高吸液性醫(yī)用紗布制備工藝的優(yōu)化

錢璐敏，張 斌,b，張亞軍

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院； b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

皮膚的總表面積達(dá)1.5～2.0 m2，是人體最大的器官[1]，因其直接與外界環(huán)境接觸而易受傷。 受傷的皮膚在清創(chuàng)后，常用紗布覆蓋包扎，以保護(hù)傷口，促進(jìn)愈合。 在傷口愈合的初期，會(huì)產(chǎn)生大量滲出液，紗布需具備良好的吸液性能[2]。 然而，目前使用的傳統(tǒng)紗布因其吸液性能有限[3]，在使用過程中需要頻繁更換，以保證傷口的干燥。 這不僅增加了紗布用量和醫(yī)療費(fèi)用，而且也增加了醫(yī)務(wù)人員的工作量。

為提高紗布的吸液性能，對(duì)其進(jìn)行羧甲基化改性是行之有效的方法之一[4]。 目前，對(duì)醫(yī)用紗布羧甲基化改性的研究主要集中在制備工藝方面，探討一些因素對(duì)紗布吸液性能的影響[5-10]，而涉及工藝優(yōu)化的較少。 張楠楠[11]和閆永海[4]先后采用正交試驗(yàn)法對(duì)羧甲基化棉紗布的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，但該方法獲得的最優(yōu)工藝只能從試驗(yàn)水平中選擇。 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)是正交回歸組合設(shè)計(jì)的一種，其不僅保留了正交試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，即試驗(yàn)次數(shù)比較少、部分消除了回歸系數(shù)間的相關(guān)性，而且具有旋轉(zhuǎn)性，克服了回歸正交設(shè)計(jì)中二次回歸預(yù)測(cè)值的方差依賴于試驗(yàn)點(diǎn)在因子空間中位置的缺點(diǎn)[12]。

二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)法優(yōu)化工藝已在較多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但尚未發(fā)現(xiàn)該方法應(yīng)用于高吸液性醫(yī)用紗布制備工藝的優(yōu)化研究中。 因此，本文將二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化法應(yīng)用于制備高吸液性醫(yī)用紗布，研究紗布羧甲基化改性中一些重要工藝參數(shù)對(duì)紗布吸液性能的影響，以獲得較優(yōu)的制備工藝。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要材料與試劑

材料: 醫(yī)用脫脂棉紗布(平紋，27.8 tex×27.8 tex，110根/10cm×102根/10cm，曹縣康源醫(yī)用衛(wèi)生材料有限責(zé)任公司)。

試劑: 氫氧化鈉(平湖化工試劑廠)、氯乙酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、乙酸(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)、無水乙醇(常熟市楊園化工有限公司)、氯化鈣(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)，氯化鈉(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)。 以上試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

TP-114型電子天平(丹佛儀器北京有限公司)，DK-S28型電熱恒溫水浴鍋(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，DHG-9420A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，YG026H-II型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)。

1.3 醫(yī)用紗布的羧甲基化改性處理

本文采用水媒法進(jìn)行羧甲基化改性，制備高吸液性醫(yī)用棉紗布[11]。 制備流程: 紗布?jí)A化醚化中和、洗滌、烘干高吸液性紗布。 具體試驗(yàn)操作: 裁剪一定大小的紗布，將其放入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液中，在30 ℃下浸漬20 min； 配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯乙酸溶液后，將溶液pH值調(diào)至醚化所需值，放入紗布，在一定溫度下醚化處理5 h后用乙酸調(diào)節(jié)pH值至中性；再用乙醇/蒸餾水(體積比為80/20)洗滌紗布數(shù)次，烘干后即得產(chǎn)物。

1.4 醫(yī)用紗布吸液性能的測(cè)試

本文參照國(guó)際上常用的測(cè)試創(chuàng)面用敷料吸濕性的方法[13]，采用吸濕稱重法測(cè)試紗布的吸液性能。 裁制5 cm×5 cm紗布，準(zhǔn)確稱量其干質(zhì)量為m0，將其放入142 mmol/L NaCl和2.5 mmol/L CaCl2·2H2O的混合溶液(1 L)中，吸液30 min， 取出紗布，懸掛30 s后，稱取紗布的濕質(zhì)量為m1。 單位質(zhì)量紗布的吸液量(Q)計(jì)算如式(1)所示。

(1)

1.5 醫(yī)用紗布力學(xué)性能的測(cè)試

采用電子織物強(qiáng)力機(jī)，將在20 ℃、相對(duì)濕度為65%的恒溫恒濕條件下平衡回潮48 h后的試樣進(jìn)行經(jīng)緯向拉伸斷裂性能測(cè)試[14]。 試樣寬度為50 mm，夾持距離為100 mm，預(yù)加張力為0.2 cN，拉伸速度為100 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 回歸方程的建立

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和醚化溫度對(duì)紗布吸液性能的影響較大，因此在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定每個(gè)因素的水平進(jìn)行二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)的因素、水平及編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)的因素、水平及編碼Table 1 The experimental factors, levels and coding

根據(jù)二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的參數(shù)表[15]，當(dāng)試驗(yàn)因素為3時(shí)，零水平、析因和星號(hào)臂上試驗(yàn)次數(shù)分別為6、8和6，因此試驗(yàn)總次數(shù)為20次，試驗(yàn)的具體方案和結(jié)果如表2所示。

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果

(續(xù) 表)

根據(jù)表2結(jié)果，利用最小二乘法計(jì)算各項(xiàng)回歸系數(shù)，然后將其代入方程，所得紗布吸液量(Y1)與3個(gè)因素(X1、X2和X3)間的回歸方程如式(2)所示。

