抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料及其性能

杨 色 王凌霄 张春艳 刘 晶 邵子洋 薛宝霞 牛 梅

1. 太原理工大学 轻纺工程学院,山西 太原 030024;2. 山西浙大新材料与化工研究院,山西 太原 030032

棉织物作为医用敷料的主要材料之一,其本身因不含抗菌基团而不具备抗菌能力,进而易导致伤口微环境中细菌滋生,影响伤口愈合。赋予棉织物医用敷料一定的抗菌性能,有助于高效管理伤口[1-2]。

为提高棉织物的抗菌性能,目前主要采用各种改性方法将抗菌药物或材料引入棉织物表面,如将抗生素、纳米颗粒(纳米银或二氧化钛颗粒等)或一些天然材料(蜂蜜、精油或壳聚糖等)引入棉织物表面。然而,引入这些抗菌药物或材料存在一定的局限性。如纳米银(AgNPs)虽具有高效广谱抗菌特性,但同时也具有细胞毒性,这在一定程度限制了AgNPs的广泛使用[3]。通过多组分抗菌剂间的协同作用,可降低AgNPs的细胞毒性,是实现棉织物高效抗菌的有效途径之一。基于此,本文通过引入碳点(CDs)材料,旨在实现CDs与AgNPs抗菌剂在棉织物上的协同抗菌。

水凝胶可负载多种抗菌药物,并且具有良好的生物安全性。基于此,本文以水凝胶为载体,负载CDs和AgNPs双组分抗菌剂,制备碳点/纳米银/聚(N-异丙基丙烯酰胺)(CDs/AgNPs/PNIPAM)抗菌水凝胶,然后通过化学交联与紫外引发一步法与棉织物结合,实现对棉织物的抗菌改性,制得CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料。通过测试和分析抗菌改性前后棉织物医用敷料试样的微观形貌、抗菌活性与力学性能,筛选出高效的抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料制备方案。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料:柠檬酸、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KH-792)、丙三醇、硝酸银、柠檬酸钠,均为分析纯,购自天津市光复科技有限公司;棉织物医用敷料,购自杭州科洛生物技术有限公司;N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、四甲基乙二胺(TMEDA)、过硫酸铵(APS)、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾,均为分析纯,购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;试验用水均为去离子水。

1.2 试验方法

1.2.1 CDs的制备

称取1.507 g柠檬酸,量取21.8 mL KH-792和40 mL去离子水,将其共同加入烧杯中,超分散15 min后,将溶液转移到高温反应釜中,在200 ℃下的真空干燥器中反应6 h。反应结束后,将溶液冷却至室温后透析、干燥,得到CDs粉末[4]。

1.2.2 AgNPs溶液的制备

向盛有40 mL去离子水和20 mL丙三醇的三口烧瓶中加入18 mg硝酸银,然后将其放入油浴锅中,搅拌升温至95 ℃后,加入2 mL的柠檬酸钠(0.10 mol/L)反应1 h,得到0.29 mol/L的AgNPs溶液[5]。

1.2.3 抗菌敷料的制备

称取100 mg NIPAM,将其加入1.2 mL去离子水中,常温下搅拌使其完全溶解,再加入4 mg交联剂BIS、15 mg促进剂TMEDA,以及抗菌剂CDs和AgNPs溶液(具体添加量见表1),室温下搅拌溶解,倒入含6 mg引发剂APS及经紫外光照射处理15 min的棉织物医用敷料的制备用盒型模具中。通过反复挤压使溶液与棉织物纤维充分接触并发生反应,在0～5 ℃下密闭反应24 h后,制得不同CDs和AgNPs用量的CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料[6-7]。制备的棉织物医用敷料试样尺寸为25 mm×25 mm。

表1 棉织物医用敷料试样的工艺配方设计

为优化CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的结构与性能,本文制作了未经CDs和AgNPs抗菌处理的试样(0#试样),并与抗菌处理后的试样进行对比,探讨CDs和AgNPs用量对棉织物医用敷料抗菌性能和力学性能的影响。为探究CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料中两种抗菌物质的协同抗菌能力,将其与单独采用CDs或AgNPs进行抗菌处理得到的水凝胶复合棉织物医用敷料进行抗菌效果的对比。

2 测试与表征

2.1 形貌分析与结构表征

取微量CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶和抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料,冷冻干燥后分别置于导电胶上。对试样进行喷金处理后,采用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜(SEM)在加速电压为10 kV下分别观察CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶和抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的微观形貌,获得试样的SEM图。

