許夢玉，張勁松，劉東妮，吳德群

(1.東華大學 紡織學院，上海201620；2.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620)

皮膚作為人體最大的器官和第一道屏障，在保護人體免受外部損害和微生物入侵時起著重大的作用。但皮膚極易受損，受損后需要較長時間的修復；在修復的過程中，微生物極易入侵導致傷口感染惡化或危及生命健康[1]。因此，醫(yī)用敷料在促進傷口愈合以及保護傷口環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用[2]。傳統(tǒng)干敷料(如棉織物、麻織物等制成繃帶和紗布)常用來保護干燥傷口、吸收滲出物，具有極好的機械性能及穩(wěn)定性，在傷口護理的前期發(fā)揮了不可或缺的作用[3]。已知研究證明，保持傷口濕潤的環(huán)境可以加速傷口的愈合；傳統(tǒng)干敷料并不能提供潮濕的環(huán)境，且易粘附在傷口表面，在移除時易引起二次創(chuàng)傷[1]。水凝膠因具有3D交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可以吸收大量的水，可快速吸收組織滲出液，為傷口提供濕潤環(huán)境，還具有足夠的柔韌性、生物相容性等優(yōu)點，成為目前醫(yī)用敷料上的研究熱點[4]，但大多數(shù)水凝膠的力學性能較差。

魔芋葡甘聚糖(KGM)是一種可再生天然高分子多糖，主要來源于天南星科魔芋屬多年生草本植物魔芋的塊莖，是我國已確認的天然健康食物[5]。魔芋葡甘聚糖具有優(yōu)良的凝膠行為、持水性等理化性質(zhì)。殼聚糖是一種天然氨基多糖，由幾丁質(zhì)脫除部分乙?；@得，具有較好的生物降解性和生物相容性[6]，可被殼聚糖糖酶、溶菌酶、胃腸道酶等進行降解[7]。兩種多糖大分子因其出色的生物相容性、可降解性能、價格便宜，在生物醫(yī)學、功能材料等領域，具有極其廣闊的應用前景。

長鏈烷基季銨鹽通過親水的陽離子和疏水長鏈與細菌表面結(jié)合后，可改變細菌膜的電勢致使細菌膜破裂，達到殺死細菌的目的[8]。因其抗菌效果優(yōu)良，成本較低，廣泛應用于紡織品的抗菌整理。

本文以N，N－二甲基－N－[3－(三甲氧基硅烷基)丙基]十二烷－1－氯化銨(CDMA)接枝棉織物制得抗菌棉織物，再通過直接沉積法復合殼聚糖和氧化含醛基OKGM為原料的水凝膠，水凝膠通過OKGM上的醛基與殼聚糖的氨基經(jīng)席夫堿反應原位成膠，制備了系列可降解水凝膠/棉織物復合敷料，并研究了其抗菌性、降解性等一系列性能。

1 試驗部分

1.1 原料

棉織物(平紋組織，克重為160 g/m2)，殼聚糖、高碘酸鈉(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、氫氧化鈉(國藥集團化學試劑有限公司)，大腸桿菌(E.coli ATCC 8099，南京便診生物科技有限公司)和金黃色葡萄球菌(S.aureus ATCC 6538，南京便診生物科技有限公司)，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、碘化鉀(上海易勢化工有限公司)。

1.2 儀器與設備

Avance400型核磁共振氫譜儀(瑞士布魯克公司)，Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾公司)，S－4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，ALPHAL－2冷凍干燥機(德國克萊斯特公司)，HWS－250HL型恒溫培養(yǎng)空氣搖床(上海賀德公司)，HD－650型超凈臺(蘇州凈化公司)，LDZX－50FBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋(上海申安公司)，SPX－80B－II型生化培養(yǎng)箱(上海賀德公司)，MS7－H550－S磁力攪拌機(上海亞榮公司)，AL204電子天平(梅特勒－托利多集團)，F(xiàn)STRO－10超純水機(上海富詩特公司)，YG(B)026G型電子織物強力機(溫州大榮紡織儀器)，DKZ系列電熱恒溫振蕩水槽(上海一恒科技有限公司)。

1.3 可降解水凝膠/棉織物復合敷料的制備

1.3.1 OKGM單體的制備

圖1 OKGM單體的制備

1.3.2 CDMA的制備

將25.608 g十二烷胺二甲基叔胺與19.872 gγ－氯丙基三氯硅烷偶聯(lián)劑溶于無水甲醇和DMSO的混合溶液中，溫度80℃，在氮氣條件下反應21 h，減壓蒸餾4 h除去溶劑和未反應物，再溶于乙醇，－8℃～0℃下在丙酮中重結(jié)晶，過濾后40℃～50℃干燥得到目標產(chǎn)物長鏈烷基季銨鹽，反應過程如圖2所示。

圖2 CDMA單體的制備

1.3.3 可降解水凝膠/棉織物復合敷料的制備

取OKGM加入去離子水中，制備8%(w/v)的OKGM水溶液；取CS加入0.5%的乙酸水溶液中，調(diào)節(jié)pH＝5，制備3%(w/v)的CS混合溶液；OKGM水溶液和CS混合溶液以不同的體積比形成多糖水凝膠，具體投料比以及成膠時間如表1所示。

