聚乙烯醇/海藻酸钠/黄连素医用敷料制备及其性能

王春红， 李 明， 龙碧旋， 才英杰， 王利剑， 左 祺

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2. 河北科技大学 纺织与服装学院， 河北 石家庄 050080)

在人体创伤愈合过程中，医用敷料能起到保护创面、吸附渗出、防止感染、清除坏死组织等作用[1]。目前，我国绝大多数医疗机构仍将棉质纱布、绷带等作为常用的医用敷料，但传统医用敷料易与伤口粘连、保湿性能差，且需经常更换[2]，难以满足慢性伤口护理的需求。医用敷料理想情况下应具备以下特点：使用方便、致敏性低、成本适中；保持创面的湿润环境；隔离外部污染、清除坏死组织、吸收渗出液；无毒无害与人体相容性良好[3]。以天然材料(胶原蛋白、壳聚糖、细菌纤维素、丝素蛋白、海藻酸盐等[4-5])为原料经静电纺丝制备的新型医用敷料，对于传统敷料的替代以及理想敷料的开发和研究具有重要意义。

海藻酸钠(SA)是从天然藻类中提取出的多糖共聚物，其大分子链是由β-D甘露糖醛酸(M)和α-L古洛糖醛酸(G)组成[6]。SA是一种天然材料，与人体相容性较好，在理想敷料的开发上有广泛的应用前景，可较好地替代传统敷料。然而单一的海藻酸盐敷料其力学性能和抗菌性能不足[7]，不能较好地支撑创面以及抑制创面感染菌滋生，因此，在静电纺丝过程中常与聚乙烯醇(PVA)共混提高力学性能[8]，并添加抗菌物质以增强抗菌性能，抑制伤口的恶化。PVA具有良好的生物相容性以及力学性能，吸湿性较好，可作为改性剂增强海藻酸钠的可纺性以及力学性能[9-11]。

针对PVA/SA纳米纤维膜的抗菌性能，国内外研究人员以PVA/SA为载体，添加纳米氧化锌ZnO、磷酸锆钠银、层状硅酸盐等无机抗菌剂[12-14]，研究抗菌改性后金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌性以及细胞毒性。虽然无菌抗菌剂提高了敷料的抗菌性能，且具有较低的细胞毒性;但无机抗菌剂仍容易在人体积累，对人体产生一定的伤害，因此，研究人员发现了一系列从中草药中提取的天然抗菌剂，其中黄连素(BR)是一种具有广谱抗菌、药源广泛、价格低廉，不易产生耐药性，还可提高机体免疫力的抗菌添加剂[15-17]。在静电纺丝过程中添加天然抗菌剂BR，能与海藻酸钠起到协同抗菌作用，充分发挥BR的药用功效，制备出与人体相容、抗菌效果好的的医用敷料。

基于以上分析，本文选用PVA/SA为载体，在静电纺丝过程中添加天然抗菌剂BR来提高敷料的抗菌性能，并与氯化钙交联处理提高敷料的耐水性能。主要探究了不同质量分数BR对纤维膜外观形貌、力学性能以及抗菌性能的影响；同时还探究了氯化钙交联处理对纤维膜外观形貌、吸液倍率以及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚乙烯醇(PVA，pH值为5～7，醇解度为88%，广州市涛升化工有限公司),海藻酸钠(SA，pH值为7～8，天津福晨化学试剂厂),黄连素(BR，西安四级生物科技有限公司),氯化钙(分析纯，天津风船化学试剂科技有限公司),无水乙醇(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2 试样的制备

1.2.1 PVA/SA/BR纳米纤维膜的制备

首先，分别称取2 g SA和10 g PVA：在室温下将 SA均匀搅拌在98 g去离子水中，配制成质量分数为2%的SA溶液；将PVA溶于90 g去离子水中进行水浴加热至90 ℃，制得质量分数为10%的PVA溶液。然后，将配制好的2种溶液混合搅拌均匀作为黄连素的载体溶液。最后，再分别加入质量分数为2%、4%、6%的黄连素，室温下磁力搅拌2 h制得纺丝溶液。将配制好的PVA/SA/BR混合溶液加入到注射器中，使用自制静电纺丝装置进行纺丝。纺丝电压为18 kV，纺丝速率为0.6 mL/h，接收距离为14 cm，接收圆盘转速为200～300 r/min，得到PVA/SA/BR纳米纤维膜，并在真空烘箱中干燥24 h。

1.2.2 PVA/SA/BR纳米纤维膜的交联处理

将PVA/SA/BR纳米纤维膜剪成2 cm×2 cm规格，分别放入质量分数为2%、3%、4%、5%的氯化钙无水乙醇溶液中进行交联处理，最后用无水乙醇清洗纤维膜表面多余的氯化钙后，室温下干燥24 h，得到交联改性PVA/SA/BR纳米纤维膜。

1.3 测试与表征

1.3.1 形貌观察

采用TM3030型扫描电子显微镜(日本日立公司)对纳米纤维膜的外观形貌进行观察。采用Image-J软件随机选取100根纤维进行直径测量，对纤维膜直径分布进行统计。

