交联改性对敷料用壳聚糖/聚氧化乙烯纳米纤维膜性能的影响

汪希铭，程 凤，高 晶，王 璐

(东华大学 纺织学院，上海 201620)

壳聚糖(CS)及其衍生物作为可再生天然高聚物，由于其独特的理化性质及广泛的来源而受到持续地关注。CS具有优异的组织相容性、生物可降解性、非致敏性、无细胞毒性以及独特的阳离子抗菌性能[1]，因此，其在药物递送、药物缓释[2]、组织工程[3]、伤口敷料[4]等领域被大量应用。静电纺丝是一种快速、高效地制备多尺度微纳米纤维成形的手段。通过静电纺成形的纤维膜由连续的超细纤维组成，具有高孔隙率、高透气性、多尺度孔径分布、高比表面积的特点[5]，且具有与细胞外基质相类似的纳米纤维网络结构。

近年来，静电纺壳聚糖纳米纤维膜作为伤口敷料的研究不断被报道。付译鋆等[6]以环丙沙星为药物模型，利用静电纺丝方法获得了具有载药功能的CS/聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜，其成形良好，具有可控且相对较低的药物释放速率。Adeli等[7]制备了静电纺聚乙烯醇/CS/淀粉纳米纤维膜，其在干湿状态下均表现出良好的力学性能、高孔隙率、高吸湿率和较高的水蒸气透过率，可有效地保护伤口免受细菌感染。Chen等[8]利用序列静电纺丝法制备了CS/PVA多层静电纺丝膜，其优化的空间结构能够为细胞黏附和迁移提供适宜的微环境，并表现出优异的生物相容性、抗菌活性以及促再生功能。Ren等[9]将负载广谱抗菌药物氯己定二葡萄糖酸酯的埃洛石纳米管(HNTs)分散至丝素蛋白(SF)/CS 混合物中，通过静电纺获得具有微纳结构的纤维膜敷料，该纤维膜兼具稳定的力学性能、抗菌活性和止血性能，较一般载药敷料具有更长的药物释放时间，且具备酸性环境下药物响应性释放的功能，在生物医学方面有很大的应用潜力。

由于CS具有特殊的刚性分子链结构及聚阳离子特性，纯CS很难被溶解而纺制成纳米纤维膜[10]，因此，一般将CS与其他高聚物如聚环氧乙烷(PEO)[11]或聚乙烯醇(PVA)[12]共混并溶于稀酸溶液[13]。共混物之间所形成的氢键导致高聚物之间的分子链缠结作用增大，降低纺丝溶液的导电性，从而大大地改善壳聚糖的可纺性[14]。此外，CS基纳米纤维在水相环境中会吸湿溶胀，降低纤维膜的孔隙率、透气性，且对其独特结构优势造成破坏，因此，作为伤口敷料功能层，CS基纤维膜必须通过交联改性处理，以获得更好的结构稳定性和耐水性，解决其在伤口组织液浸润后的结构不稳定问题。本文通过化学交联剂戊二醛(GA)，对CS/PEO静电纺纳米纤维膜进行交联处理，并通过扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、 单纤维强力仪等对交联前后CS/PEO纳米纤维膜的微观形貌、结构稳定性和力学性能等进行表征，探究交联改性对CS/PEO纳米纤维膜结构和性能的影响，以期更好地应用于伤口敷料。

1 实验部分

1.1 实验材料

壳聚糖(CS，脱乙酰度大于92%，黏度为180 mPa·s，浙江金壳生物化学有限公司)；聚环氧乙烷(PEO，平均分子质量为9×105ku，百灵威科技有限公司)；GA溶液(分析纯，质量分数为25%，国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 实验仪器

SS-1型静电纺丝机,北京永康乐业科技发展有限公司；LLY-006型单纤维强力仪，莱州市电子仪器有限公司；TM-3000型扫描电子显微镜，日本Hitachi公司；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪，美国 Thermo Fisher公司；D/max-2550 PC型X射线多晶衍射仪，日本Rigaku公司。

1.3 实验方法

1.3.1 CS/PEO纺丝溶液的制备

室温条件下，使用90%的冰醋酸溶液作为溶剂，将CS与PEO以质量比为9∶1，经磁力搅拌至完全溶解，得到质量分数为5%的CS/PEO纺丝溶液。

1.3.2 CS/PEO纳米纤维膜的制备

取5 mL注射器吸取一定量的CS/PEO纺丝溶液后，将其头端与内径为1.7 mm的针头相连，开启电源进行静电纺丝。电压设置为10 kV，推注速度为0.8 mL/h。 针头到接收装置的距离为20 cm。连续纺丝6 h后制得CS/PEO静电纺纳米纤维膜，真空干燥4 h后置于干燥器中待用。

