜从而赋予其抑菌性能的制备工艺。

1 实验部分

1.1 儀器及材料

（1）主要仪器：Phenom Pro X型扫描电镜（复纳科学仪器）；KK22F57TI电热鼓风干燥箱（上海一恒）、DHP9602电热恒温培养箱（上海一恒）；SPH2102C新颖立式恒温振荡器（广州广一科学）；BXM30R立式压力蒸汽灭菌器（上海博迅）；SWCJ1FDA单人净化工作台（苏州净化）。

（2）活性炭纤维（ATZ1300500），壳聚糖（脱乙酰度82%，国药集团化学试剂有限公司），所用试剂均为分析纯（特别标注的除外），采用纯净水配制各种浓度的溶液。

1.2 壳聚糖/ACF的制备[56]

（1）ACF的活化：以2%的NaHCO3为电解液，经清洗后的粘胶基活性炭纤维毡（ACF）为阳极，不锈钢条棒为阴极，在40℃的电解温度和2.0 mA/cm2的电流强度下电解90 s，使ACF发生阳级氧化。然后取出ACF，用清水冲洗干净，并于110℃下干燥；

（2）壳聚糖的柔性改性：称取1.5 g壳聚糖并加入1%的冰醋酸中配制成溶液A，称取聚乙二醇（PEG400）加入1%的冰醋酸溶液中配成质量百分比为0%、10%、20%、30%、40%、50%的PEG400溶液B。量取10 mL溶液B加入到溶液A中并在200 r/min的机械搅拌下混合1.5 h，制备出聚乙二醇/壳聚糖共混溶液。

（3）膜的负载：取适量经阳极氧化的活性炭纤维毡于5g/L上述溶液中浸渍半小时，取出后离心甩干，然后经5%的NaOH浸泡30 min后，反复水洗并于75%酒精浸泡后，自然沥干，最终于40℃的真空干燥箱中干燥即得。

1.3 抗菌性能评价

采用改良振荡瓶法试验测定活性碳纤维的灭菌性能。[7]所用菌种为白色念珠菌（Candida albicans），菌液浓度为105～107cfu/mL。首先在三角瓶中加入缓冲生理盐水及载银活性碳纤维，在0.1MPa蒸汽中灭菌20min，冷却至室温，用1mL移液腔吸取1mL菌液，移入上述三角瓶。为使试样和细菌充分接触，在37℃摇床振荡一定时间。取0.1mL振荡后溶液涂于营养琼脂培养基上，经37℃、24h条件培养后，以稀释平板法进行菌落计算，算出抑菌率。

2 结果与讨论

2.1 表面形态分析

下图为活性炭纤维在负载改性壳聚糖膜前后的SEM图，其中图1为未负载膜且未经阳极氧化的活性炭纤维的表面形貌，图2为阳极氧化后且负载有经改性的壳聚糖膜的活性炭纤维表面形貌。

从图中可以看出，活性炭纤维原始的表面形貌较为平坦，由丝状纤维构成；经阳极氧化后，其表面变得稍显粗糙，且其表面不同程度地负载有改性壳聚糖膜。这是因为，活性炭纤维经阳极氧化工艺，其表面结构得以成功改性，具有机械咬合作用，从而提高了炭纤维与改性壳聚糖的粘结强度。因此，当经阳极氧化改性的活性炭纤维浸渍于壳聚糖与PEG的粘性混合溶液中，壳聚糖膜能稳定的负载在活性炭纤维表面。

2.2 力学性能[8]

将所制得含不同聚乙二醇质量分数的复合膜裁剪成哑铃型标准试样，于室温、相对湿度65%的环境中调湿48h以上至恒重。参照GB/T 104092《塑料拉伸性能试验方法》，以电子万能试验机测试复合膜的拉伸强度和断裂伸长率，拉伸速率50mm/min，每个试样测5次，取平均值，测得的结果如图3所示。

从图中可以看出，在壳聚糖膜中引入少量的PEG能显著提高复合膜的拉伸强度，并且当PEG溶液的质量分数为20%时，改性壳聚糖膜的力学性能最佳。由此可知，引入聚乙二醇能显著改善壳聚糖硬而脆的力学性能。

2.3 吸附性能

准确称取干燥ACF试样0.5g，剪成小碎片，并置于干燥的100mL碘量瓶中，准确加入（1+9）盐酸10.0mL，使试样充分湿润，并加热至沸，微沸（30±2）s，冷却至室温后，加入50.0mL的0.1mol/L碘标准溶液。立即塞好瓶盖，振荡15min，迅速过滤到干燥烧杯。然后用移液管吸取10.0mL滤液，移入250mL碘量瓶，并加入100mL水，用0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液进行滴定，当溶液变淡黄色时，加2mL淀粉指示液，继续滴定至刚好无色，记录下使用的硫代硫酸钠体积，按标准公司计算碘吸附值，其结果如下图所示。

从图中可以看出，活性炭纤维在载膜后的碘吸附值与载膜前比较，其值降低得并不显著。这表明活性炭纤维在负载改性壳聚糖膜后，其表面微孔结构并没有受到严重的破坏，仍然保留着较好的吸附性能。

2.4 抑菌性能

将所制备得到的表面负载有改性壳聚糖膜的活性炭纤维采用上述的振荡法进行抑菌性能的测试，其结果如下图所示。

从图中可以清晰地看出，空白试样的白色念珠菌经18h后，其繁殖较快，表明该菌种能理学繁衍生殖。而从含改性壳聚糖膜的活性炭纤维的试样经0接触和18h接触对比可以明显看出，白色念珠菌的生长繁殖得到很大的抑制。根据公式计算，其抑菌率达100%，表明所制备得到的含改性壳聚糖膜的活性炭纤维的抑菌性能十分优异。

3 结论

本方通过对活性炭纤维（ACF）表面结构的修饰改进，并将经聚乙二醇（PEG400）柔性改性的壳聚糖膜负载于ACF表面，其结果表明，该活性炭纤维具有一定的抑菌性能，克服了ACF作为伤口敷料易使伤口感染的不足。与此同时，载膜后的ACF，其表面微孔結构并未发生很大的改变，仍然具有较强的吸附性能；另一方面，由于负载于ACF表面的膜具有较好的柔性，用作伤口敷料时能增强患者使用的舒适性，从而为其进一步的产业化应用提供了更多的可能。

参考文献：

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[3]杨犇，何东宁，秦博恒，等.载锌功能化多壁碳纳米管/壳聚糖复合支架的制备与性能评价[J].中国组织工程研究，2018，22（6）：889895.

[4]王礼，邓卫利，莫建光，等.壳聚糖在中医药领域的应用进展[J].广西中医药大学学报，2016，19（2）：9092.

[5]丁明惠，盖登宇，王高升.聚乙二醇改性壳聚糖薄膜结构与性质的研究[J].化学工程师，2007，21（8）：1618.

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[8]韩军凯.ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在医用塑料和船舶防污漆中的应用研究[D].青岛科技大学，2011.