李　澄，李　硯

(四川大學(xué)a.高分子科學(xué)與工程學(xué)院；b.分析測試中心，四川 成都 610064)

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聚N-異丙基丙烯酰胺/殼聚糖溫敏性敷料
——自剝離傷口敷料的制備及性能研究

李澄a，李硯b

(四川大學(xué)a.高分子科學(xué)與工程學(xué)院；b.分析測試中心，四川 成都 610064)

摘要：通過自由基聚合法以單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和殼聚糖(CS)為原料反應(yīng)制得聚N-異丙基丙烯酰胺/殼聚糖(PNIPAAm/CS)多孔溫敏復(fù)合膜。用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉紅外光譜(FTIR)、差熱分析(DSC)和溶脹率等研究手段對復(fù)合膜的理化性能進行表征。研究結(jié)果表明：復(fù)合膜仍保持其良好的溫度敏感性；膜結(jié)構(gòu)隨CS含量增加而變得規(guī)則，孔徑變小，機械性能增強，同時相轉(zhuǎn)變溫度略有下降；復(fù)合膜內(nèi)兩相間分布比較均勻，未出現(xiàn)相分離；PNIPAAm與CS兩相間存在一定的鍵合作用，主要是CS的羥基和氨基與PNIPAAm中的酰胺基之間形成了氫鍵結(jié)合，這些作用對復(fù)合膜的力學(xué)性能有一定增強作用。研究還發(fā)現(xiàn)，PNIPAAm含量對膜的吸水率和力學(xué)性能亦有一定影響。

關(guān)鍵詞：溫敏性；聚N-異丙基丙烯酰胺；殼聚糖；復(fù)合膜

每年因燒傷、凍傷、病變或機械損傷等引起的皮膚損傷患者人數(shù)巨大，若皮膚傷口裸露于外界環(huán)境中會有干燥、感染細菌、損失水分甚至是更嚴重的后果[1]，因此采用皮膚傷口敷料對創(chuàng)面進行暫時性的生理覆蓋，可起到避免機械損傷、防止細菌人侵、控制水分蒸發(fā)的作用，并可減輕疼痛、吸濕以及減少創(chuàng)面收縮和疤痕增生[2-3]。目前，臨床常用的皮膚傷口敷料主要是合成高分子材料，如硅橡膠、聚氨酯、聚乙烯醇等，但這類材料在應(yīng)用中存在一明顯不足，即新生組織會長入薄膜的微孔中并與之發(fā)生粘連，創(chuàng)面愈合后導(dǎo)致其從新生組織表面分離非常困難，往往造成二次損傷，從而延長傷口愈合時間[4-6]。眾所周知，暴露于空氣中的正常皮膚表面溫度基本維持在31℃左右，而在皮膚創(chuàng)口處由于炎癥及異物反應(yīng)，其表面溫度往往在38℃以上。因此，若能找到一種能夠通過感知創(chuàng)傷皮膚與正常皮膚之間的溫度差異，從而在皮膚創(chuàng)面愈合后可自動剝離的皮膚傷口敷料，將具有極其廣闊的應(yīng)用前景，并將為廣大患者帶來福音。

由于N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)的低臨界溶解溫度(LCST)(32℃)接近人體生理溫度(37℃)，從而成為最值得研究和開發(fā)的水凝膠?；瘜W(xué)交聯(lián)的PNIPAAm水凝膠大分子側(cè)鏈上同時具有親水性的酰胺基(-CONH)和疏水性的異丙基[-CH(CH3)2]，因而是一種典型的溫敏水凝膠。PNIPAAm水凝膠通過共價鍵、氫鍵或范德華力等作用相互交聯(lián)構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)中可容納本身重量的數(shù)倍至數(shù)百倍的水，是一種集吸水、保水、緩釋于一體的高分子材料。該水凝膠在LCST附近存在可逆的不連續(xù)體積相轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度高于32℃時，表現(xiàn)出強烈的疏水性，體積急劇收縮；當(dāng)溫度低于32℃時，表現(xiàn)出明顯的親水性，凝膠重新溶脹。PNIPAAm水凝膠敏銳的溫度敏感性使其在化學(xué)閥、生物分離、活性酶包埋等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[7-10]。

