歐康康，祁琳雅，侯怡君，范天華，齊 琨，王寶秀，王華平,3

(1.中原工學院 紡織服裝產業(yè)研究院，河南 鄭州 451191；2.東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；3.國家先進功能纖維創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215228)

創(chuàng)面愈合是一個復雜的動態(tài)過程，涉及到組織細胞間的相互作用，護理不當會影響愈合效果，因此，合理選擇創(chuàng)傷敷料對于創(chuàng)面的愈合具有重要意義[1]。研究發(fā)現，濕潤的微環(huán)境可促進創(chuàng)面愈合，這也推動了濕性敷料的快速發(fā)展，但傳統(tǒng)的濕性敷料易在傷口處形成積液，影響創(chuàng)面的愈合[2]，因此，亟需開發(fā)出具有單向導濕功能的創(chuàng)傷敷料，去除傷口周圍過量滲出液，以實現創(chuàng)面的快速愈合。

近年來，基于傳統(tǒng)織物和三維納米纖維膜的單向導濕功能材料在吸濕排汗功能面料、生物醫(yī)用材料、組織工程等方面展示出極大的應用前景[3-4]，也有望用于創(chuàng)傷護理領域。靜電紡納米纖維膜具有纖維直徑細、比表面積大、孔隙率高、易功能化加工以及質量輕等優(yōu)點，且其內部的纖維形態(tài)結構還與生物體組織細胞外基質相類似，將其用于創(chuàng)傷敷料具有其他材料不可比擬的優(yōu)勢[5-6]。可將靜電紡絲技術與單向導濕結構設計相結合，嘗試構建具有單向導濕功能的納米纖維創(chuàng)傷敷料。

聚氨酯納米纖維柔韌性好，且具有高強高彈性、優(yōu)異的疏水性能以及生物相容性，成為醫(yī)用敷料中應用最為廣泛的一種高分子材料[7]。聚丙烯腈(PAN)具有良好的親水性和可紡性，其納米纖維膜軟而蓬松，吸水性較高[8]。但純PAN納米纖維膜的力學性能略差，但將聚氨酯(PU)與PAN混紡可顯著增強PAN納米纖維膜的力學性能，使纖維膜結構更穩(wěn)定[9-10]。聚丙烯酸鈉(SPA)具有優(yōu)異的吸水保水性，可顯著提升納米纖維膜的吸水性能[11]。創(chuàng)傷敷料中引入SPA可吸收較多傷口滲出液，但濕潤的微環(huán)境反而加速了細菌滋生易引發(fā)傷口感染，因此，對創(chuàng)面的有效處理成為降低創(chuàng)傷患者感染的重要手段。目前，研究者常采用殺菌快、廣譜性強的有機小分子抗菌劑，但其易滲入傷口而危害人體健康。納米銀具有其他材料無可比擬的抗菌效果，但其價格昂貴，且有研究發(fā)現其對人體肺臟、肝臟等有一定損傷，生物安全性依然沒有明確定論[12]。聚合物抗菌劑具有性能穩(wěn)定、不會透過傷口滲入人體等優(yōu)點，具有更持久的抗菌性，有望滿足臨床抗菌敷料的應用[13]。其中含胍基的陽離子型抗菌聚合物，如聚六亞甲基胍鹽酸鹽的結構與天然抗菌肽相似，具有較高的抗菌性和生物相容性[14]。

綜上，本文基于聚合物材料固有的親疏水特性，結合聚合物抗菌劑聚六亞甲基胍鹽酸鹽(PHGC)，利用靜電紡絲技術開發(fā)出內層為疏水性的PU-PHGC納米纖維膜，外層為親水性的PAN/PU-SPA納米纖維膜，通過調控內外層纖維膜的厚度、孔隙結構以及親疏水性，促使雙層敷料內部形成潤濕性梯度和差動毛細效應，以期制備出集單向導濕、抗菌等功能于一體的雙層結構納米纖維醫(yī)用敷料。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：聚氨酯(通用級，1180A10)，德國巴斯夫公司；聚丙烯腈(相對分子質量為700 000)，蘇州暉煌氟塑化有限公司；聚丙烯酸鈉(醫(yī)用級)，杭州英博生物科技有限公司；四氫呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、無水乙醇、鹽酸胍、1,6-己二胺(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；金黃色葡萄球菌和大腸桿菌(河南匯博醫(yī)療股份有限公司)；胎牛血清(FBS)，杭州四季青生物工程材料公司；人胃上皮細胞(GES-1)，中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所；3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴鹽(MTT)、杜爾貝科改良伊格爾培養(yǎng)基(DMEM)、青霉素-鏈霉素雙抗溶液、磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，賽默飛世爾科技公司。

