载药止血复合膜的制备及性能研究

蔡永其，张 梅，李婉红，井华芳，傅昊熙

(闽江学院海洋学院，福建 福州 350108)

海藻酸钠(SA)是一种阴离子多糖，含有大量的羧基，具有良好的成膜性，保湿性，生物相容性和生物降解性等特点，是理想的天然生物医用材料[1-2]。壳聚糖(CS)是一种阳离子多糖，含有大量的氨基，有较强的化学活性，同样具有很好的生物相容性和生物降解性，且具有一定的抗菌和止血功能[3-4]。聚乙烯醇(PVA)是有聚醋酸乙烯酯经水解得到的无毒亲水性高聚物，含有大量的羟基，具有良好的力学性能和生物相容性，是一种较好的成膜材料及理想的生物医用材料[5-6]。仙鹤草(AgrimoniapilosaLedeb.)属蔷薇科龙牙草属多年生植物，其地上部分，又名龙牙草、马鞭草、石打穿等，分布范围广，原料来源丰富，具有多种药理作用[7]，徐威等构建大鼠皮肤损伤和烫伤模型、探讨仙鹤草的收敛止血功效和抗菌功能[8]，刘位杰等概述了仙鹤草的化学成分及抗肿瘤、降血糖、抗炎等药理活性[9]。为了提高共混合膜的多种理化性能，把壳聚糖和海藻酸钠的良好生物相容性与聚乙烯醇优良的成膜性和力学性能，及仙鹤草具有的收敛、止血、抗菌等药效的优点相结合制备共混合膜，以期制备一种能在伤口包扎，止血材料等应用的性能优良的新型医用敷料。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：壳聚糖(脱乙酰95%)、海藻酸钠，1799型聚乙烯醇(醇解度98%～99%)均为阿拉丁分析纯试剂，仙鹤草提取物购于陕西信瑞生物科技有限公司。

仪器：高速匀浆机(江苏新瑞)，NDJ-8S数字显示粘度计(上海精密科学)，微机控制电子万能试验机(美特斯工业系统)。

1.2 实验方法

1.2.1 复合膜的制备

称取一定量的壳聚糖，溶于100 mL体积浓度为1.0%的乙酸水溶液中，加热至45℃，磁力搅拌至壳聚糖完全溶解，静置备用。称取一定量的海藻酸钠，溶于100 mL蒸馏水中，加热至45℃，磁力搅拌至海藻酸钠完全溶解，静置备用。称取一定量的聚乙烯醇，溶于100 mL蒸馏水中，加热至80℃，磁力搅拌至聚乙烯醇完全溶解，过滤掉不溶物，静置备用。称取一定量的仙鹤草提取物，溶于50 mL蒸馏水中，玻璃棒搅拌至仙鹤草提取物完全溶解，过滤不溶物，静置备用。

按一定比例混合以上4种溶液，加入0.5 mL甘油作为增塑剂，高速匀浆机混匀，转速为10 000 r·min-1，溶液均质30 min，超声去除气泡。混合液浇入100 mm×100 mm方形培养皿内流延成型，40℃烘干，取膜，冷却。

1.2.2 正交试验设计

采用L16(44)正交试验设计，以聚乙烯醇、海藻酸钠、壳聚糖和仙鹤草质量分数作为试验因素，吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度作为考核指标，进行优化筛选。

1.2.3 性能测试

1.2.3.1 吸水率

参考 Ercelik[10]的方法测定。将复合膜剪成 2 cm×2 cm，置室温蒸馏水中浸泡24 h后，用滤纸将膜表面的水分吸干，称重m1，再将膜置于烘干箱中烘干至恒重称重为m0，计算公式为：

(1)

式中：M为吸水率，%；m1为浸水后吸干膜表面水分后的膜重，g；m0为干燥后的膜重，g。

1.2.3.2 水蒸气透过率

用复合膜将装有蒸馏水的称量瓶口密封，称重M0；室温静置24 h后，称重M1；量称量瓶瓶口直径，计算瓶口内切面积，复合膜的水蒸气透过率计算公式为：

(2)

式中：W为水蒸气透过率，g/(h·m2)；t为24 h；S为称量瓶瓶口内切面积，m2；M0为称量瓶加蒸馏水的初始质量，g；M1为室温静置 24 h 后质量。

1.2.3.3 力学性能

拉伸强度参照GB/T1040.3-2006进行测试，将复合膜剪裁成5cm×2cm长条，然后垂直平整地固定于微机控制电子万能试验机，设置参数：拉伸速度为50mm/min。每个试样做3个平行组，取平均值。计算公式为：

(3)

式中：Ts为拉伸强度，MPa；F为复合膜断裂时的最大张力，N；b、d为复合膜宽度与厚度，m。

2 结果与讨论

2.1 单因素结果与分析

2.1.1 PVA含量对复合膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响

当海藻酸钠质量分数恒为0.5%，壳聚糖质量分数恒为1.0%，仙鹤草提取物质量分数恒为0.3%时，随着PVA质量分数的增加，复合膜的吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度呈先上升后下降的趋势。聚乙烯醇含有大量的亲水性-OH，适当的PVA加入，可以使复合纤维膜具有一定的吸水性和拉伸强度。高分子共混膜的水蒸气透过率与膜的厚度、结构致密程度、结晶程度等有关。随着PVA含量的增多，高分子链之间的氢键增加，各个成分结合更紧密，水蒸气透过率反而下降。综合吸水率、拉伸强度和水蒸气透过率结果，选择PVA质量分数为1.5%、1.7%、1.9%、2.1%继续进行正交实验。