本研究中將選用PNIPAAm水凝膠作為制備傷口敷料的一種原材料，利用其對正常和受傷皮膚溫度差異的感知而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，從而在傷口愈合后自動剝離。但因PNIPAAm機械性能很差，在吸水后甚至不能承受自身重量，從而使其應(yīng)用受到了限制。對此，常將其與其他材料復(fù)合，在保留其溫敏特性的同時改善其力學(xué)強度。殼聚糖(Chitosna，CS，(1-4)-2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖)是甲殼素的部分或全部N-脫乙?；a(chǎn)物，分子鏈上分布著大量羥基、氨基及酰氨基團，可形成很多分子內(nèi)和分子間氫鍵[11-12]，從而賦予CS良好的機械性能、生物活性和成膜性，加之CS良好的抗菌性能，使之在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如用作骨水泥、骨引導(dǎo)再生膜、組織皮膚等[13-15]。因此，本文將NIPAAm與CS復(fù)合，優(yōu)勢互補，取長補短，希望制備一種具有一定力學(xué)強度和溫敏特性的自剝離復(fù)合皮膚敷料，并對膜的結(jié)構(gòu)和性能進行分析評價，以探討其作為自剝離皮膚敷料的可行性。

1材料與方法

1.1試劑

N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm，上海物竟化工科技有限公司)，甲苯重結(jié)晶(AR)；NN′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA，成都科龍化工試劑廠)，甲醇重結(jié)晶(AR)；過硫酸鉀(APS，成都科龍化工試劑廠)； 亞硫酸氫鈉(SBS天津市塘沽鵬達化工廠)；脫乙酰度95 %的殼聚糖(醫(yī)用級，濟南海得貝化學(xué)試劑公司)。

1.2膜的制備

于1 000 mL 單口瓶中依次加入16 g(140.89 mmol) NIPAAm 、0.8 g (5.88 mmol) MBA、0.22 g( 2.14 mmol) SBS和400 mL去離子水, 攪拌至完全溶解, 5℃下通入氮氣25 min,然后加入0.58 g (2.14 mmol) KPS 并立即密封單口瓶，5℃下130 r·min-1攪拌反應(yīng)24 h，即得PNIPAAm 溶液。 取出1/4溶液置于表面皿，在室溫下靜置4 h得PNIPAAm 水凝膠，用去離子水充分浸泡，凍干，儲存?zhèn)溆谩ＪＳ郟NIPAAm溶液平均分三份，分別加入含有1.71, 2.67 ，4.00 g CS 的醋酸溶液，在 5℃下以130 r·min-1繼續(xù)攪拌，反應(yīng)4 h后分別于表面皿中凍干，用0.1 mol·L-1氫氧化鉀溶液脫模即得PNIPAAm/CS 復(fù)合膜，用去離子水充分浸泡，凍干儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.3測試

采用Nicolet Perkin Elmer Co傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析膜的組分變化；用日本 JEM-100CX型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)觀察其表面形貌；用美國 METTLER TOLEDO的差熱分析儀(DSC)測試復(fù)合膜的LCST；通過觀察復(fù)合膜在LCST前后表面形貌的變化，分析復(fù)合膜的溫度響應(yīng)性，并測試復(fù)合膜在水中的溶脹率。溶脹率按下式計算：