儀器：Handy型靜電紡絲機(北京永康樂業(yè)科技發(fā)展有限公司)；SIGMA-500型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(卡爾蔡司光學有限公司)；OCA35型光學接觸角測試儀(德國Dataphysics公司)；W3/031型水蒸氣透過率測試儀、XLW(EC)型智能電子拉力試驗機(濟南蘭光機電技術有限公司)；YG461E-III型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠)；Varian 640-IR型傅里葉紅外光譜測試儀(安捷倫科技有限公司)；TG209Fl型熱重分析儀(德國耐馳公司)。

1.2 試樣制備

1.2.1 PHGC抗菌劑的制備

將等量的1,6-己二胺(0.50 mol)和鹽酸胍(0.50 mol) 加入三口燒瓶中，于120 ℃下攪拌2 h，至無氨氣釋放后調溫至180 ℃，持續(xù)攪拌6 h，隨后在真空干燥箱中將產物烘干得到PHGC抗菌劑。

1.2.2 PU-PHGC防黏抗菌內層的制備

室溫條件下，將PU在質量比為1∶1的DMF和THF混合溶劑攪拌6 h，制得質量分數為18%的PU紡絲液，然后將0.06%的PHGC加入PU紡絲液中攪拌均勻，采用靜電紡絲機制備防黏抗菌內層膜。紡絲工藝為：紡絲電壓20 kV，接收距離18 cm，接收輥轉速150 r/min，供液速度0.08 mL/min，紡絲時間(x) 分別為1、2、3 h。不同紡絲時間所制得PU內層纖維膜記為PU-x。

1.2.3 PAN/PU-SPA吸液外層的制備

室溫條件下，將質量比為7∶3的PAN和PU在DMF溶劑中攪拌6 h，制得質量分數為12%的PAN/PU溶液；隨后將占聚合物總質量10%的SPA粉末加入上述溶液中，混合均勻后得到紡絲液，靜電紡絲8 h可制得吸液外層膜。紡絲工藝為：紡絲電壓20 kV，接收距離18 cm，接收輥轉速為100 r/min，供液速度為0.1 mL/min。

1.2.4 雙層敷料的制備

在鋁箔紙上先紡出PU-PHGC防黏內層，然后在防黏內層表面繼續(xù)紡制PAN/PU-SPA吸液外層得到雙層敷料，紡絲條件與單獨制備內外層膜時保持一致，并將雙層敷料的防黏內層標記為正面。

1.3 性能測試

1.3.1 微觀形貌觀察及直徑測量

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察納米纖維膜的表面和截面形貌，采用Nano Measurer軟件分析內外層膜中纖維直徑分布和平均尺寸。

1.3.2 接觸角測試

利用接觸角測試儀表征2 μL大小的水滴在單層纖維膜和雙層敷料表面的接觸角。將樣品粘在載玻片上置于觀察臺上，將水滴滴在樣品表面后記錄其接觸角隨時間的變化。將5 μL的液滴分別連續(xù)滴加至雙層敷料的正反面，記錄水滴在敷料正反面的傳輸情況。

1.3.3 墨滴擴散測試

將50 μL的藍色墨滴分別滴在單層纖維膜表面和雙層敷料正反面，觀察墨滴在200 s內的擴散過程。

1.3.4 吸水性能測試

創(chuàng)傷敷料吸水性能的強弱直接影響傷口的濕潤度。為探究制備的材料是否滿足敷料的使用要求，根據下式分別計算材料的吸水率和平衡含水量：

式中：WWA為吸水率，%；REWC為平衡含水量，%；m0為干燥的樣品質量，g；m1為干燥樣品置入10 mL去離子水中平衡2 h后的質量，g。

1.3.5 透氣透濕性能測試

按照ASTM D737—2018《紡織織物透氣性的標準試驗方案》，利用全自動透氣量儀測定各樣品的透氣性。

按照ASTM E96/E96 M—2016《材料水蒸氣透過性試驗方法》，利用水蒸氣透過率測試儀表征各樣品的透濕性能。透濕率按照下式進行計算：

式中：RWVT為透濕率，g/(m2·d)；t為測試時間，h；m為透濕杯的質量變化，g；A為杯口面積，m2。

1.3.6 力學性能測試

將各樣品裁成50 mm × 10 mm，利用電子拉力試驗機測試其力學性能，拉伸速率為10 mm/min。每個樣品測試5次，結果取平均值。

1.3.7 熱穩(wěn)定性測試

稱取5 mg左右的樣品，利用熱重分析儀在氮氣環(huán)境下表征各樣品的耐熱性能，控制溫度范圍在 35～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.8 化學結構測試