1.3.3 CS/PEO纳米纤维膜的交联改性

取一定量的GA溶液于培养皿中，放置于干燥器底部，将制备好的CS/PEO纤维膜裁剪为合适大小后，放置在干燥器底部的支架上，于室温下利用GA蒸汽进行交联，时间分别为0(未交联)、4、8、12和24 h。交联完成后试样经真空干燥处理一定时间，使残留GA 完全去除后密封保存于干燥器中。

1.3.4 微观形貌观察

通过扫描电子显微镜对交联处理前后纤维的微观结构进行观察,从不同图像中选取至少100个点对纤维直径进行测量分析。加速电压设置为5 kV。

1.3.5 化学结构测试

通过傅里叶变换红外光谱仪表征CS粉末、PEO纤维膜、CS/PEO纳米纤维膜的化学结构，波数范围为4 000～400 cm-1。

1.3.6 结晶结构测试

通过X射线多晶衍射仪测定各样品的结晶结构。参数设置为：电压40 kV，扫描速度3 (°)/min，扫描范围5°～60°。

1.3.7 吸水率和质量损失率测试

将5种交联时间(0、4、8、12、24 h)处理后的样品，采用称取质量法测量其吸水率及质量损失率。将样品裁剪成一定大小，记录其初始干态质量(m0)；然后置于模拟PBS缓冲液(pH=7.2)中24 h后，使用蒸馏水冲洗3次，将滤纸置于试样表面以吸干其表面水分，并记录湿态质量(mw)，冷冻后真空干燥并记录纤维膜质量(md)。3次平行实验后，由下式求得其平均吸水率(W)和平均质量损失率(S)：

1.3.8 力学性能测试

采用电子单纤维强力仪在温度为20 ℃、相对湿度为 65%条件下，以10 mm/min的拉伸速度对试样进行拉伸实验，隔距长度设置为 10 mm。每种试样测5次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 交联改性对纳米纤维膜形貌的影响

壳聚糖基纳米纤维膜在伤口组织液浸润后需保持细胞外基质的类似结构，因此，对其进行交联改性后的纤维形貌进行观察，结果如图1所示。图中左侧为CS/PEO纳米纤维膜分别经25%的GA蒸汽于室温下交联0、4、8、12和24 h的微观形貌图。可知，不同交联时间的纤维直径分别由未交联的310 nm 增加至404、436、537和598 nm。这可能是由于在交联反应过程中，纤维受到GA蒸汽中水分的影响而发生溶胀效应，随交联时间的增加，纤维与水的作用时间变长，纤维溶胀程度不断增加，体现为纤维直径变大。

图1中右侧为交联处理前后纤维膜在PBS中浸泡24 h后的微观形貌。可以看出，未交联的纤维膜在PBS浸泡后,发生明显地溶胀、软化和交缠；而在交联后，随着交联处理时间不断增加，经PBS浸泡后纤维形貌均匀性得到提升，光滑度不断提高，这说明交联处理可有效提高CS/PEO纳米纤维膜的耐水性，且交联时间越长，耐水性越好，这为其抵抗伤口组织液浸入发生结构形变提供了很好的解决方案。

图1 不同交联时间的纳米纤维膜经PBS浸泡24 h 前后的扫描电镜照片(×5 000)Fig.1 SEM images of nanofiber membranes under different cross-linking time before and after soaked in PBS for 24 h(×5 000)

2.2 交联改性对纳米纤维膜结构的影响

图2示出交联改性前后纳米纤维膜红外光谱图。可知，加入PEO后 3 400～3 100 cm-1处醇羟基(—OH)、 氨基(—NH)吸收峰在壳聚糖分子内氢键的作用下重叠增宽，与1 594 cm-1处CS上氨基(—NH)的吸收峰[15-16]分别转移到3 362和1 558 cm-1处，且2 876 cm-1处—CH2的伸缩振动吸收峰强度增强。这是由于CS在PEO中醚键的影响下，原有的分子内氢键转变为氨基与PEO中醚键形成的分子间氢键[17]，使得CS结晶度降低从而提升了其可纺性。与纯CS相比，CS/PEO共混纤维膜中—CH2吸收峰峰强增加大且向高波数移动；且纯CS红外光谱图中位于1 070～1 030 cm-1之间的2个孤峰变为不可分的肩峰，并向高波数移动[15]。由此推断出PEO加入后，CS分子中的分子内氢键被破坏，CS中的氨基、酰胺基与PEO中的氢分别产生了新的氢键作用，影响了CS大分子的结晶结构，有效提升了CS的纺丝性能，且证明了PEO与CS相容性良好[18-19]。