溶脹率 (%) = [(Wt-Wd)/Wd] ×100%，

式中，Wt為復(fù)合膜在時間t時質(zhì)量,Wd為干燥復(fù)合膜質(zhì)量。

2結(jié)果與討論

2.1復(fù)合膜的紅外光譜分析

CS、PNIPAAm和復(fù)合膜的紅外光譜圖如圖1。圖1a中，3 435.94 cm-1處的寬峰為-OH伸縮振動吸收峰與-NH伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收峰；2 923.18 cm-1和2 849.47 cm-1處為C-H的兩個伸縮振動吸收峰；1 627.85 cm-1處為伯胺-NH2的對稱彎曲振動吸收峰；而在1 080 cm-1處的吸收峰則是殼聚糖的-CH2-OH中C-O的伸縮振動吸收峰[16]。圖1b中，3 437.66 cm-1處寬峰是仲酰胺-NH-的伸縮振動峰,而PNIPAAm典型的酰胺羰基的C=O伸縮振動峰(酰胺I峰)和仲酰胺N-H彎曲和C-N伸縮聯(lián)合振動峰(酰胺II峰)的雙吸收峰分別出現(xiàn)在1 648.51 cm-1和1 545.27 cm-1；2 974 cm-1、2 934.62 cm-1和2876.66 cm-1處為甲基、亞甲基及次甲基的C-H伸縮振動峰。1 460.60 cm-1處為甲基及亞甲基C-H不對稱彎曲振動峰，1 391.32 cm-1處為甲基及亞甲基的C-H對稱彎曲振動峰；1 173.18 cm-1處為-CH(CH3)2中C-C骨架的伸縮振動峰。

圖1　CS(a)、PNIPAAm(b)和復(fù)合膜70/30(c)、

圖1c-e是PNIPAAm/CS復(fù)合膜的紅外光譜。CS的-OH伸縮振動吸收峰與-NH-伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收寬峰和PNIPAAm的仲酰胺-NH-的伸縮振動寬峰在3433 cm-1左右重疊變寬，此外，復(fù)合膜中3433 cm-1左右重疊寬峰隨著CS含量增加而略向低波數(shù)方向移動，且峰寬進一步變大，這可能是二者之間氫鍵作用及氫鍵數(shù)目隨CS含量上升而增加引起的。從圖1c-e可以看出，PNIPAAm的主要功能基團即親水的酰胺基-CONH-和疏水的異丙基-CH(CH3)2在復(fù)合膜中均有出現(xiàn)，這兩種基團在復(fù)合膜的溶脹-退脹過程中起著關(guān)鍵的作用。紅外分析結(jié)果表明，在聚合、復(fù)合過程中PNIPAAm的酰胺基沒有發(fā)生水解，復(fù)合膜保留了PNIPAAm的主要功能基團。CS的主要特征峰亦在復(fù)合膜的紅外譜圖中出現(xiàn)，說明兩組分在復(fù)合前后性能均無顯著變化。

2.2復(fù)合膜的掃描電鏡圖片分析

CS、PNIPAAm和復(fù)合膜在 50和2000倍數(shù)下的SEM圖片如圖2，其中右上角插入的小圖為低倍下的SEM圖片。從圖2a中可以看出，CS膜表面相對平整光滑，無孔隙出現(xiàn)。而PNIPAAm表面卻呈現(xiàn)疏松、類似管狀無規(guī)則結(jié)構(gòu)的三維多孔形貌(如圖2b)，這是PNIPAAm水凝膠在干燥過程中失去其所含的大量水分，從而出現(xiàn)大量孔隙，同時由于失水引起結(jié)構(gòu)塌陷而使孔結(jié)構(gòu)不甚規(guī)則。

圖2　CS(a)、PNIPAAm(b)和復(fù)合膜70/30(c)、

不同組分比例的復(fù)合膜SEM形貌圖如圖2c-e，可以看出這三類復(fù)合膜均為三維多孔結(jié)構(gòu)，且隨著CS含量增加孔徑顯著變小，孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)更加規(guī)則的近圓形管狀結(jié)構(gòu)。一方面，隨著殼聚糖含量上升復(fù)合膜的含水量逐漸降低，水所占據(jù)的空間位置減少，故在干燥失水后孔隙率降低；另一方面，CS含量上升使復(fù)合膜的力學(xué)強度提高，在失水后復(fù)合膜仍維持較高的骨架強度而不塌陷，改善了單純PNIPAAm水凝膠失水塌陷的狀況，從而使復(fù)合膜的孔結(jié)構(gòu)變得均勻而規(guī)則。

