载药聚偏氟乙烯伤口敷料的制备及其性能

吴倩倩， 李 珂， 杨立双， 付译鋆， 张 瑜， 张海峰，2

(1. 南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226019； 2. 南通大学 安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心， 江苏 南通 226019)

随着世界人口老龄化问题的日趋严重，褥疮、溃疡等老年人易患的慢性疾病俞来俞多。这些疾病存在恢复期长、易形成瘢痕等问题，因此对伤口敷料性能方面有更高的要求。传统医用敷料如纱布、棉巾等存在伤口保湿性差、更换时牵扯伤口、难以实现有效促进伤口愈合、掉落棉絮不卫生等问题[1]。因此，研究开发高性能伤口敷料具有重要的社会价值和实际应用意义。

目前，已研发出多种新型医用敷料，如液体类敷料、薄膜类敷料、水凝胶敷料、水胶体敷料、泡沫类敷料和藻酸盐类敷料等等，这些敷料通过不同机制发挥作用，包括促进细胞增殖、抑制细菌等[2-4]。其中，通过静电纺丝法制备出的纳米纤维因其具有比表面积高、长径比大、组成成分可控和延展性好等特点，在载药及药物缓释方面有应用优势，被广泛应用于生物医用敷料领域[5]。已有研究表明，电刺激可以加速生长因子的分泌和细胞的增殖分化等功能，但将其应用到医用敷料领域的研发尚少。

聚偏氟乙烯(PVDF)具备耐磨性好、耐化学试剂侵蚀和电学性能稳定等优点[6-7]，是一种多晶型聚合物，通常主要包括α，β，γ 3种晶型。其中，压电效应最强的为β晶型的，所以具有β晶型的PVDF表现较强的压电性[8]。PVDF是目前已发现压电性最强的聚合物，施力后可以产生良好的电信号。人体表皮存在电场，伤口附近轻微的电刺激可以促进细胞增殖分化[9]。盐酸恩诺沙星(Enro)是第3代喹诺酮类抗菌药物[10]，具有广谱抗菌活性和强渗透性，对多种革兰氏阴性杆菌和球菌如大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等有良好的抗菌效果。

本文采用静电纺丝技术，以PVDF为原料并负载Enro，通过高压电场对聚合物流体产生拉伸作用，制备出具有β晶型的抗菌复合纳米纤维膜[11]。由于其具备优异的压电性能，可在轻微施力后产生一定的电信号，刺激细胞再生，与Enro抗菌性能协同作用，对伤口愈合起促进作用，在伤口敷料研究领域具有潜在应用前景。

1 试验部分

1.1 试剂及仪器

聚偏氟乙烯(PVDF)(相对分子质量为110万，法国阿科玛)、盐酸恩诺沙星(Enro)(纯度≥98%，河北久鹏制药有限公司)、丙酮(分析纯，纯度≥99.5%，上海凌峰化学试剂有限公司)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(分析纯，纯度≥99.5%，西陇化工股份有限公司)。

DF-101S型恒温加热磁力搅拌器(邦西仪器科技(上海)有限公司)、TL-Pro-10 W型高压静电纺丝机(四川致研科技有限公司)、GZX-GF-101AB-2型电热恒温鼓风干燥箱(上海华联环境试验设备有限公司)、KYKY2800型扫描电子显微镜(北京中科科仪技术发展有限公司)、Nicoiet IS 1型傅里叶红外光谱仪(上海精密仪器仪表有限公司)、Ultima IV 型X射线衍射仪(Rigaka)、Tektronix示波器(泰克科技(中国)有限公司)、THZ-822型恒温振荡器(金坛市荣华仪器制造有限公司)、TU-1901型紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 纺丝液配备

将不同质量的PVDF和Enro粉末溶于DMF和丙酮(质量比为6∶4)的混合溶剂中，放入恒温磁力搅拌器中65 ℃下搅拌至完全溶解，得到不同Enro质量分数(10%、 15%和20%)混合纺丝液。

1.2.2 纳米纤维膜的制备

将混合纺丝液注入计量泵在静电纺丝机上进行纺丝。设置纺丝参数为：接收距离20 cm、纺丝速率0.015 mL/min、纺丝电压15 kV，在静电纺丝机上以标准温湿度条件(温度为(20±1)℃，相对湿度为(65±2)%进行纺丝，探索得到最佳Enro质量分数，纺丝过程结束后于60 ℃条件下烘干。

