水凝胶纤维的制备及其抗菌性能研究

黄凯聪 韩 华 赵文静 陈 薇 俞建勇 吴德群，3

1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.东华大学纺织科技创新中心，上海 201620；3.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

水凝胶是一种具有环境敏感响应性、高吸收性和缓释性的功能高分子材料，是通过氢键、离子键和共价键等交联形成的具有3D网状结构的聚合物，可吸收大量的水分又不被溶解，具有良好的吸水性和成膜性[1]。此外，水凝胶纤维还拥有纤维或纤维状的形态[2]。这种纤维形态增大了其比表面积与长径比，不仅改善了水凝胶纤维的溶胀性能、缓释性能与固定化能力等特性，还赋予其许多新的用途，如水凝胶纤维在组织工程、生物医学、纺织材料等领域有着广阔的应用前景。

海藻酸钠(ALG)是从棕色海藻中提取的一种天然多糖，具有易获得、生物相容性好的特点[3]。魔芋葡甘聚糖(KGM)是继淀粉、纤维素之后出现的一种较丰富的可再生天然高分子多糖，其因具有优良的胶凝性、成膜性、增稠性和持水性等特性而被广泛用于食品、医药、化工、纺织、石油钻探等领域[4]。具有优异的生物相容性的聚六亚甲基盐酸胍(PHMG)被认为是目前应用较好的一种抗菌整理剂，因为它具有很好的安全性和耐久性。胍基化合物中的胍基基团带有很强的正电性，易吸引带负电荷的细胞膜，造成细胞膜破裂，从而杀死细菌。目前，胍类化合物作为一种无毒型高效广谱抗菌剂，逐渐引起人们的重视，并被普遍应用于水处理、医药、日用品等多个领域。

本文以ALG为聚合物网络模板，过硫酸铵(APS)为反应引发剂，甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖(KGM-MA)为交联剂，并添加不同反应单体，配制预聚物溶液，再通过挤出成丝工艺，使ALG在钙离子交联浴中交联制得水凝胶纤维，且预聚物溶液被物理包裹在水凝胶纤维内部[5]。然后，经紫外光照作用，预聚物发生自由基聚合，产生双键交联，得到具有双网络3D结构的水凝胶纤维。若在纤维原料中添加抗菌性良好的甲基丙烯酸聚六亚甲基盐酸胍(M-PHMG)，则可得到具有双网络3D结构的抗菌水凝胶纤维。

1 试验

1.1 原料

KGM购自合肥博美生物科技有限公司；ALG购自百灵威科技有限公司；2-甲基丙烯酸酐(MA)和丙烯酸钠(SA)购自上海安耐吉化学有限公司；乙醇、二氯甲烷、氯化钙、碳酸氢钠、APS、二氧六环、二甲亚砜(DMSO)、三乙胺(TEA)和PHMG，分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；磷酸盐缓冲液(PBS)购自上海酶联生物科技；琼脂、肉汤培养基，生物纯，购自中国惠兴生化试剂有限公司；大肠埃希菌(E.coli，ATCC 8099)和金黄色葡萄球菌(S.aureus，ATCC 6538)购自南京便诊生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

SPLab02型数字注射泵，保定申辰泵业有限公司；Avance400型核磁共振波谱仪，瑞士布鲁克公司；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司；S-4800型扫描电子显微镜(SEM)，日本日立公司；ALPHAL-2型冷冻干燥机，德国克莱斯特公司；XQ-1型纤维强伸度仪，上海新纤仪器有限公司；真空干燥箱，上海坤天有限公司。

1.3 水凝胶纤维的制备

1.3.1 甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖的合成

将1 g KGM溶于100 mL的去离子水中，待完全溶解后，取25 mL于烧瓶中，用碳酸氢钠溶液调节其pH值至8，再加入5 mL二氧六环和5 g MA，用冰水浴搅拌反应48 h，再将产物在乙醇中沉淀析出，抽滤后用真空干燥箱烘干得到产物KGM-MA(图1)。