Y1=5.81+1.04X1-0.001 565X2+0.32X3+
0.07X1X2-0.5X1X3- 0.11X2X3- 0.75X12-
0.74X22-0.23X32

(2)

2.2 回歸方程的方差分析和顯著性檢驗(yàn)

對(duì)回歸方程式(2)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of regression equation

由表3可知，回歸方程的失擬檢驗(yàn)F1=4.91 0.05，差異不顯著，說明未控制因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很小，擬合不足可排除。模型F2= 195.95 >F0.01(9, 10) = 4.94，且P< 0.01，達(dá)到極顯著水平，說明方程的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值擬合良好。 在顯著水平α=0.05的條件下剔除方程式(2)的不顯著項(xiàng)X2和X1X2后，得到優(yōu)化后的回歸方程如式(3)所示。

Y1=5.81+1.04X1+0.32X3-0.5X1X3-
0.11X2X3-0.75X12-0.74X22- 0.23X32

(3)

2.3 因素的影響順序分析

由于回歸方程是經(jīng)無量綱線性編碼代換后所得，因此，可以直接通過比較各項(xiàng)回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小來判斷各因子的重要性。 由式(2)可知，各因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)紗布吸液性能的影響順序?yàn)? 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X1)> 醚化溫度(X3)> 氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X2)。

2.4 因素間的交互作用分析

因素間的交互作用分析是將其中1個(gè)因素在零水平固定，然后將余下2個(gè)因素進(jìn)行交互作用分析。 由表3可知，僅X1X3和X2X3存在因素間的交互作用，且達(dá)到顯著水平α=0.05，因此對(duì)此兩組因素進(jìn)行交互作用分析，結(jié)果如圖1和2所示。

圖1 醚化溫度與氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的交互作用Fig.1 Interaction of etherification temperature and mass fraction of sodium hydroxide

圖2 醚化溫度與氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的交互作用Fig.2 Interaction of etherification temperature and mass fraction of chloroacetic acid

由圖1可知，當(dāng)醚化溫度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均處于較低水平時(shí)，紗布的吸液量也最低。 當(dāng)醚化溫度處于零水平以下，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紗布吸液量的影響比較明顯，且隨著氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，紗布的吸液量呈增加趨勢(shì)。 因?yàn)楫?dāng)氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，溶液中鈉離子較少，紗布中的纖維素與鈉離子結(jié)合生成的堿纖維素也較少，從而降低了紗布中纖維素的反應(yīng)活性，同時(shí)較低的醚化溫度也不利于醚化反應(yīng)的進(jìn)行，因此紗布的吸液量較低；當(dāng)氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大以后，紗布中部分因被堿化而生成的堿纖維素含量增加，使得這部分堿化的纖維素反應(yīng)活性增加，即使在較低的醚化溫度下，這些被堿化的纖維素也能發(fā)生醚化反應(yīng)，將羧甲基引入被堿化的纖維素大分子鏈中，提高了紗布的吸液量。

由圖2可知，紗布的吸液量隨著醚化溫度和氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈先增加后減小的趨勢(shì)，且在醚化溫度的任意水平，醚化溫度和氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)成拋物線關(guān)系。 這可能是因?yàn)檫m當(dāng)增加氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和醚化溫度，會(huì)使紗布中因被堿化而生成的堿纖維素有更多的機(jī)會(huì)接觸氯乙酸，并與之反應(yīng)生成羧甲基纖維素，從而有利于紗布吸液量的提高；但若氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加過多，則會(huì)使反應(yīng)體系的堿性下降，抑制醚化反應(yīng)的進(jìn)行，從而降低紗布的吸液量。

2.5 工藝參數(shù)的尋優(yōu)與驗(yàn)證

2.5.1 工藝參數(shù)的尋優(yōu)

利用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析[16]，以紗布吸液量作為優(yōu)化指標(biāo)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)得到的一組較優(yōu)的工藝如表4所示。

表4 優(yōu)化工藝參數(shù)及性能預(yù)測(cè)值

由表4解碼可得，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5%，氯乙酸分?jǐn)?shù)為20.08%，醚化溫度為58.9 ℃，此時(shí)紗布吸液量最大為6.17 g/g。 為方便實(shí)際操作，簡(jiǎn)化工藝: 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5%，氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，醚化溫度為59 ℃。

2.5.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用上述優(yōu)化工藝條件所制備的紗布吸液量為6.19 g/g，與預(yù)測(cè)值6.17 g/g較接近，表明建立的回歸模型準(zhǔn)確合理。 改性前紗布的經(jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力分別為127和109 N，改性后紗布的經(jīng)、緯向的斷裂強(qiáng)力分別提升至168和160 N。 脫脂棉紗布標(biāo)準(zhǔn)[13]中要求紗線線密度為27.8 tex×27.8 tex、經(jīng)緯密為110根/10 cm×102根/10 cm的紗布經(jīng)向強(qiáng)力需達(dá)到85 N，緯向強(qiáng)力需達(dá)到60 N，由此可知改性后的紗布強(qiáng)力符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié) 論

(1) 通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)法探究得到各因素對(duì)紗布吸液量的影響順序?yàn)? 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù) > 醚化溫度 > 氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且醚化溫度和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)間存在交互作用。

(2) 通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化得到制備高吸液性醫(yī)用紗布較優(yōu)工藝: 氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5%，氯乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，醚化溫度為59 ℃。 在此條件下，紗布的吸液量可以達(dá)到6.19 g/g，且其經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂強(qiáng)力分別為168和160 N，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。