表1 水凝膠的投料比及成膠時間

將棉織物樣品進行充分洗滌并干燥稱重；將不同質(zhì)量的CDMA加入3.5 mL水和乙醇混合溶液中，制備不同濃度的CDMA溶液，再放入棉織物，浸泡6 h后，80℃加熱反應20 min，充分水洗干燥得抗菌棉織物(CCT)?？刂芆KGM水溶液和CS水溶液以不同的體積比沉積在抗菌織物上，靜置形成水凝膠/棉織物復合敷料，不同投料比如表2所示。

表2 復合敷料的投料比

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能分析

1.4.1 核磁共振氫譜(1H NMR)

采用AVANCE400型核磁共振波譜儀對改性多糖進行結(jié)構(gòu)表征，分別稱取5 mg～10 mg樣品放入樣品管內(nèi)，用氘代水溶解進行1H NMR測試，確定OKGM和CDMA單體中H的歸屬。1.4.2 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)

②渡槽槽身滲漏嚴重，鋼筋多處暴露且嚴重銹蝕；隧洞襯砌拱頂滲漏溶蝕較嚴重；水閘啟閉設備老化嚴重甚至缺失；10余座橋梁因損壞需拆除重建。

采用Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀對樣品進行表征，OKGM、水凝膠采用壓片法制樣，抗菌織物經(jīng)充分烘干后制樣，測試并記錄550cm－1～4000cm－1范圍的光譜。

1.4.3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)測試

采用S－4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對樣品表面形態(tài)進行測試，樣品冷凍干燥后經(jīng)噴金制樣后進行測試。

1.4.4 吸水率測試

試樣的吸水性按照GB/T 21655.1－2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分 單項組合試驗法》標準來進行測定。將抗菌棉織物和復合敷料尺寸裁剪為100 mm×100 mm，每個樣品裁取5塊試樣，稱取每塊試樣質(zhì)量；將試樣完全浸潤在去離子水中，每間隔5 min時取出，自然平展地垂直懸掛，當試樣不再滴水時，立即稱取試樣質(zhì)量，按照以下公式計算每個試樣的吸水倍率:

式中:m0為試樣原始質(zhì)量，單位為g，精確至0.001 g；m為試樣浸潤5 min后的質(zhì)量，單位為g，精確至0.001 g[11]。

1.4.5 酶降解性能

采用稱重法觀察多糖水凝膠的酶降解性能。取130 mg的水凝膠樣品加入含有10 mL PBS(pH＝7.2)的離心管中，其中溶菌酶溶液的濃度分別為0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L和40 mg/L，然后將離心管置于37℃的搖床中，每24 h取出水凝膠，吸干表面水分，進行稱重，并更換PBS溶液[12]；按照下列公式計算酶降解速率:

式中:W0為樣品初始質(zhì)量，W t為降解時間為t時的樣品質(zhì)量。

1.4.6 抗菌性能測試

采用GB/T 20944.3－2008《紡織品抗菌性能評價第3部分:震蕩法》為標準，選取大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為測試菌種，對抗菌棉織物和復合敷料進行定量抗菌性能評價，按照以下公式計算試樣的抑菌性:

式中:Y為試樣的抑菌率；W t為對照樣24 h振蕩接觸后燒瓶內(nèi)的活菌濃度的平均值；Q t為抗菌試樣24 h振蕩接觸后燒瓶內(nèi)的活菌濃度的平均值[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁共振氫譜(1 H NMR)分析

通過核磁共振氫譜(1H NMR)確認OKGM上各個H原子的歸屬，如圖3所示，在9.20 ppm出現(xiàn)的峰對應于OKGM中的醛基[13]，表明了KGM已被成功氧化成OKGM；環(huán)上其他質(zhì)子的信號峰主要集中在2 ppm～6.4 ppm處。

圖3 OKGM單體的1 H NMR

通過核磁共振氫譜(1H NMR)確認CDMA上各個H原子的歸屬，如下頁圖4所示，在3.10 ppm出現(xiàn)的峰對應CDMA上e、f位置的氫，表明了季銨鹽的成功合成，在1.65 ppm出現(xiàn)的峰對應CDMA上g位值的氫，其他質(zhì)子的信號峰主要集中在0.85 ppm～1.34 ppm處。

圖4 CDMA單體的1 H NMR

2.2 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析

通過傅里葉變換紅外光譜來進一步確認多糖大分子的改性情況和多糖水凝膠的合成情況，OKGM、水凝膠、抗菌棉織物的紅外光譜如圖5所示。圖5(a)中3389 cm－1處為O－H的特征吸收峰，1640 cm－1左右的強烈峰歸因于水分子的面內(nèi)變形；與KGM相比，OKGM在1730 cm－1和893 cm－1處有較為明顯的峰值，前者歸因于羰基，后者因為醛基和鄰近羥基形成的半縮醛結(jié)構(gòu)[14]；Gel與OKGM相比，醛的對稱振動吸收峰1730cm－1完全消失，且1640cm－1的峰值強度有明顯加強，表明OKGM的氨基與CS的醛基通過席夫堿反應形成C＝N鍵(1640 cm－1)。圖5(b)中3350 cm－1為氮正離子的吸收峰，2922 cm－1、2853 cm－1為－CH3和－CH2伸縮振動吸收峰，1087 cm－1為Si－O－C的不對稱伸縮振動吸收峰；表明CDMA通過水解反應成功接到棉織物上[15－17]。

