吳倩倩， 李 珂， 楊立雙， 付譯鋆， 張 瑜， 張海峰，2

(1. 南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019； 2. 南通大學(xué) 安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 江蘇 南通 226019)

隨著世界人口老齡化問題的日趨嚴(yán)重，褥瘡、潰瘍等老年人易患的慢性疾病俞來俞多。這些疾病存在恢復(fù)期長(zhǎng)、易形成瘢痕等問題，因此對(duì)傷口敷料性能方面有更高的要求。傳統(tǒng)醫(yī)用敷料如紗布、棉巾等存在傷口保濕性差、更換時(shí)牽扯傷口、難以實(shí)現(xiàn)有效促進(jìn)傷口愈合、掉落棉絮不衛(wèi)生等問題[1]。因此，研究開發(fā)高性能傷口敷料具有重要的社會(huì)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

目前，已研發(fā)出多種新型醫(yī)用敷料，如液體類敷料、薄膜類敷料、水凝膠敷料、水膠體敷料、泡沫類敷料和藻酸鹽類敷料等等，這些敷料通過不同機(jī)制發(fā)揮作用，包括促進(jìn)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)菌等[2-4]。其中，通過靜電紡絲法制備出的納米纖維因其具有比表面積高、長(zhǎng)徑比大、組成成分可控和延展性好等特點(diǎn)，在載藥及藥物緩釋方面有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用敷料領(lǐng)域[5]。已有研究表明，電刺激可以加速生長(zhǎng)因子的分泌和細(xì)胞的增殖分化等功能，但將其應(yīng)用到醫(yī)用敷料領(lǐng)域的研發(fā)尚少。

聚偏氟乙烯(PVDF)具備耐磨性好、耐化學(xué)試劑侵蝕和電學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，是一種多晶型聚合物，通常主要包括α，β，γ 3種晶型。其中，壓電效應(yīng)最強(qiáng)的為β晶型的，所以具有β晶型的PVDF表現(xiàn)較強(qiáng)的壓電性[8]。PVDF是目前已發(fā)現(xiàn)壓電性最強(qiáng)的聚合物，施力后可以產(chǎn)生良好的電信號(hào)。人體表皮存在電場(chǎng)，傷口附近輕微的電刺激可以促進(jìn)細(xì)胞增殖分化[9]。鹽酸恩諾沙星(Enro)是第3代喹諾酮類抗菌藥物[10]，具有廣譜抗菌活性和強(qiáng)滲透性，對(duì)多種革蘭氏陰性桿菌和球菌如大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等有良好的抗菌效果。

本文采用靜電紡絲技術(shù)，以PVDF為原料并負(fù)載Enro，通過高壓電場(chǎng)對(duì)聚合物流體產(chǎn)生拉伸作用，制備出具有β晶型的抗菌復(fù)合納米纖維膜[11]。由于其具備優(yōu)異的壓電性能，可在輕微施力后產(chǎn)生一定的電信號(hào)，刺激細(xì)胞再生，與Enro抗菌性能協(xié)同作用，對(duì)傷口愈合起促進(jìn)作用，在傷口敷料研究領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

聚偏氟乙烯(PVDF)(相對(duì)分子質(zhì)量為110萬(wàn)，法國(guó)阿科瑪)、鹽酸恩諾沙星(Enro)(純度≥98%，河北久鵬制藥有限公司)、丙酮(分析純，純度≥99.5%，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(分析純，純度≥99.5%，西隴化工股份有限公司)。

DF-101S型恒溫加熱磁力攪拌器(邦西儀器科技(上海)有限公司)、TL-Pro-10 W型高壓靜電紡絲機(jī)(四川致研科技有限公司)、GZX-GF-101AB-2型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海華聯(lián)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、KYKY2800型掃描電子顯微鏡(北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限公司)、Nicoiet IS 1型傅里葉紅外光譜儀(上海精密儀器儀表有限公司)、Ultima IV 型X射線衍射儀(Rigaka)、Tektronix示波器(泰克科技(中國(guó))有限公司)、THZ-822型恒溫振蕩器(金壇市榮華儀器制造有限公司)、TU-1901型紫外分光光度計(jì)(上海元析儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紡絲液配備

將不同質(zhì)量的PVDF和Enro粉末溶于DMF和丙酮(質(zhì)量比為6∶4)的混合溶劑中，放入恒溫磁力攪拌器中65 ℃下攪拌至完全溶解，得到不同Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10%、 15%和20%)混合紡絲液。

1.2.2 納米纖維膜的制備

將混合紡絲液注入計(jì)量泵在靜電紡絲機(jī)上進(jìn)行紡絲。設(shè)置紡絲參數(shù)為：接收距離20 cm、紡絲速率0.015 mL/min、紡絲電壓15 kV，在靜電紡絲機(jī)上以標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件(溫度為(20±1)℃，相對(duì)濕度為(65±2)%進(jìn)行紡絲，探索得到最佳Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)，紡絲過程結(jié)束后于60 ℃條件下烘干。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 微觀形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)纖維膜的微觀形貌進(jìn)行觀察分析，并隨機(jī)選取50根纖維，進(jìn)行直徑測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 纖維膜化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用傅里葉紅外光譜儀對(duì)纖維膜進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍為4 200～300 cm-1。