2.3復(fù)合膜的溶脹性能分析

CS、PNIPAAm和復(fù)合膜的溶脹曲線如圖3?？梢钥闯觯袦y試樣品的溶脹率隨時間延長而上升，其中單純CS膜的吸水率最低(如圖3e)，溶脹平衡時其吸水率僅106 %， 而純PNIPAAm膜(如圖3a)溶脹平衡后的吸水率為1 525 %。從圖3b-d中可發(fā)現(xiàn)，三種不同組分比例的復(fù)合膜達到溶脹平衡時的吸水率介于純CS膜和純PNIPAAm膜之間，而且復(fù)合膜的溶脹平衡吸水率隨CS含量增加而降低，分別為422 %、357 %、305 %。通常，溶脹過程是水分子向膜的內(nèi)部滲透，引起高分子鏈伸展，一部分水分子吸附于復(fù)合膜內(nèi)，一部分與高分子鏈上親水基團形成氫鍵而結(jié)合。隨著CS含量增加復(fù)合膜中PNIPAAm含量相對降低，親水基團-CONH-數(shù)目減少；而且CS的-OH和-NH2基團與PNIPAAm的親水基團-CONH-間形成分子間氫鍵，使得親水基團-CONH-和水分子結(jié)合機會減少；此外，CS在32℃以下的親水性要低于PNIPAAm，三種情況的共同作用使得復(fù)合膜的溶脹平衡吸水率降低，并與復(fù)合膜中CS的含量成反比。這與SEM圖片中觀察到的結(jié)果一致，即干燥后復(fù)合膜的孔隙率與其中CS的含量成反比。

圖3　PNIPAAm(a)和復(fù)合膜70/30(b)、60/40(c)、

2.4復(fù)合膜LCST的測定

CS、PNIPAAm和復(fù)合膜在水中達到溶脹平衡后的差熱分析(DSC)曲線如圖4。可以看出，CS(如圖4a)在20 ℃至45 ℃溫度范圍內(nèi)未發(fā)生相轉(zhuǎn)變，而PNIPAAm(如圖4b)和復(fù)合膜(如圖4c-e)在此溫度范圍內(nèi)均有一明顯的吸熱峰，起始相轉(zhuǎn)變的溫度分別為32.5 ℃ 、32.3 ℃、32 ℃和31.8 ℃,即隨著CS含量的增加，相轉(zhuǎn)變的起始溫度略有下降。這說明CS的加入并未顯著改變PNIPAAm固有的溫敏特性，但CS和PNIPAAm之間的相互作用使大分子發(fā)生了重排，從而導(dǎo)致復(fù)合膜的相轉(zhuǎn)變溫度比純PNIPAAm的LCST略有降低。