1.3 性能测试

1.3.1 微观形貌观察

采用扫描电子显微镜对纤维膜的微观形貌进行观察分析，并随机选取50根纤维，进行直径测试和统计分析。

1.3.2 纤维膜化学结构测试

采用傅里叶红外光谱仪对纤维膜进行测试，扫描范围为4 200～300 cm-1。

采用X射线衍射仪分析纤维膜晶体结构，测试电压为40 kV，测试电流为40 mA，扫描速度为5(°)/s，扫描角度为5°～60°。

1.3.3 压电性能

对复合纳米纤维膜(厚度为(35.7±4.7) μm)进行裁剪后(2 cm×2 cm)引出电极，用绝缘胶带将封装好的试样固定在应变显示器上，测试压电性能。设置压力为14 N，按电压示波器读取数据。

1.3.4 体外释药表征

将复合纤维膜(0.03 g)浸入PBS缓冲液(8 mL)，置于恒温振荡器中，设置温度为37.5 ℃，分别于1、2、4、6、24、48、72、96、120、144、168 h时取出释放液1 mL，同时补入同体积温度缓冲液。采用紫外分光光度计测定释放介质在271 nm下的吸光度，计算药物累计释放量。该试验设置3个平行样品。

1.3.5 抗菌性能

选取金黄色葡萄球菌为菌种，将灭菌后的复合纤维膜剪成条状，浸于25 mL肉汤与2.5 mL菌液混合液中，在恒温振荡器中震荡24 h，分别于0、1、6、12、24 h时取出并用紫外分光光度计测定液体在540 nm下的吸光度，计算菌群密度，研究分析复合纤维膜抗菌性能。该试验设置3个平行样品。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

2.1.1 PVDF质量分数对纤维形貌的影响

图1为纯PVDF纳米纤维膜的扫描电镜照片。可以看出，PVDF质量分数为6%时，纤维粘连呈串珠状，这是由于纺丝液浓度和黏度太低，大分子链缠结不紧密，射流无法得到充分拉伸形成串珠[12]。当质量分数达到8%时，黏度和表面张力随之变大，纺丝液形成稳定射流，串珠消失，观察到清晰的纤维形貌且纤维粗细均匀，平均直径为(753±128) nm。随着质量分数进一步增大到10%，纺丝液黏度过大，射流到达接收装置时溶剂未能完全挥发，造成纤维间粘连，形貌变差，因此，将PVDF质量分数确定为8%进行后续试验。

2.1.2 Enro质量分数对复合纤维形貌的影响

图2为不同浓度PVDF/Enro复合纳米纤维膜的扫描电镜照片。从图中可看出，复合纳米纤维膜的平均直径分别为(751±122)、(987±86)、(741±165) nm。在纺丝速率一定的条件下加入Enro混纺后，随着Enro质量分数增加，复合纳米纤维膜的直径呈先增大后减小趋势。这是由于Enro的加入使纺丝液黏度和表面张力增大，射流的分裂作用和拉伸作用减弱，纤维直径变大，分布范围变宽[13]。当Enro质量分数继续增加，由于Enro的加入使纺丝液浓度和黏度继续增大到一定程度后，单位时间内喷射的射流所带电荷增加使纺丝液导电率增大，射流在电场中得到充分牵伸[14]，形成较细纤维。

2.2 纤维膜化学结构分析

图3示出PVDF粉末、Enro粉末、纯PVDF纳米纤维膜以及PVDF/Enro复合纳米纤维膜的红外光谱图。

由图3可看出：PVDF粉末在1 183、1 073、878、765 cm-1处表现出明显的特征吸收峰，对应α晶型[15]；纯PVDF纳米纤维膜在841 cm-1处的特征峰对应—CH拉伸，1 400～1 000 cm-1处特征峰对应—CH和—CF拉伸振动[16]，是β晶型特征峰。静电纺丝后，α晶型特征峰消失而出现β晶型特征峰，表明静电纺丝极化作用使PVDF中α晶型转化为β晶型。在纯PVDF纳米纤维膜光谱中观察到的主峰也存在于PVDF/Enro复合纤维膜光谱中，表明PVDF在静电纺丝过程中结构保持稳定。Enro粉末的光谱图在1 160 cm-1处出现—COOH特征峰[17]。复合纤维膜中Enro特征峰略有偏移但仍存在。结果证明Enro以原有形式存在于复合纳米纤维膜中，且未改变复合纤维膜晶型。