图1 KGM-MA的合成

1.3.2 M-PHMG的合成

参照文献[6]，将5 g PHMG和2 g MA溶解在20 mL DMSO中，充分搅拌溶解后加入2 g TEA，冰水浴反应24 h，再将产物用二氯甲烷沉淀析出，抽滤后采用真空干燥箱烘干，最后得到产物M-PHMG(图2)。

图2 M-PHMG的合成

1.3.3 水凝胶纤维的制备

按表1的投料比，将制备水凝胶纤维的不同原料(除ALG外)分别溶解在2 mL水中，加入30 mg APS，搅拌至其完全溶解，配制预聚物溶液。将所得预聚物溶液与ALG溶液混合均匀(其中，1#水凝胶纤维试样的制备不添加预聚物溶液)后，通过注射泵以4 mL/min的速度将其注入质量分数为2%的氯化钙凝固浴中，进行离子交联。再将收集的纤维在紫外灯下辐照10 min以进行二次交联，所得纤维在去离子水中浸泡3 d，期间不断更换去离子水以除去杂质。水凝胶纤维的制备机制示意如图3所示。由试验可以看出，所得水凝胶纤维呈透明状，纤维边缘光滑，且除采用纯ALG溶液挤出成丝的1#试样外，其余水凝胶纤维均呈双网络3D结构。

表1 水凝胶纤维的投料比

图3 水凝胶纤维的制备机制示意

1.4 分析与测试

1.4.1 核磁共振氢谱测试

为确认制备的合成单体的结构，分别取5 mg KGM-MA和5 mg M-PHMG溶解在1 mL的氘代水中，采用核磁共振仪进行氢谱扫描。

1.4.2 傅里叶红外光谱测试

将单体和冻干的水凝胶纤维磨成粉末后置于红外光谱仪的测试台上，压紧探测头，记录水凝胶纤维试样在400～4 000 cm-1波数范围内的红外光谱值。

1.4.3 表面形貌测试

将冻干的水凝胶纤维试样用液氮脆断，采用SEM观察纤维的表面和截面形貌。

1.4.4 力学性能测试

将不同投料比的水凝胶纤维切成长度相同(长约20 mm)的试样，将纤维试样的两端黏在盖玻片上以防滑移[7]。采用纤维强伸度仪测试水凝胶纤维的力学性能，设置拉伸速度为5 mm/min，夹持距离为10 mm。根据测量数据绘制出的拉伸应力-应变曲线计算水凝胶纤维试样的弹性模量。

1.4.5 溶胀性能测试

将制备的水凝胶纤维置于去离子水中溶胀数天以达到溶胀平衡，然后将水凝胶纤维转移至液氮中冷冻，冻干24 h。取一定质量的冻干水凝胶纤维，室温下将其放入PBS缓冲液中进行溶胀，每隔一定时间后取出，用滤纸擦拭多余水分，记录此时水凝胶纤维的质量。水凝胶纤维的溶胀倍数按式(1)计算。

(1)

式中：k——水凝胶纤维的溶胀倍数；

m0——冻干水凝胶纤维的初始质量，g；

mt——溶胀一定时间后水凝胶纤维的质量，g。

1.4.6 抗菌性能测试

参考GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》，选用大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌为试验菌种，定量测试水凝胶纤维的抗菌性能。水凝胶纤维试样的抑菌率按式(2)计算。

(2)

式中：Y——试样的抑菌率；

W——对照样与试验菌种振荡接触后培养基菌落数的平均值；

Q——抗菌试样与试验菌种振荡接触后培养基菌落数的平均值。

2 结果与讨论

2.1 合成单体的结构表征

图4 KGM-MA的核磁共振谱和红外光谱

对合成的M-PHMG进行结构表征，其核磁共振谱和红外光谱如图5所示。图5a)中，化学位移为5.5～6.0处的峰a为接枝在PHMG上的MA碳碳双键上氢的吸收峰，这表明MA已成功与PHMG发生反应；化学位移为1.8处的峰b为末端甲基上氢的吸收峰。图5b)中，没有明显的酰胺键的峰出现，推测是被1 610 cm-1处的尖峰覆盖。