图2 纳米纤维膜和CS的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra analysis on nanofiber membranes and CS

图3示出纳米纤维膜的X射线衍射光谱图。可知，在纯CS粉末的X射线衍射图中，特征衍射峰分别位于2θ为14.5°、20.1°、28.1°以及29.5°处，其结晶度为44.72%。

图3 纳米纤维膜和CS的X射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction spectra of nanofiber membranes and CS

2.3 交联改性对吸水率和质量损失率影响

图4示出不同交联时间的CS/PEO纳米纤维膜在PBS中处理24 h后的吸水率和质量损失率。

图4 不同交联时间的纳米纤维膜在PBS溶 液中浸泡24 h后的吸水率与质量损失率Fig.4 Water absorption(a) and dissolution(b) ratio of nanofiber membranes under different cross-linking time after soaked in PBS for 24 h

从图4 (a)可见，交联处理4 h后，随着交联时间的不断增加，纤维膜吸水率呈现先降低后升高的趋势。由图4 (b)可知，交联改性后的纳米纤维膜质量损失率大幅度降低，且随着交联改性时间的增加，纤维膜的质量损失率呈小幅度下降趋势。其原因可能是交联处理后，CS分子链之间形成共价交联网络，纤维膜结构变得更加紧密，阻止了PEO的溶出，表现为纤维膜的质量损失率大幅度下降，而吸水率在排除纤维膜溶失部分影响后有所降低；与此同时，交联处理后CS分子链中部分氨基脱离分子间氢键的束缚，转变为游离态，从而造成了纤维膜吸水性的提高；随着交联时间的继续延长，过度交联使得纤维间粘合破裂，纤维中孔隙增多，因而吸水率不断增加。可见，适当时间交联处理后的纳米纤维膜的吸水率和质量损失率变化特点符合作为伤口敷料功能层的实际需求，即交联处理后的纳米纤维膜能够更多地吸收组织液，以达到清创的效果；同时内部结构更加稳定，自身溶失较少，不会对敷料结构产生较大的影响。

2.4 交联改性对纳米纤维膜力学性能影响

表1示出CS/PEO纳米纤维膜在干燥状态下的拉伸性能测试结果。可知：随交联时间的不断增加，CS/PEO纳米纤维膜的断裂强度呈先升高后降低趋势，在交联处理时间为8 h时断裂强度与断裂伸长率均达到最大值，分别为(3.85±0.59) MPa与(4.62±1.24)%。这是由于CS分子中的氨基与GA分子中的醛基发生反应形成刚性亚胺键，从而使主要由氢键、范德华力等作用力形成的较弱自连网络，被共价键形成的网络所取代，因此，纳米纤维膜的强度和脆性均得到显著提升。由于纳米纤维膜作为伤口敷料的功能层覆盖于伤口之上，对其拉伸和撕扯的力较弱，因此，纳米纤维膜力学性能一定程度的变化不会对其使用产生过度影响。

表1 不同交联时间的纳米纤维膜的力学性能Tab.1 Mechanical property of nanofiber membranes under different cross-linking time

3 结 论

本文采用乙酸为溶剂制备壳聚糖/聚氧化乙烯(CS/PEO) 静电纺纳米纤维膜，探究戊二醛交联不同时间后纤维膜微观形态、结构稳定性及力学性能等的变化。CS/PEO纳米纤维膜交联前后的扫描电镜测试表明，随着交联时间的不断增加，纤维在水的作用下发生溶胀，直径有所增加；纳米纤维膜PBS浸泡实验显示，随着交联时间的延长，PBS处理后纤维的形貌更加稳定，光滑度逐渐增加，交联改性可显著提高纤维膜的耐水性能，使其更适合应用于伤口敷料。经交联处理后CS/PEO纤维膜中CS与GA分子生成刚性亚胺键，分子间形成共价交联网络，并使得CS大分子固有结晶结构发生重排。

CS/PEO纤维膜交联前后的吸水率和质量损失率测试结果表明，随着交联时间的不断增加，纤维膜结构致密化，其吸水率得到提升，质量损失率降低，证明了交联处理对纤维膜结构稳定具有积极影响；纤维膜的力学性能测试分析结果显示，交联处理后CS/PEO纤维膜随着处理时间的增加其力学强度呈先升后下降趋势，因此，适当的交联处理可一定程度上提升纳米纤维膜的强度和韧性。