图1 PVA含量对样品膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响Fig.1 Effect of PVA content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.2 SA含量对复合纤维膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响

当聚乙烯醇质量分数恒为2.1%，壳聚糖质量分数恒为1.0%，仙鹤草提取物质量分数恒为0.3%时，随着SA质量分数的增加，吸水率平缓后到0.7时呈上升的趋势，水蒸气透过率则迅速上升，在0.9时达到最高，而后下降，拉伸强度则呈现持续出下降趋势。这可能是因为SA与壳聚糖两者的静电作用，消弱复合膜中高分子链之间的氢键作用，降低分子链运动的阻力，拉伸强度下降，同时各组分结合程度降低，致密度也随之降低，水蒸气透过率较大。综合吸水率、拉伸强度和水蒸气透过率结果，选择SA质量分数为0.3%、0.5%、0.7%、0.9%继续进行正交实验。

图2 SA含量对样品膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响Fig.2 Effect of SA content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.3 CS含量对复合纤维膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响

当聚乙烯醇的质量分数恒为2.1%，海藻酸钠质量分数恒为0.5%，仙鹤草提取物质量分数恒为0.3%时，随着CS质量分数的增加，吸水率、水蒸气透过率、拉伸强度都呈先上升后下降的趋势。CS含量的增加，增强了带正电的壳聚糖高分子与带负电的海藻酸钠高分子之间的静电作用。当聚电解质达到电中和时，复合膜具有合适的吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度。综合吸水率、拉伸强度和水蒸气透过率结果，选择质量分数为1.0%、1.3%、1.6%、1.9%的CS继续进行正交实验。

图3 CS含量对样品膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响Fig.3 Effect of CS content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.1.4 仙鹤草提取物含量对复合纤维膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响

当聚乙烯醇质量分数恒为2.1%，壳聚糖质量分数恒为1.0%，海藻酸钠质量分数恒为0.5%时，随着仙鹤草提取物质量分数的增加，复合纤维膜的吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度均呈下降趋势。仙鹤草提取物虽有较好的药理作用，但对成膜性能有一定的影响，所以其含量不能太高。综合吸水率、拉伸强度和水蒸气透过率结果，选择质量分数为0.1%、0.5%、0.9%、1.3%的仙鹤草提取物进行正交试验。

图4 仙鹤草提取物含量对样品膜吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度的影响Fig.4 Effect of Agrimonia pilosa extract content on water absorption, vapor transmission and tensile strength

2.2 正交试验结果与分析

根据单因素实验结果，应用DPS统计分析软件进行四因素四水平正交试验设计，并进行吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度指标测定。聚乙烯醇、海藻酸钠、壳聚糖和仙鹤草提取物作为试验因素，吸水率、水蒸气透过率和拉伸强度作为考察指标。

正交试验结果处理分析采用综合评分法中排队评分法进行评定计算[11-12]。复合膜的各指标数据及各指标评分结果如表2，正交试验结果和极差分析见表3和表4。由表2可知，12号复合膜综合得分24.28最高，复合膜的综合性能相比于其他组最佳。由表4排队评分法极差分析结果，得到复合膜综合性能的因素主次关系为：A>B>D>C，即聚乙烯醇>壳聚糖>仙鹤草提取物>海藻酸钠。复合膜的最优组合为A3B4C2D1，即复合膜综合性能最佳的条件是PVA、壳聚糖、海藻酸钠、仙鹤草提取物质量分数分别为1.9%、1.9%、0.5%、0.1%。

表2 L16 (44)正交试验排队评分法结果

续表2

表3 L16 (44)正交试验结果

表4 复合膜排队综合得分R的极差分析

表 3 正交试验结果表明，PVA、壳聚糖、海藻酸钠、仙鹤草提取物这4种因素对复合膜的性能均有一定程度的影响。PVA、壳聚糖、海藻酸钠这3种因素分子结构中均含有大量羟基，易形成分子间氢键，分子间作用力增强，分子结合更紧密，一定程度上会提高力学性能。但是这3种因素除了有氢键作用外，还存在影响较大的静电作用，它则会消弱复合膜中高分子链之间的氢键，仙鹤草提取物分子作用力弱，它的加入，也会降低力学性能。但是作为医用敷料，除了要有一定的力学性能外，还要有一定的吸水性能和透气性能，即保持医用敷料的吸液性和透气性，因此，根据正交试验的结果四种因素适当的比例混合既能能提高医用敷料的多项性能，又因加入了天然药物仙鹤草，提高了其止血抗菌性能。

3 结论

正交试验结果显示复合膜制备的质量分数最佳组合是PVA、壳聚糖、海藻酸钠、仙鹤草提取物质量分数分别为1.9%、1.9%、0.5%、0.1%。该组合的吸水率、水蒸气透过率、拉伸强度等物理指标均较优。影响复合膜综合性能因素的大小为：PVA>壳聚糖>仙鹤草>海藻酸钠。本实验通过流延法制备出具有止血抗菌功能的新型医用敷料—PVA/壳聚糖/海藻酸钠/仙鹤草提取物复合膜，创新性的增加了抗菌止血的仙鹤草提取物，强化了复合膜的功能性。同时复合膜主要通过分子间静电作用和氢键作用形成，该复合膜组合的材料均具有很好的生物相容性和生物降解性，是一种可自然降解的理想型医用敷料。