1.3.2 化学结构测试

采用TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪(德国BRUKER公司)测试纳米纤维膜的红外光谱图，扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.3.3 力学性能测试

采用INSTRON3369型万能强力机(美国INSTRON公司)测试纳米纤维膜的力学性能，试样规格为长90 mm、宽10 mm，夹持隔距为30 mm，拉伸速率为5 mm/min。每个试样测量5次，取平均值。

1.3.4 抗菌性能测试

参照GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》测试纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率。

1.3.5 吸液性能测试

采用称取质量法测试纳米纤维膜的吸液倍率(w)。将交联处理后的纳米纤维膜进行干燥处理并称取质量，然后放入100 mL的PBS 缓冲液中浸泡24 h，烘至干态质量，依据下式计算吸液倍率

式中,m0与m1分别为纳米纤维膜测试前后的干态质量,g。

2 结果与讨论

2.1 黄连素用量对纤维膜结构和性能影响

2.1.1 纳米纤维膜表面形貌与纤维直径分布分析

添加不同质量分数黄连素的PVA/SA/BR纳米纤维膜的形貌和直径分布如图1所示。可看出，添加质量分数为2%的BR时，BR可很好地包覆在纤维内部，而随着其质量分数的进一步增加，BR开始沉积在纤维外形成串珠。由纤维直径分布图可看出，未添加BR时，纤维的平均直径为324.54 nm，随着BR质量分数的增加，纤维直径呈现先增大后减小的趋势，且纤维不匀率逐渐增加，添加质量分数为6%的BR时，纤维直径最小，直径不匀率最高。这可归因于BR质量分数较小时，能很好地包覆于PVA/SA中，导致纤维直径增加，而随着纺丝液中BR的继续添加，超过了纤维本身的容纳量，过量的BR会使纺丝液的导电性增强，从而增大了射流在场中的电场力，最终导致纤维被抽长拉细，直径不匀率增加。

2.1.2 化学结构分析

图1 含不同质量分数BR的PVA/SA/BR 纳米纤维膜表面形貌(×8 000)与直径分布图Fig.1 Surface morphology (×8 000) and diameter distribution of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

图2 BR、PVA/SA和PVA/SA/BR 纳米纤维膜的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of BR、PVA/SA and PVA/SA/BR nanofiber membranes

2.1.3 力学性能分析

添加不同质量分数BR的PVA/SA/BR纳米纤维膜断裂强度与断裂伸长率测试结果如图3所示。

图3 含不同质量分数BR的PVA/SA/BR 纳米纤维膜的断裂强度和断裂伸长率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of PVA/SA/BR nanofiber membranes with different mass fraction of BR

由图3可看出，添加BR后，PVA/SA/BR纳米纤维膜的断裂强度、断裂伸长率相较于未添加时出现了明显的下降，当BR质量分数由2%提升至6%时，PVA/SA/BR纳米纤维膜的断裂强度、断裂伸长率呈现先上升后下降的趋势。当BR质量分数为4%时，纳米纤维膜显示出较好的力学性能，断裂强度与断裂伸长率分别为2.08 MPa、16.12%；当BR质量分数为6%时，断裂强度与断裂伸长率有所下降分别为1.76 MPa、12.35%。这可归因于BR质量分数较低时能很好地包覆在纤维内部，而随着BR的继续添加，破坏了PVA与SA之间的氢键，导致纤维膜力学性能整体下降。

2.1.4 抗菌性能分析

图4、5分别示出添加不同质量分数BR的PVA/SA/BR纳米纤维膜对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌率及抗菌效果。可知，纳米纤维膜对大肠杆菌的抑菌性能要优于金黄色葡萄球菌的。由未添加BR的纤维膜观察可知，纯海藻酸盐抗菌效果不明显。随着纤维膜中BR质量分数的增加，可明显观察到大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的菌落数相继减少，当BR质量分数为6%时抗菌效果明显，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为99.41%和97.89%，满足GB/T 20944.3—2008中抑菌率≥70%的要求，因此，选取黄连素质量分数为6%的PVA/SA/BR纳米纤维膜做耐水处理。

图4 PVA/SA/BR纳米纤维膜对大肠杆菌和 金黄色葡萄球菌的抑菌率Fig.4 Antibacterial rate of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

图5 不同BR质量分数的PVA/SA/BR纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果图Fig.5 Antibacterial effect of PVA/SA/BR nanofiber membranes against Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus (b)with different mass fraction of BR

2.2 氯化钙对纤维膜结构和性能的影响

2.2.1 交联后纳米纤维膜的表面形貌分析

不同质量分数氯化钙交联处理的PVA/SA/BR纳米纤维膜的形貌如图6所示。由于PVA/SA/BR纳米纤维膜放入水中会快速缩聚成团、溶解，耐水性很差，因此用氯化钙交联处理，可提高纤维膜的耐水性能[19]。由图可看出，随着氯化钙质量分数的增加，PVA/SA/BR纳米纤维膜由网状转变为平滑膜状，交联程度逐渐增大，但超过一定交联程度后，纳米纤维膜表面开始有氯化钙颗粒析出;因此，为了获得表面平滑的纤维膜，氯化钙的交联程度不宜过大，采用质量分数为4%的氯化钙进行交联处理较适宜。