采用傅里葉紅外光譜測試儀表征PHGC、PU以及PU-PHGC的化學結構，測試條件選擇吸收模式，波數范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.9 抗菌性能測試

選擇金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為實驗菌種，未加抗菌劑的雙層敷料為空白樣。將空白樣和含PHGC的雙層敷料裁成直徑為2 cm的圓片，滅菌后放入25 mL含有2.5 mL菌液的肉湯中，于37 ℃振蕩培養(yǎng)2 h，各取0.1 mL的培養(yǎng)液均勻涂于瓊脂培養(yǎng)基上，繼續(xù)培養(yǎng)24 h后觀察菌落的生長情況。

1.3.10 細胞毒性及黏附性測試

按照GB/T 16886.5—2017《醫(yī)療器械生物評價 第5部分：體外細胞毒性試驗》，測定各樣品的浸提液對GES-1細胞活力的影響，將無浸提液的培養(yǎng)孔作為對照組[15]。細胞活力按照下式進行計算：

式中：VC為GES-1的細胞活力，%；eOD為490 nm條件下樣品100%浸提液光密度平均值；bOD為490 nm條件下空白樣光密度平均值。

細胞黏附實驗操作步驟[10]：將雙層敷料在75%乙醇蒸汽中滅菌后放入培養(yǎng)基中浸漬2 h，隨后以 1×104細胞/孔的密度將GES-1細胞分別接種至敷料的內外層表面，然后將其置于37 ℃、95%相對濕度以及5%濃度的CO2條件下進行培養(yǎng)，定時更換培養(yǎng)液，培養(yǎng)48 h后用4%的多聚甲醛固定細胞，烘干后觀察樣品表面的細胞形貌。

2 結果與討論

2.1 形貌結構分析

圖1(a)和(b)示出雙層敷料內外層的掃描電鏡照片和直徑分布圖?？梢园l(fā)現，2種膜的纖維表面光滑均勻，無串珠結構，其中：內層PU-PHGC膜的纖維平均直徑為(1.1±0.38) μm，纖維排列疏松，膜孔徑較大；而外層PU/PAN-SPA膜的纖維平均直徑為(134±35) nm，纖維排列較致密，纖維膜孔徑較小。圖1(c)示出雙層敷料的截面SEM照片?？芍?，內層PU-PHGC與外層PU/PAN-SPA膜間纖維相互纏繞，結合牢度較好，可構筑出結構穩(wěn)定的雙層敷料。由圖1(c)中內外層膜接觸角可發(fā)現，內層纖維膜呈現明顯的疏水性，外層纖維膜為親水性。說明本文能夠將纖維尺寸、孔徑以及親疏水性能差異較大的2種膜復合成雙層敷料，利用內外層纖維膜間形成的差動毛細效應驅動液體由疏水內層向親水外層流動，加速敷料吸收滲液并實現單向導濕效果[2]。

圖1 雙層納米纖維敷料的形貌、直徑分布圖及其水接觸角Fig.1 Morphology,diameter distribution and water contact angle of nanofiber dressing.(a) Inner layer PU-PHGC membrane;(b) Outer layer PAN/PU-SPA membrane;(c) Cross-section of bilayer dressing and contact angle of inner and outer layer membrane