图5 M-PHMG的核磁共振谱和红外光谱

2.2 水凝胶纤维的化学官能团表征

4种不同投料比的双网络3D结构水凝胶纤维的红外光谱如图6所示。

图6 不同投料比的水凝胶纤维的红外光谱

2.3 水凝胶纤维的表面形貌

将达到溶胀平衡的水凝胶纤维冻干，通过SEM观察水凝胶纤维的表面和截面形貌，结果如图7所示。图7a)为1#纤维试样的表面形貌，可测得冻干后水凝胶纤维的直径为(400±10)μm，且纯ALG在钙离子沉淀浴中交联得到的纤维表面存在沟槽结构，这种沟槽结构有利于细胞的黏附与增值[8]。图7b)为2#纤维试样的表面形貌，可以看出，2#纤维表面保留了1#纤维的沟槽结构，同时KGM-MA组分引入后，通过紫外光照引发双键交联，在纤维的表面形成了另一层交联网络结构，即KGM-MA通过共价交联网络结构引入纤维基体中。图7c)和d)分别为1#和2#纤维试样的截面形貌，可以看出，两种纤维截面均呈多孔状，且2#纤维试样的截面孔洞中出现了KGM-MA的交联网络，表明KGM-MA形成的交联网络分布于整个纤维基体中。

图7 水凝胶纤维试样的表面和截面SEM照片

2.4 水凝胶纤维的力学性能

良好的力学性能是水凝胶纤维实际应用中至关重要的因素[9]。若纤维较脆弱，则其很容易在应用时被破坏。不同投料比制备的4种水凝胶纤维的弹性模量(5#试样弹性模量较小，未能测试出)如图8所示。由图8可以看出，引入KGM-MA组分后，纤维的弹性模量有所下降；且随着ALG组分占比的减少，纤维的弹性模量下降明显。故从纤维的弹性模量方面考虑，宜选用2#水凝胶纤维所采用的投料比，此时纤维的弹性模量为0.27 MPa。

图8 不同投料比水凝胶纤维的弹性模量

2.5 水凝胶纤维的溶胀性能

将冻干后的水凝胶纤维在PBS溶液中溶胀。不同投料比的双网络3D结构水凝胶纤维的溶胀倍数测试结果如图9所示。从图9可以看出，随着ALG组分占比的减少，水凝胶纤维的溶胀倍数呈上升趋势，这是由于ALG组分的减少使得水凝胶纤维的交联密度减小，从而使溶胀倍数增大。5#纤维试样中SA组分的引入进一步提高了纤维的溶胀倍数(达10)，而未添加SA组分的水凝胶纤维的溶胀倍数最高约为6。

图9 不同投料比的水凝胶纤维在不同溶胀时间下的溶胀倍数

2.6 水凝胶纤维的抗菌性能

将M-PHMG组分引入水凝胶纤维中，可赋予水凝胶纤维以抗菌性能。本文以5#纤维为抗菌试样，2#纤维为对照样进行抗菌性能试验。图10为琼脂培养基菌落数图，按照国标计数并代入式(2)后计算可得，5#纤维试样表现出优异的抗菌性能，对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达99.54%和99.97%。

图10 琼脂培养基菌落数

3 结论

本文通过在海藻酸离子交联纤维基体中引入甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖(KGM-MA)、丙烯酸钠(SA)和甲基丙烯酸聚六亚甲基盐酸胍(M-PHMG)组分，形成共价交联网络结构，再经紫外光照作用，制备出具有优异抗菌性能且溶胀倍数高的双网络3D水凝胶纤维。研究结果表明：所得水凝胶纤维呈透明状，冻干后的水凝胶纤维直径为(400±10)μm，溶胀倍数可达10；引入KGM-MA组分后，纤维的力学性能有所下降，且随着ALG组分占比的减少，水凝胶纤维的力学性能下降明显；引入M-PHMG的5#水凝胶纤维试样具有良好的抗菌性能，对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均超过99.00%。本文的水凝胶纤维制备方法操作简单、原料来源广泛，所得水凝胶纤维在生物医用材料领域具有广阔的应用前景。