图6 不同质量分数氯化钙交联处理PVA/SA/BR的 扫描电镜照片(×5 000)Fig.6 SEM images of PVA/SA/BR after crosslinking with calcium chloride at different concentrations (×5 000)

2.2.2 交联后纳米纤维膜的吸液倍率分析

PVA/SA纤维膜的亲水性能很好，遇水后很快发生溶解，缩短了纤维膜的使用时间，不利于伤口的愈合，因此，需要提高纤维膜的耐水性能。氯化钙交联处理可提高纤维膜的耐水性，从而延长其使用时间。

图7示出经不同质量分数氯化钙处理的PVA/SA/BR纳米纤维膜的吸液倍率。可看出，随着氯化钙质量分数的增加，纳米纤维膜的吸液倍率先升高后下降，经4%氯化钙处理的纳米纤维膜的吸液倍率达到最高，其耐水性能最好。氯化钙交联处理可提高吸液倍率是由于Ca2+可与SA中G基团的—COONa发生螯合作用形成—COOCaOOC—，进而形成三维凝胶网格结构，该结构可限制SA分子链段的自由运动，降低纤维膜的水溶性并提高吸液倍率[20]。当Ca2+浓度较低时，溶液中没有足够的凝胶网络形成，凝胶强度较小，因此吸液倍率较小；当Ca2+存在过量时，凝胶交联点过多，导致链段平均分子链变小，网络空间收缩，发生海藻酸钙的沉淀，凝胶分子变少，吸液倍率有所下降[21-23]。

图7 不同质量分数氯化钙交联处理PVA/SA/BR 纳米纤维膜的吸液倍率Fig.7 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes crosslinked with different concentrations of calcium chloride

图8示出氯化钙质量分数为4%时，不同交联时间下PVA/SA/BR纳米纤维膜的吸液倍率。可看出，随着交联时间的增加，纳米纤维膜的吸液倍率先上升后下降，交联4 h时纤维膜的吸液倍率达到最大为1 257%。当交联时间适当时，形成的三维网格凝胶结构较好，但超过一定时间后，交联点过密，空间网格收缩，导致纳米纤维膜的刚性增加，因此吸液倍率由于过饱和反而下降。

图8 不同交联时间下PVA/SA/BR 纳米纤维膜的吸液倍率Fig.8 Liquid absorption ratio of PVA/SA/BR nanofiber membranes at different cross-linking time

综合氯化钙质量分数和交联时间对纤维膜吸液倍率的影响可知，二者对于纳米纤维膜的吸液倍率具有同向作用，当氯化钙质量分数为4%，交联时间为4 h时，能形成很好的三维凝胶网格结构，而交联超过一定程度后，由于海藻酸钙沉淀和纤维膜刚性增加，耐水性能反而下降。

2.2.3 交联后纳米纤维膜的力学性能分析

图9示出氯化钙质量分数为4%时，不同交联时间下纳米纤维膜的断裂强度与断裂伸长率曲线。可看出，随着交联时间的持续进行，纳米纤维膜的断裂强度先上升后下降，在交联4 h时达到最大为4.17 MPa，而纳米纤维膜的断裂伸长率则由57.13%增加到108.24%。在一定的交联时间内，纳米纤维膜的力学性能总体上在逐渐提高，这是由于海藻酸钠不仅与Ca2+形成了交联键，还形成了分子之间的相互键合，从而共同抵抗外力的变化。而当交联时间过长时，由于交联密度过大，纤维膜刚性变大，韧性下降，受到外界作用力时，易产生应力集中，使整体力学性能下降。

图9 不同交联时间下PVA/SA/BR的力学性能Fig.9 Mechanical properties of PVA/SA/BR with different cross-linking times

3 结 论

本文采用静电纺丝技术将不同质量分数的黄连素(BR)添加到PVA/SA载体上，并与氯化钙进行交联处理，提高了PVA/SA/BR纳米纤维膜作为医用敷料的抗菌性和耐水性，得出以下主要结论。

1)随着BR质量分数的增加，纤维的直径先增大后减小，断裂强度逐渐下降，抗菌性能逐渐提高。当BR质量分数为6%时，纳米纤维膜断裂强度为1.76 MPa，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为99.41%、97.89%，满足抗菌材料抑菌率大于70%的要求。

2)氯化钙交联处理能有效提高纤维膜的耐水性能。随着氯化钙质量分数、交联时间的增加，纤维膜的耐水性能逐渐提高。当氯化钙质量分数为4%，交联时间4 h时，纤维膜的断裂强度达到4.17 MPa，吸液倍率为1 257%。而随着氯化钙质量分数、交联时间的进一步增大，由于交联过度，力学性能和耐水性能反而下降。