圖5 (a)OKGM和水凝膠的紅外光譜圖(FTIR)(b)CDMA和抗菌棉織物(CCT)的紅外光譜圖(FTIR)

2.3 表面形貌分析

將OKGM/CS水凝膠達到溶脹平衡后進行冷凍干燥，制樣噴金處理后采用場發(fā)射掃描電鏡觀察其表面形貌，其SEM圖如圖6所示。從圖中可以看出，水凝膠外表面具有均勻且規(guī)則的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，歸因于化學鍵的交聯(lián)形成，這有利于水分的吸收以及減少流失；并且隨著水凝膠中OKGM含量減少，交聯(lián)度減少，水凝膠的孔隙直徑逐漸變大。

圖6 (a)Gel－1(b)Gel－2(c)Gel－3(d)Gel－4(e)Gel－5的水凝膠表面SEM圖

2.4 吸水性能分析

抗菌織物和復合敷料的吸水倍率如下頁圖7所示，可以看出，試樣5、試樣4、試樣3在40 min內(nèi)的吸水率分別達到了20.55 g/g、17.79 g/g、12.42 g/g，遠高于試樣12.95 g/g，水凝膠為敷料提供了主要的吸液能力。降低水凝膠交聯(lián)密度可提高其溶脹能力，但較小的交聯(lián)密度會導致水凝膠在大量吸水溶脹的時候碎裂，如試樣7在70 min后出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失。

圖7 水凝膠/棉織物復合敷料的吸水倍率

2.5 酶降解性能分析

取多個130 mg的Gel－2分別放入含10 mL PBS溶液的離心管中，其中溶菌酶的濃度分別為0 mg/L，10 mg/L，25 mg/L，40 mg/L，每組設立5個樣品。由文獻可知，溶菌酶可選擇性的水解殼聚糖分子鏈中N－乙?；咸烟菃卧g的β－(1，4)糖苷鍵，但不能水解脫乙酰度95%以上的殼聚糖[18]。Gel－2在不同溶菌酶的降解速率結(jié)果如圖8所示，在無酶PBS溶液中浸泡7天后質(zhì)量損失約為7.9%，主要是由于長時間受到恒溫振蕩水槽的震動部分碎裂掉落所造成。當浸泡在含10 mg/mL的溶菌酶PBS溶液中時，質(zhì)量損失速率加快，在第7天質(zhì)量損失可達67.3%；進一步增加至25 mg/mL時，在第7天質(zhì)量損失為91.5%，降解速率明顯提升。但當溶菌酶濃度從25 mg/mL增加至40 mg/mL時，降解速率并沒有較為顯著的提升，這是因為溶菌酶與殼聚糖的結(jié)合量已經(jīng)達到了飽和。

圖8 Gel－2在不同溶菌酶濃度下的降解速率

2.6 抗菌性能分析

采用振蕩法對試樣1、試樣2和試樣3進行定量抗菌性能的測試，以零接觸樣為對照樣。使用平板計數(shù)法統(tǒng)計細菌菌落數(shù)，菌落數(shù)結(jié)果如圖9所示，括號內(nèi)D＋數(shù)字表示稀釋倍數(shù)到幾倍。由公式計算可得，對金黃色葡萄球菌的抑菌率，試樣1、試樣2、試樣3分別為99.99%、99.99%、99.99%；對大腸桿菌的抑菌率，試樣1、試樣2、試樣3分別為99.98%、99.99%、99.97%。以上數(shù)據(jù)表明，隨著CDMA的投料質(zhì)量增加，抗菌效果增加；復合水凝膠后，復合敷料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有優(yōu)良的抗菌效果。

圖9 試樣的定量抗菌菌落圖

3 結(jié)論

本文以可生物降解的多糖大分子魔芋葡甘聚糖和殼聚糖為原料，使用高碘酸鈉對魔芋葡甘聚糖氧化制得含醛基的OKGM，使用長鏈烷基季銨鹽對棉織物進行抗菌整理；然后將抗菌棉織物先后浸入不同體積的殼聚糖溶液和OKGM水溶液中，經(jīng)席夫堿反應原位成膠制備得可降解、抗菌性能極佳的系列水凝膠/棉織物復合敷料。經(jīng)性能測試表明，水凝膠在含25 mg/L溶菌酶的PBS溶液中7天后可降解91.5%；多糖水凝膠/棉織物復合敷料的吸水率均高于原棉織物，水凝膠為復合敷料提供主要的吸液能力，且隨著水凝膠交聯(lián)度的降低，吸水率呈上升趨勢；當棉織物接枝CDMA，抗菌織物和復合敷料均對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有優(yōu)良的抗菌效果。