可降解水凝胶/棉织物复合敷料的制备及性能研究

许梦玉，张劲松，刘东妮，吴德群

(1.东华大学 纺织学院，上海201620；2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

皮肤作为人体最大的器官和第一道屏障，在保护人体免受外部损害和微生物入侵时起着重大的作用。但皮肤极易受损，受损后需要较长时间的修复；在修复的过程中，微生物极易入侵导致伤口感染恶化或危及生命健康[1]。因此，医用敷料在促进伤口愈合以及保护伤口环境方面发挥着重要的作用[2]。传统干敷料(如棉织物、麻织物等制成绷带和纱布)常用来保护干燥伤口、吸收渗出物，具有极好的机械性能及稳定性，在伤口护理的前期发挥了不可或缺的作用[3]。已知研究证明，保持伤口湿润的环境可以加速伤口的愈合；传统干敷料并不能提供潮湿的环境，且易粘附在伤口表面，在移除时易引起二次创伤[1]。水凝胶因具有3D交联网络结构，可以吸收大量的水，可快速吸收组织渗出液，为伤口提供湿润环境，还具有足够的柔韧性、生物相容性等优点，成为目前医用敷料上的研究热点[4]，但大多数水凝胶的力学性能较差。

魔芋葡甘聚糖(KGM)是一种可再生天然高分子多糖，主要来源于天南星科魔芋属多年生草本植物魔芋的块茎，是我国已确认的天然健康食物[5]。魔芋葡甘聚糖具有优良的凝胶行为、持水性等理化性质。壳聚糖是一种天然氨基多糖，由几丁质脱除部分乙酰基获得，具有较好的生物降解性和生物相容性[6]，可被壳聚糖糖酶、溶菌酶、胃肠道酶等进行降解[7]。两种多糖大分子因其出色的生物相容性、可降解性能、价格便宜，在生物医学、功能材料等领域，具有极其广阔的应用前景。

长链烷基季铵盐通过亲水的阳离子和疏水长链与细菌表面结合后，可改变细菌膜的电势致使细菌膜破裂，达到杀死细菌的目的[8]。因其抗菌效果优良，成本较低，广泛应用于纺织品的抗菌整理。

本文以N，N－二甲基－N－[3－(三甲氧基硅烷基)丙基]十二烷－1－氯化铵(CDMA)接枝棉织物制得抗菌棉织物，再通过直接沉积法复合壳聚糖和氧化含醛基OKGM为原料的水凝胶，水凝胶通过OKGM上的醛基与壳聚糖的氨基经席夫碱反应原位成胶，制备了系列可降解水凝胶/棉织物复合敷料，并研究了其抗菌性、降解性等一系列性能。

1 试验部分

1.1 原料

棉织物(平纹组织，克重为160 g/m2)，壳聚糖、高碘酸钠(上海泰坦科技股份有限公司)，魔芋葡甘聚糖(KGM合肥博美生物科技)，乙二醇、醋酸、氢氧化钠(国药集团化学试剂有限公司)，大肠杆菌(E.coli ATCC 8099，南京便诊生物科技有限公司)和金黄色葡萄球菌(S.aureus ATCC 6538，南京便诊生物科技有限公司)，γ－氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMS)、N，N－二甲基十二烷基叔胺(DMDA)、甲醇、碘化钾(上海易势化工有限公司)。

1.2 仪器与设备

Avance400型核磁共振氢谱仪(瑞士布鲁克公司)，Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔公司)，S－4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)，ALPHAL－2冷冻干燥机(德国克莱斯特公司)，HWS－250HL型恒温培养空气摇床(上海贺德公司)，HD－650型超净台(苏州净化公司)，LDZX－50FBS型立式压力蒸汽灭菌锅(上海申安公司)，SPX－80B－II型生化培养箱(上海贺德公司)，MS7－H550－S磁力搅拌机(上海亚荣公司)，AL204电子天平(梅特勒－托利多集团)，FSTRO－10超纯水机(上海富诗特公司)，YG(B)026G型电子织物强力机(温州大荣纺织仪器)，DKZ系列电热恒温振荡水槽(上海一恒科技有限公司)。

1.3 可降解水凝胶/棉织物复合敷料的制备

1.3.1 OKGM单体的制备

图1 OKGM单体的制备

1.3.2 CDMA的制备

将25.608 g十二烷胺二甲基叔胺与19.872 gγ－氯丙基三氯硅烷偶联剂溶于无水甲醇和DMSO的混合溶液中，温度80℃，在氮气条件下反应21 h，减压蒸馏4 h除去溶剂和未反应物，再溶于乙醇，－8℃～0℃下在丙酮中重结晶，过滤后40℃～50℃干燥得到目标产物长链烷基季铵盐，反应过程如图2所示。