采用X射線衍射儀分析纖維膜晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)試電壓為40 kV，測(cè)試電流為40 mA，掃描速度為5(°)/s，掃描角度為5°～60°。

1.3.3 壓電性能

對(duì)復(fù)合納米纖維膜(厚度為(35.7±4.7) μm)進(jìn)行裁剪后(2 cm×2 cm)引出電極，用絕緣膠帶將封裝好的試樣固定在應(yīng)變顯示器上，測(cè)試壓電性能。設(shè)置壓力為14 N，按電壓示波器讀取數(shù)據(jù)。

1.3.4 體外釋藥表征

將復(fù)合纖維膜(0.03 g)浸入PBS緩沖液(8 mL)，置于恒溫振蕩器中，設(shè)置溫度為37.5 ℃，分別于1、2、4、6、24、48、72、96、120、144、168 h時(shí)取出釋放液1 mL，同時(shí)補(bǔ)入同體積溫度緩沖液。采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定釋放介質(zhì)在271 nm下的吸光度，計(jì)算藥物累計(jì)釋放量。該試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣品。

1.3.5 抗菌性能

選取金黃色葡萄球菌為菌種，將滅菌后的復(fù)合纖維膜剪成條狀，浸于25 mL肉湯與2.5 mL菌液混合液中，在恒溫振蕩器中震蕩24 h，分別于0、1、6、12、24 h時(shí)取出并用紫外分光光度計(jì)測(cè)定液體在540 nm下的吸光度，計(jì)算菌群密度，研究分析復(fù)合纖維膜抗菌性能。該試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

2.1.1 PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維形貌的影響

圖1為純PVDF納米纖維膜的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，纖維粘連呈串珠狀，這是由于紡絲液濃度和黏度太低，大分子鏈纏結(jié)不緊密，射流無法得到充分拉伸形成串珠[12]。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，黏度和表面張力隨之變大，紡絲液形成穩(wěn)定射流，串珠消失，觀察到清晰的纖維形貌且纖維粗細(xì)均勻，平均直徑為(753±128) nm。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大到10%，紡絲液黏度過大，射流到達(dá)接收裝置時(shí)溶劑未能完全揮發(fā)，造成纖維間粘連，形貌變差，因此，將PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為8%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合纖維形貌的影響

圖2為不同濃度PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡照片。從圖中可看出，復(fù)合納米纖維膜的平均直徑分別為(751±122)、(987±86)、(741±165) nm。在紡絲速率一定的條件下加入Enro混紡后，隨著Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合納米纖維膜的直徑呈先增大后減小趨勢(shì)。這是由于Enro的加入使紡絲液黏度和表面張力增大，射流的分裂作用和拉伸作用減弱，纖維直徑變大，分布范圍變寬[13]。當(dāng)Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，由于Enro的加入使紡絲液濃度和黏度繼續(xù)增大到一定程度后，單位時(shí)間內(nèi)噴射的射流所帶電荷增加使紡絲液導(dǎo)電率增大，射流在電場(chǎng)中得到充分牽伸[14]，形成較細(xì)纖維。

2.2 纖維膜化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖3示出PVDF粉末、Enro粉末、純PVDF納米纖維膜以及PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜的紅外光譜圖。

由圖3可看出：PVDF粉末在1 183、1 073、878、765 cm-1處表現(xiàn)出明顯的特征吸收峰，對(duì)應(yīng)α晶型[15]；純PVDF納米纖維膜在841 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)—CH拉伸，1 400～1 000 cm-1處特征峰對(duì)應(yīng)—CH和—CF拉伸振動(dòng)[16]，是β晶型特征峰。靜電紡絲后，α晶型特征峰消失而出現(xiàn)β晶型特征峰，表明靜電紡絲極化作用使PVDF中α晶型轉(zhuǎn)化為β晶型。在純PVDF納米纖維膜光譜中觀察到的主峰也存在于PVDF/Enro復(fù)合纖維膜光譜中，表明PVDF在靜電紡絲過程中結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。Enro粉末的光譜圖在1 160 cm-1處出現(xiàn)—COOH特征峰[17]。復(fù)合纖維膜中Enro特征峰略有偏移但仍存在。結(jié)果證明Enro以原有形式存在于復(fù)合納米纖維膜中，且未改變復(fù)合纖維膜晶型。