2.2 親水性能分析

圖2示出內、外層膜和不同雙層敷料正面的動態(tài)接觸角。可以看出：內層膜的初始接觸角約為130°，能夠維持60 s無變化，疏水特征顯著；而外層膜的初始接觸角可在1.2 s內迅速由65°降至0°，呈現出優(yōu)異的親水性。對于雙層敷料而言，其正面的初始接觸角均大于90°，隨后降至為0°，但當PU紡絲時間從1 h增至3 h時，其接觸角降為0°所需時間由3 s增至8 s。這是因為從雙層敷料正面滴水時，水滴先接觸到PU層，因其具有疏水性而使雙層敷料正面的初始接觸角均在90°以上，隨后因差動毛細效應的存在使得水滴可經纖維間孔隙向內部滲透，當水滴接觸到PAN/PU-SPA親水層時被快速吸收，導致雙層敷料正面的接觸角降為0°。不同紡絲時間所得3種雙層敷料正面的初始接觸角降至0°所用的時間不同，這是因為PU紡絲時間不同使得疏水層的厚度不同。紡絲時間越長，疏水膜越厚，液體穿過PU纖維孔隙所需時間也就越長，導致雙層敷料表面液滴被吸收的速度不同。為促進積液排出，選擇紡絲1 h的PU納米纖維膜作為雙層敷料的內層進行研究，此時雙層敷料正面可在3 s內將積液完全滲出。

圖2 內、外層膜和不同雙層敷料正面的動態(tài)接觸角Fig.2 Dynamic water contact angle of inner layer(a),outer layer(b) and inner layer of bilayer dressingPU-1 (c),PU-2(d) and PU-3(e)

圖3示出50 μL墨滴在內、外層膜和雙層敷料正反面的擴散過程圖?？梢钥闯觯卧趦?、外層膜和雙層敷料正反面上擴散200 s后的直徑依次為0.9、4.2、3.9以及4.2 cm。由于內層PU纖維膜呈疏水性使得其表面的墨滴始終呈球狀，而墨滴在單外層膜和雙層敷料正反面均能快速擴散，在外層膜和雙層敷料反面的擴散直徑保持一致，而墨滴在雙層敷料正面的擴散面積略小于其反面的擴散面積，表明墨滴在雙層敷料內是先沿厚度方向由疏水內層向親水外層傳輸，再沿親水外層膜水平方向擴散。這也證實了親-疏水雙層梯度結構納米纖維膜能夠驅動液體的傳輸。

圖3 墨滴在樣品中的擴散過程Fig.3 Diffusion process of ink drops on samples.(a) Inner layer;(b) Outer layer;(c) Front side of bilayer dressing;(d) Reversal side of bilayer dressing

2.3 單向導濕性能分析

雙層敷料正反向的液體傳輸過程如圖4所示?？芍慰稍?.9 s內由敷料的疏水PU內層向親水PAN/PU-SPA外層正向穿透，而反向滴入的液滴會在1.5 s內被親水層迅速吸收，在親水層表面發(fā)生鋪展而無法形成反滲。此現象可說明，親疏水雙層梯度結構敷料之間可形成驅動作用力，驅使液體只能由疏水內層膜透過敷料正向傳輸，而不能反向傳輸。這是由于雙層敷料中疏水PU內層膜可有效阻止親水層吸收液體后的反向滲透，其較薄的厚度不會影響雙層敷料對液體的正向傳輸，展現出良好的單向導濕功能。

圖4 雙層敷料正反向液體傳輸過程Fig.4 Transmission process of water droplets on both sides of dressing.(a) Forward direction;(b) Negative direction

2.4 其他物理力學性能分析

為滿足創(chuàng)傷敷料在臨床使用中的要求，其應當具備合適的物理力學性能，本文所設計雙層敷料的物理力學性能測試結果如表1所示?？芍?，雙層敷料的強度為(6.5±0.5) MPa，斷裂伸長率為(45±5)%，其斷裂強度和延展性都接近人體皮膚，能夠與創(chuàng)面貼合良好并保護創(chuàng)面，滿足敷料的力學性能要求。此雙層敷料的吸水率和平衡含水量分別為(1 230±50)%和(92±2)%，可保證其對傷口滲出液的高效吸收。傷口愈合過程中細胞活力與氧氣濃度有關，敷料應能夠為創(chuàng)傷修復提供有利于創(chuàng)面愈合的透氣透濕等微環(huán)境。研究表明，敷料在中度滲出液傷口處的透濕率在900～1 450 g/(m2·d)范圍內較為合理[16]，本文制備的雙層敷料的透濕率為(1 350±20) g/(m2·d)，雙層敷料透氣率為(6.7±0.5) mm/s，剛好滿足此要求。綜上可知，所設計雙層敷料的其他物理性能均能很好地滿足實際需求。