圖4　CS(a)、PNIPAAm(b)和復(fù)合膜70/30(c)、60/40(d)、

2.5復(fù)合膜在相轉(zhuǎn)變溫度前后的表觀變化

PNIPAAm/CS(60/40)復(fù)合膜在水中達到溶脹平衡后分別在25℃和37℃的照片如圖5。

圖5　PNIPAAm/CS(60/40)復(fù)合膜在不同溫度下

很顯然，在相轉(zhuǎn)變溫度前后復(fù)合膜的形狀和顏色均有明顯變化。當(dāng)溫度低于PNIPAAm水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度(32 ℃)，為25 ℃時，復(fù)合膜中高分子的親水基團通過氫鍵和環(huán)境中的水分子結(jié)合，使得水分子被束縛形成穩(wěn)定的水合結(jié)構(gòu)，復(fù)合膜處于有序化程度較高的吸水膨大狀態(tài)，高分子鏈舒展，透明度增加，處于溶脹舒展?fàn)顟B(tài)；當(dāng)溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度，為37 ℃時，復(fù)合膜脫水皺縮，顏色變白，處于致密收縮狀態(tài)。即溫度的改變使得復(fù)合膜中高分子由疏松的線團結(jié)構(gòu)變?yōu)榫o密的膠粒狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生了無規(guī)線團狀(coil)-蜷曲球狀(Globule)轉(zhuǎn)變。復(fù)合膜的溫度敏感性依然由PNIPAAm的親水基團-CONH-和疏水基團-CH(CH3)2交互控制，溫度高于PNIPAAm的LCST時，復(fù)合膜中疏水的異丙基-CH(CH3)2作用占主導(dǎo)地位，使復(fù)合膜脫水塌陷而發(fā)生皺縮。正是由于復(fù)合膜在LCST前后的相轉(zhuǎn)變行為使其具有作為智能傷口敷料的潛力，因皮膚創(chuàng)口處由于炎癥及異物反應(yīng)，其表面溫度往往在38℃以上，高于復(fù)合膜的LCST，此時多孔致密的復(fù)合膜可緊密貼覆于傷口表面，減輕疼痛，保護傷口，保持傷口處濕度；當(dāng)創(chuàng)口愈合，溫度降至正常的體表溫度31 ℃左右，低于復(fù)合膜的LCST,這時復(fù)合膜會結(jié)合環(huán)境中的水而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，舒展膨大，無法支持自重，從傷口表面脫落，從而實現(xiàn)敷料的智能自剝離。

3結(jié)論

研究表明，PNIPAAm/CS復(fù)合膜依然具備較敏銳的溫敏性，但其相轉(zhuǎn)變溫度有略微降低，在31.8 ℃左右，非常接近于人的體表溫度。隨CS含量增加，PNIPAAm/CS復(fù)合膜中兩相間分布更為均勻，分子間形成更強的相互作用，復(fù)合膜呈現(xiàn)規(guī)則的三維多孔結(jié)構(gòu)，改善了單一組分PNIPAAm水凝膠失水塌陷的缺點，提高了復(fù)合膜的力學(xué)強度。而復(fù)合膜的溶脹平衡吸水率也隨CS含量的增加從422 %降至305 %左右。因人體表溫度為32 ℃左右，而兩相質(zhì)量比在7:3～5:5的PNIPAAm/CS復(fù)合膜相轉(zhuǎn)變溫度與此最為接近，故此類復(fù)合膜有望作為一種應(yīng)用前景廣闊的自剝離皮膚傷口敷料。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

Poly (N-isopropyl Acrylamide)/Chitosan Composite Membrane withSmart Thermo-responsive Performance——Study on Fabrication and Properties of Self-peeling Wound Dressing

LI Chenga, LI Yanb

(a.College of Polymer Science and Engineering;b.Analytical & Testing Center,Sichuan University, Chengdu Sichuan 610064,China)

Abstract:In this study, poly (N-isopropylacrylamide) / chitosan (PNIPAAm / CS) composite membranes were fabricated, in which PNIPAAm was directly synthesized using NIPAAm monomers by means of free radical polymerization. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy was employed to characterize the membranes and the interactions. The lower critical solution temperature (LCST) of the swollen membrane was determined by differential scanning calorimetry (DSC). The morphologies of the obtained membranes were observed using scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the composite membrane had good thermo-responsive performance. The construction of membrane became more regular with the increasing of CS. The hydrogen bondings have been formed between the two compositions of CS and PNIPAAm. Obvious phase conversion and shape change of the composite membrane have occurred below and above the LCST, which enhanced the mechanical properties of the composite menbrance. The results also showed that water absorption and mechanical properties of the menbrane were also affected by the PNIPAAm content.

Key words:thermo-responsive; PNIPAAm; chitosan; composite membrane

收稿日期：2016-01-12；最后修回日期：2016-03-15

作者簡介：李澄(1993-)，男，遼寧大連人，主要從事高分子材料研究。

文章編號：2096-1383(2016)03-0237-05

中圖分類號：O633.22

文獻標志碼：A