圖4為PVDF粉末、純PVDF納米纖維膜和PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜的XRD圖。可以看出，PVDF粉末的X射線衍射圖在2θ為18.4°、19.9°、26.7°處呈現(xiàn)3個(gè)明顯的凸起峰，分別對(duì)應(yīng)α晶型的(020)、(110)、(021)晶面[15-16]。而在靜電紡PVDF納米纖維膜X射線衍射圖的2θ為20.4°處觀察到一個(gè)明顯的β相結(jié)晶峰，該峰對(duì)應(yīng)β晶型的(110)晶面[17-19]，同時(shí)，出現(xiàn)在PVDF粉末中的α相結(jié)晶峰呈大幅度減弱狀。測(cè)試結(jié)果表明，PVDF粉末中多以α晶型為主，而靜電紡PVDF纖維膜則以β晶型為主。分析原因，是由于靜電紡絲過程對(duì)PVDF溶液射流產(chǎn)生機(jī)械拉伸且高壓電場(chǎng)會(huì)帶來極化作用，同時(shí)溶劑的快速揮發(fā)使溶質(zhì)凝結(jié)，對(duì)PVDF由α晶型向β晶型的轉(zhuǎn)化起到促進(jìn)作用。且圖中顯示，加入Enro后，復(fù)合纖維膜的β相結(jié)晶峰明顯增強(qiáng)，表明Enro的存在不僅不會(huì)改變復(fù)合纖維膜晶型，還會(huì)有助于β晶型的形成，與前文FT-IR分析結(jié)果一致。

2.3 壓電性能分析

圖5示出純PVDF納米纖維膜和PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜的壓電性能測(cè)試結(jié)果。

由圖5(a)可知，靜電紡絲后，PVDF納米纖維膜在壓力作用下產(chǎn)生電壓，輸出值為6 mV，具備壓電性能。這是因?yàn)殪o電紡絲極化作用使PVDF的晶型由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，而具備β晶型的納米纖維膜壓電效果良好，證實(shí)了PVDF中β晶型的存在，與前文晶型分析結(jié)果一致，且PVDF確實(shí)具備壓電效應(yīng)。隨著Enro含量增加，圖5(b)～(d)中顯示復(fù)合纖維膜的輸出電壓逐漸增大，當(dāng)Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，輸出電壓達(dá)到9 mV。結(jié)果表明抗菌藥物的加入有助于β晶型形成，使得復(fù)合納米纖維膜輸出電壓升高，壓電性能增強(qiáng)。有研究表明，壓電效應(yīng)可刺激細(xì)胞再生，使細(xì)胞增殖分化，從而達(dá)到促進(jìn)傷口愈合的目的[20]，可以與抗菌藥物的抗菌能力協(xié)同發(fā)揮更大的醫(yī)用價(jià)值，使傷口敷料具備更加強(qiáng)大的功效。

2.4 藥物模擬體外釋藥分析

圖6示出Enro標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，可以得到Enro的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=0.107 88x，即標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率為0.107 88。

圖7示出PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜體外模擬累計(jì)釋放曲線?？梢钥闯?，在開始的2 h內(nèi)，Enro的累計(jì)釋放率有明顯增加，但數(shù)值較低，分別為7.1%(Enro-10%)、7.9%(Enro-15%)和8.3%(Enro-20%)。該結(jié)果表明藥物在初期釋放速度較低，可避免產(chǎn)生藥物突釋的現(xiàn)象[21]。72 h以后隨時(shí)間延長(zhǎng)，藥物仍在釋放但速度減慢，此時(shí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)釋放曲線逐漸平坦，逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，累計(jì)釋放率分別為81.1%(Enro-10%)、85.6%(Enro-15%)和87.9%(Enro-20%)，因此，載藥PVDF復(fù)合納米纖維膜藥物釋放速度平穩(wěn)且持續(xù)釋放時(shí)間長(zhǎng)。

2.5 抗菌性能分析

圖8示出不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)載藥前后PVDF納米纖維膜的菌群密度。本文選用純PVDF纖維膜作為空白試樣，Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的復(fù)合納米纖維膜作為對(duì)照試樣。

圖8顯示，空白試樣上菌群密度隨著時(shí)間的推移逐漸增加，且增幅較大，說明細(xì)菌在空白試樣上24 h內(nèi)迅速繁殖。而對(duì)照試樣上菌群密度雖有所增加，但增幅較小且明顯小于空白試樣，因此可證實(shí)，PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜具有一定抗菌性能。

3 結(jié) 論

通過靜電紡絲制備了PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜，并對(duì)其微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶型、壓電性能和抗菌性能進(jìn)行研究分析，得到以下結(jié)論。

1)PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，纖維分布清晰，成形良好，平均直徑為(753±128) nm。PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜的直徑隨Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增大后減小趨勢(shì)。

2)紅外和X射線衍射結(jié)果顯示：靜電紡絲產(chǎn)生極化作用，促使PVDF中α晶型轉(zhuǎn)變成β晶型，且Enro的加入對(duì)纖維膜晶型未造成改變；壓電測(cè)試結(jié)果表明，純PVDF纖維膜輸出電壓為6 mV，Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，壓電效應(yīng)越強(qiáng)，Enro質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，復(fù)合納米纖維膜輸出電壓為9 mV；藥物緩釋和抗菌測(cè)試結(jié)果顯示，PVDF/Enro復(fù)合納米纖維膜釋藥速度平穩(wěn)，持續(xù)釋放時(shí)間長(zhǎng)且具備一定的抗菌性能。