表1 雙層敷料的物理性能Tab.1 Physical performance of bilayer dressing

2.5 化學結構及耐熱性分析

為探究合成PHGC抗菌劑的穩(wěn)定性及其與敷料的相容性，測定了PHGC粉末及其復合膜的熱重和紅外光譜圖，結果如圖5、6所示。由圖5可知，雙層敷料和PHGC粉末的熱分解溫度分別為275和 325 ℃，均具有良好的熱穩(wěn)定性，也表明PHGC抗菌劑在常規(guī)使用條件下不會降解成小分子而影響人體安全。

圖5 PHGC和雙層敷料的熱重曲線圖Fig.5 TG curves of PHGC and bilayer dressing

圖6 PHGC、PU-PHGC和PU納米纖維膜的紅外圖譜Fig.6 FT-IR spectra of PHGC,PU-PHGC and PU nanofibrous membrane

2.6 抗菌性能分析

創(chuàng)傷部位滋生細菌會嚴重影響創(chuàng)面的愈合，要求敷料具有優(yōu)良的抗菌性能。本文探究了空白樣和含有0.06% PHGC疏水內層組成的雙層敷料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌效果，結果如圖7所示?？梢园l(fā)現，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在空白樣的培養(yǎng)基上形成大量菌落，說明空白樣抗菌效果較差。而在含有PHGC雙層敷料處理的培養(yǎng)基表面，幾乎沒有觀察到金黃色葡萄球菌菌落，僅觀察到少量的大腸桿菌，抑菌率均大于95%，證明雙層敷料具有較好的抑菌效果。

圖7 雙層敷料的抗菌性能Fig.7 Antibacterial properties of bilayer dressing.(a) Blank sample;(b) Bilayer dressing

2.7 細胞毒性分析

創(chuàng)傷敷料作為醫(yī)用材料的首要條件是安全無毒。本文以GES-1細胞為實驗對象，采用MTT法探究所有樣品的細胞活性，結果如圖8所示。可知，GES-1細胞在對照組和樣品浸提液中培養(yǎng)24 h和48 h后的細胞活力均保持在95%以上。這證明單層膜和雙層敷料對GES-1細胞均無毒，也表明所設計的納米纖維基雙層創(chuàng)傷敷料具有優(yōu)異的生物相容性。

2.8 細胞黏附性分析

理想的創(chuàng)傷敷料應對創(chuàng)面具有較低的黏附性能。本文評價了雙層敷料正反面與細胞間的相互作用，結果如圖9所示。

圖9 雙層敷料培養(yǎng)48 h后的細胞黏附性能Fig.9 Bio-adhesion effect of bilayer dressings culturing 48h.(a) Front side;(b) Reverse side

可知，細胞培養(yǎng)48 h后，可清楚地觀察到敷料親水外層膜表面黏附的細胞數量多于疏水內層膜，表明雙層敷料中疏水內層膜相較于親水外層膜呈現出更低的細胞黏附力，這可能是由于細胞更傾向于在親水性表面生長。實際應用中疏水性PU內層膜接觸傷口，其對細胞的黏附力較低，能夠避免因細胞粘連傷口而引起的二次創(chuàng)傷，對新生肉芽組織起到保護作用，有利于創(chuàng)面愈合。

3 結 論

本文利用聚合物原料的不同特性，利用靜電紡絲技術構建出纖維尺寸、親疏水性能均不同的聚丙烯腈(PAN)/聚氨酯(PU)-聚丙烯酸鈉(SPA)和PU-聚六亞甲基胍鹽酸鹽(PHGC)納米纖維膜，分別作為雙層敷料的吸液外層和防黏內層，并引入了PHGC抗菌劑，構建出雙層敷料并分析其結構和性能，得出以下主要結論。

1)當PU內層膜紡絲時間為1 h時，所得雙層敷料能夠在3.9 s內將液體由疏水內層向親水外層單向傳輸，而不反向滲透，其吸水率高達1 230%，能夠迅速導出并吸收創(chuàng)面積液，實現單向導濕。

2)雙層敷料的斷裂強度為 6.5 MPa，斷裂伸長率約為45%，透氣率約為6.7 mm/s，透濕率約為 1 350 g/(m2·d)，各項物理力學性能基本滿足臨床對創(chuàng)敷料的要求。

3)合成的PHGC抗菌劑具有較好的穩(wěn)定性，與納米纖維相結合所得雙層敷料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有較好的抗菌性能；體外細胞毒性和生物黏附性實驗表明，該雙層敷料無細胞毒性，具有良好的生物相容性，且疏水性內層對細胞展示出更低的黏附行為。

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