为探究抗菌改性前后的棉织物医用敷料分子结构的变化情况,采用FTIR173型傅里叶变换红外光谱仪上对试样进行红外测试,扫描范围为4 000～500 cm-1。

2.2 抗菌性能表征

为评价抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的抗菌性能,根据GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第 3 部分:振荡法》[8],对其进行抗菌性能测试与评价。称取2.84 g的Na2HPO4和1.36 g的 KH2PO4溶于1 000 mL水中制备磷酸缓冲液(PBS),量取70 mL的PBS在三角瓶中进行高温灭菌,再进行30 min的紫外灭菌,然后将抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料试样与5 mL的菌液(0.5 CFU/mL)一起加入三角瓶中,在37 ℃下振荡反应24 h后,取100 μL反应溶液均匀涂在固体培养基上,放入37 ℃的生化培养箱(ZXSD-B1430型)中恒温培养24 h,观察菌落形成数量,再根据式(1)计算抗菌率[9-10]。

(1)

式中:A——样品组菌落数;

B——对照组菌落数。

2.3 力学性能表征

根据GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》[11],采用YG(B)26D型织物强力机测试抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料试样的力学性能,试样尺寸为250 mm×50 mm,以2 mm/min的拉伸速率将试样拉伸至断裂,记录试样的断裂强力。每种试样测试5组,结果取平均值。

3 结果与讨论

3.1 抗菌水凝胶和抗菌敷料的形貌与结构

为探究CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶与抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的界面结合情况,对抗菌水凝胶和抗菌敷料的微观形貌进行观察与分析。图1为CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶和CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的SEM图。由图1可知,抗菌水凝胶呈致密的三维网络多孔结构,抗菌敷料的纤维表面与水凝胶结合紧密[12]。

图1 CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶和CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的SEM图

图2 抗菌处理前后试样(0#和3#试样)的红外光谱图

3.2 抗菌性能分析

3.2.1 CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌性能分析

CDs和AgNPs均具有抗菌能力,两者用量不同会影响其在水凝胶中的分散稳定性,进而影响水凝胶的抗菌性能。不同抗菌剂配方下CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌性能测试结果如表2所示。由表2可以看出,与未经抗菌处理的0#试样相比,抗菌处理后试样的抗菌效果显著,其培养基上大肠埃希菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的菌落数量明显减少。当CDs用量为7.5 mg,AgNPs溶液用量为1 mL时,CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌率超过90%;当CDs用量为15.0 mg,AgNPs溶液用量为1 mL时,CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌效果更明显,抗菌率超过99%;当CDs用量为22.5 mg或30.0 mg,AgNPs溶液用量为1 mL时,可观测到培养基上几乎无菌落生长,CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌率达100%。考虑到成本因素,后文选择CDs用量为22.5 mg,AgNPs溶液用量为1 mL的CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶制备抗菌敷料试样(3#试样)进行后续试验。

表2 不同抗菌剂配方下CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶的抗菌率

3.2.2 CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的抗菌性能分析

为探究CDs和AgNPs的协同抗菌效果,对CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料(3#试样)与CDs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料(5#试样)和AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料(6#试样)进行抗菌性能对比。由图3可知,AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料相较于其他两种医用敷料,抗菌能力较弱;添加22.5 mg CDs和1 mL AgNPs溶液制得的CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的抗菌能力明显高于另外两种医用敷料的。经平板菌落计数与计算可得,CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料对E.coil的抗菌率超过99%,对S.aureus的抗菌率达100%。综上可知,抗菌水凝胶与棉织物医用敷料接枝聚合后仍具备高效抗菌能力,且CDs和AgNPs协同抗菌处理后,所得CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的抗菌效果更佳。

图3 AgNPs/PNIPAM、CDs/PNIPAM和CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合敷料对E.coil和S.aureus的抗菌效果

3.3 CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的力学性能分析

对比0#与3#试样的拉伸性能测试结果(表3),探讨抗菌水凝胶的负载对棉织物医用敷料力学性能的影响。由表3可知,相较于0#试样,CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料(3#试样)的断裂强力、拉伸长度和断裂时间均增大。负载CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶后,棉织物医用敷料的断裂强力提高了35.7%,应用性更强。

表3 医用敷料的拉伸性能

4 结论

本文制备了一种CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料。将CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶接枝在棉织物医用敷料上,能够赋予医用敷料高效的抗菌能力。研究结果表明,添加22.5 mg CDs和1 mL AgNPs溶液制得的CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料的抗菌性能优异,对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过99%。同时,其拉伸断裂强力达(338±6)N,断裂强力较普通棉织物医用敷料提高了35.7%,满足使用要求。本文制备的CDs/AgNPs/PNIPAM抗菌水凝胶复合棉织物医用敷料在医用包扎敷料领域具有较好的应用前景。