图4为PVDF粉末、纯PVDF纳米纤维膜和PVDF/Enro复合纳米纤维膜的XRD图。可以看出，PVDF粉末的X射线衍射图在2θ为18.4°、19.9°、26.7°处呈现3个明显的凸起峰，分别对应α晶型的(020)、(110)、(021)晶面[15-16]。而在静电纺PVDF纳米纤维膜X射线衍射图的2θ为20.4°处观察到一个明显的β相结晶峰，该峰对应β晶型的(110)晶面[17-19]，同时，出现在PVDF粉末中的α相结晶峰呈大幅度减弱状。测试结果表明，PVDF粉末中多以α晶型为主，而静电纺PVDF纤维膜则以β晶型为主。分析原因，是由于静电纺丝过程对PVDF溶液射流产生机械拉伸且高压电场会带来极化作用，同时溶剂的快速挥发使溶质凝结，对PVDF由α晶型向β晶型的转化起到促进作用。且图中显示，加入Enro后，复合纤维膜的β相结晶峰明显增强，表明Enro的存在不仅不会改变复合纤维膜晶型，还会有助于β晶型的形成，与前文FT-IR分析结果一致。

2.3 压电性能分析

图5示出纯PVDF纳米纤维膜和PVDF/Enro复合纳米纤维膜的压电性能测试结果。

由图5(a)可知，静电纺丝后，PVDF纳米纤维膜在压力作用下产生电压，输出值为6 mV，具备压电性能。这是因为静电纺丝极化作用使PVDF的晶型由α相转变为β相，而具备β晶型的纳米纤维膜压电效果良好，证实了PVDF中β晶型的存在，与前文晶型分析结果一致，且PVDF确实具备压电效应。随着Enro含量增加，图5(b)～(d)中显示复合纤维膜的输出电压逐渐增大，当Enro质量分数为20%，输出电压达到9 mV。结果表明抗菌药物的加入有助于β晶型形成，使得复合纳米纤维膜输出电压升高，压电性能增强。有研究表明，压电效应可刺激细胞再生，使细胞增殖分化，从而达到促进伤口愈合的目的[20]，可以与抗菌药物的抗菌能力协同发挥更大的医用价值，使伤口敷料具备更加强大的功效。

2.4 药物模拟体外释药分析

图6示出Enro标准曲线。根据图6的数据进行线性回归拟合，可以得到Enro的标准曲线方程：y=0.107 88x，即标准曲线的斜率为0.107 88。

图7示出PVDF/Enro复合纳米纤维膜体外模拟累计释放曲线。可以看出，在开始的2 h内，Enro的累计释放率有明显增加，但数值较低，分别为7.1%(Enro-10%)、7.9%(Enro-15%)和8.3%(Enro-20%)。该结果表明药物在初期释放速度较低，可避免产生药物突释的现象[21]。72 h以后随时间延长，药物仍在释放但速度减慢，此时对应的累计释放曲线逐渐平坦，逐渐达到动态平衡，累计释放率分别为81.1%(Enro-10%)、85.6%(Enro-15%)和87.9%(Enro-20%)，因此，载药PVDF复合纳米纤维膜药物释放速度平稳且持续释放时间长。

2.5 抗菌性能分析

图8示出不同时间节点载药前后PVDF纳米纤维膜的菌群密度。本文选用纯PVDF纤维膜作为空白试样，Enro质量分数为15%的复合纳米纤维膜作为对照试样。

图8显示，空白试样上菌群密度随着时间的推移逐渐增加，且增幅较大，说明细菌在空白试样上24 h内迅速繁殖。而对照试样上菌群密度虽有所增加，但增幅较小且明显小于空白试样，因此可证实，PVDF/Enro复合纳米纤维膜具有一定抗菌性能。

3 结 论

通过静电纺丝制备了PVDF/Enro复合纳米纤维膜，并对其微观形貌、化学结构、晶型、压电性能和抗菌性能进行研究分析，得到以下结论。

1)PVDF质量分数为8%时，纤维分布清晰，成形良好，平均直径为(753±128) nm。PVDF/Enro复合纳米纤维膜的直径随Enro质量分数的增加呈先增大后减小趋势。

2)红外和X射线衍射结果显示：静电纺丝产生极化作用，促使PVDF中α晶型转变成β晶型，且Enro的加入对纤维膜晶型未造成改变；压电测试结果表明，纯PVDF纤维膜输出电压为6 mV，Enro质量分数越大，压电效应越强，Enro质量分数为20%时，复合纳米纤维膜输出电压为9 mV；药物缓释和抗菌测试结果显示，PVDF/Enro复合纳米纤维膜释药速度平稳，持续释放时间长且具备一定的抗菌性能。