图2 CDMA单体的制备

1.3.3 可降解水凝胶/棉织物复合敷料的制备

取OKGM加入去离子水中，制备8%(w/v)的OKGM水溶液；取CS加入0.5%的乙酸水溶液中，调节pH＝5，制备3%(w/v)的CS混合溶液；OKGM水溶液和CS混合溶液以不同的体积比形成多糖水凝胶，具体投料比以及成胶时间如表1所示。

表1 水凝胶的投料比及成胶时间

将棉织物样品进行充分洗涤并干燥称重；将不同质量的CDMA加入3.5 mL水和乙醇混合溶液中，制备不同浓度的CDMA溶液，再放入棉织物，浸泡6 h后，80℃加热反应20 min，充分水洗干燥得抗菌棉织物(CCT)。控制OKGM水溶液和CS水溶液以不同的体积比沉积在抗菌织物上，静置形成水凝胶/棉织物复合敷料，不同投料比如表2所示。

表2 复合敷料的投料比

1.4 结构表征与性能分析

1.4.1 核磁共振氢谱(1H NMR)

采用AVANCE400型核磁共振波谱仪对改性多糖进行结构表征，分别称取5 mg～10 mg样品放入样品管内，用氘代水溶解进行1H NMR测试，确定OKGM和CDMA单体中H的归属。1.4.2 傅里叶变换红外光谱(FTIR)

②渡槽槽身渗漏严重，钢筋多处暴露且严重锈蚀；隧洞衬砌拱顶渗漏溶蚀较严重；水闸启闭设备老化严重甚至缺失；10余座桥梁因损坏需拆除重建。

采用Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪对样品进行表征，OKGM、水凝胶采用压片法制样，抗菌织物经充分烘干后制样，测试并记录550cm－1～4000cm－1范围的光谱。

1.4.3 场发射扫描电子显微镜(SEM)测试

采用S－4800型场发射扫描电子显微镜对样品表面形态进行测试，样品冷冻干燥后经喷金制样后进行测试。

1.4.4 吸水率测试

试样的吸水性按照GB/T 21655.1－2008《纺织品吸湿速干性的评定第1部分 单项组合试验法》标准来进行测定。将抗菌棉织物和复合敷料尺寸裁剪为100 mm×100 mm，每个样品裁取5块试样，称取每块试样质量；将试样完全浸润在去离子水中，每间隔5 min时取出，自然平展地垂直悬挂，当试样不再滴水时，立即称取试样质量，按照以下公式计算每个试样的吸水倍率:

式中:m0为试样原始质量，单位为g，精确至0.001 g；m为试样浸润5 min后的质量，单位为g，精确至0.001 g[11]。

1.4.5 酶降解性能

采用称重法观察多糖水凝胶的酶降解性能。取130 mg的水凝胶样品加入含有10 mL PBS(pH＝7.2)的离心管中，其中溶菌酶溶液的浓度分别为0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L和40 mg/L，然后将离心管置于37℃的摇床中，每24 h取出水凝胶，吸干表面水分，进行称重，并更换PBS溶液[12]；按照下列公式计算酶降解速率:

式中:W0为样品初始质量，W t为降解时间为t时的样品质量。

1.4.6 抗菌性能测试

采用GB/T 20944.3－2008《纺织品抗菌性能评价第3部分:震荡法》为标准，选取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为测试菌种，对抗菌棉织物和复合敷料进行定量抗菌性能评价，按照以下公式计算试样的抑菌性:

式中:Y为试样的抑菌率；W t为对照样24 h振荡接触后烧瓶内的活菌浓度的平均值；Q t为抗菌试样24 h振荡接触后烧瓶内的活菌浓度的平均值[8]。

2 结果与讨论

2.1 核磁共振氢谱(1 H NMR)分析

通过核磁共振氢谱(1H NMR)确认OKGM上各个H原子的归属，如图3所示，在9.20 ppm出现的峰对应于OKGM中的醛基[13]，表明了KGM已被成功氧化成OKGM；环上其他质子的信号峰主要集中在2 ppm～6.4 ppm处。

图3 OKGM单体的1 H NMR

通过核磁共振氢谱(1H NMR)确认CDMA上各个H原子的归属，如下页图4所示，在3.10 ppm出现的峰对应CDMA上e、f位置的氢，表明了季铵盐的成功合成，在1.65 ppm出现的峰对应CDMA上g位值的氢，其他质子的信号峰主要集中在0.85 ppm～1.34 ppm处。

图4 CDMA单体的1 H NMR

2.2 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

通过傅里叶变换红外光谱来进一步确认多糖大分子的改性情况和多糖水凝胶的合成情况，OKGM、水凝胶、抗菌棉织物的红外光谱如图5所示。图5(a)中3389 cm－1处为O－H的特征吸收峰，1640 cm－1左右的强烈峰归因于水分子的面内变形；与KGM相比，OKGM在1730 cm－1和893 cm－1处有较为明显的峰值，前者归因于羰基，后者因为醛基和邻近羟基形成的半缩醛结构[14]；Gel与OKGM相比，醛的对称振动吸收峰1730cm－1完全消失，且1640cm－1的峰值强度有明显加强，表明OKGM的氨基与CS的醛基通过席夫碱反应形成C＝N键(1640 cm－1)。图5(b)中3350 cm－1为氮正离子的吸收峰，2922 cm－1、2853 cm－1为－CH3和－CH2伸缩振动吸收峰，1087 cm－1为Si－O－C的不对称伸缩振动吸收峰；表明CDMA通过水解反应成功接到棉织物上[15－17]。

图5 (a)OKGM和水凝胶的红外光谱图(FTIR)(b)CDMA和抗菌棉织物(CCT)的红外光谱图(FTIR)

2.3 表面形貌分析

将OKGM/CS水凝胶达到溶胀平衡后进行冷冻干燥，制样喷金处理后采用场发射扫描电镜观察其表面形貌，其SEM图如图6所示。从图中可以看出，水凝胶外表面具有均匀且规则的三维网状多孔结构，归因于化学键的交联形成，这有利于水分的吸收以及减少流失；并且随着水凝胶中OKGM含量减少，交联度减少，水凝胶的孔隙直径逐渐变大。

图6 (a)Gel－1(b)Gel－2(c)Gel－3(d)Gel－4(e)Gel－5的水凝胶表面SEM图

2.4 吸水性能分析

抗菌织物和复合敷料的吸水倍率如下页图7所示，可以看出，试样5、试样4、试样3在40 min内的吸水率分别达到了20.55 g/g、17.79 g/g、12.42 g/g，远高于试样12.95 g/g，水凝胶为敷料提供了主要的吸液能力。降低水凝胶交联密度可提高其溶胀能力，但较小的交联密度会导致水凝胶在大量吸水溶胀的时候碎裂，如试样7在70 min后出现了明显的质量损失。

图7 水凝胶/棉织物复合敷料的吸水倍率

2.5 酶降解性能分析

取多个130 mg的Gel－2分别放入含10 mL PBS溶液的离心管中，其中溶菌酶的浓度分别为0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L，40 mg/L，每组设立5个样品。由文献可知，溶菌酶可选择性的水解壳聚糖分子链中N－乙酰基葡萄糖单元之间的β－(1，4)糖苷键，但不能水解脱乙酰度95%以上的壳聚糖[18]。Gel－2在不同溶菌酶的降解速率结果如图8所示，在无酶PBS溶液中浸泡7天后质量损失约为7.9%，主要是由于长时间受到恒温振荡水槽的震动部分碎裂掉落所造成。当浸泡在含10 mg/mL的溶菌酶PBS溶液中时，质量损失速率加快，在第7天质量损失可达67.3%；进一步增加至25 mg/mL时，在第7天质量损失为91.5%，降解速率明显提升。但当溶菌酶浓度从25 mg/mL增加至40 mg/mL时，降解速率并没有较为显著的提升，这是因为溶菌酶与壳聚糖的结合量已经达到了饱和。

图8 Gel－2在不同溶菌酶浓度下的降解速率

2.6 抗菌性能分析

采用振荡法对试样1、试样2和试样3进行定量抗菌性能的测试，以零接触样为对照样。使用平板计数法统计细菌菌落数，菌落数结果如图9所示，括号内D＋数字表示稀释倍数到几倍。由公式计算可得，对金黄色葡萄球菌的抑菌率，试样1、试样2、试样3分别为99.99%、99.99%、99.99%；对大肠杆菌的抑菌率，试样1、试样2、试样3分别为99.98%、99.99%、99.97%。以上数据表明，随着CDMA的投料质量增加，抗菌效果增加；复合水凝胶后，复合敷料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有优良的抗菌效果。

图9 试样的定量抗菌菌落图

3 结论

本文以可生物降解的多糖大分子魔芋葡甘聚糖和壳聚糖为原料，使用高碘酸钠对魔芋葡甘聚糖氧化制得含醛基的OKGM，使用长链烷基季铵盐对棉织物进行抗菌整理；然后将抗菌棉织物先后浸入不同体积的壳聚糖溶液和OKGM水溶液中，经席夫碱反应原位成胶制备得可降解、抗菌性能极佳的系列水凝胶/棉织物复合敷料。经性能测试表明，水凝胶在含25 mg/L溶菌酶的PBS溶液中7天后可降解91.5%；多糖水凝胶/棉织物复合敷料的吸水率均高于原棉织物，水凝胶为复合敷料提供主要的吸液能力，且随着水凝胶交联度的降低，吸水率呈上升趋势；当棉织物接枝CDMA，抗菌织物和复合敷料均对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有优良的抗菌效果。