漢麻基纖維素水凝膠復(fù)合功能性傷口敷料制備及性能研究

李曉茹

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島266000)

目前，傷口敷料用于促進(jìn)傷口愈合，提供一個(gè)合適的環(huán)境，保護(hù)受損組織和防止細(xì)菌滲透。 一個(gè)理想的傷口敷料不僅可以覆蓋和保護(hù)受影響的區(qū)域，還可以在傷口周圍營(yíng)造一個(gè)濕潤(rùn)的條件，去除滲出物，防止細(xì)菌感染和生物膜的形成，理想情況下提高愈合促進(jìn)疤痕形成。 現(xiàn)在，傷口敷料的重點(diǎn)從傳統(tǒng)的干燥被動(dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ苄缘拇贊癫牧?，其中包括納米纖維薄膜、水膠體、支架和水凝膠。

天然纖維具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性[1]、吸濕性[2]和生物降解性[3]，這使天然纖維成為低成本和環(huán)境友好型的替代品。 其中漢麻纖維是最環(huán)保的天然纖維之一，也是最古老的纖維。 多孔結(jié)構(gòu)使?jié)h麻纖維吸收大量的水。 與不同的植物材料相比，漢麻纖維不僅具有更高的吸水率，而且在最初的幾分鐘內(nèi)也能吸收大量的水，應(yīng)用廣泛[4]。 漢麻基水刺非織造布有著更好的吸收能力、接觸舒適性、柔軟度、彎曲性能并且毛羽比傳統(tǒng)敷料少得多，因此可以有效地防止敷料與傷口粘連，有利于新型傷口敷料的開發(fā)應(yīng)用[5]。 靜電紡絲納米纖維技術(shù)可以提供改善傷口愈合的解決方案。 靜電紡絲的聚合物纖維[6]具有較大孔隙率，通過靜電紡絲產(chǎn)生的納米纖維能夠向傷口提供氧氣并持續(xù)的釋放藥物。 使用不同性質(zhì)的不同類型的聚合物有助于增強(qiáng)納米纖維對(duì)滲出物的吸收。 納米纖維具有適用于傷口愈合的理想結(jié)構(gòu)。 水凝膠是安全且可生物降解的材料，在其三維(3D)聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中含有大量水，具有多孔性、親和性和生物相容性[7-9]。 水凝膠通過其水分交換活動(dòng)幫助促進(jìn)傷口愈合，從而在傷口和敷料之間形成最佳環(huán)境。 高水分含量提供冷卻，舒緩效果，并減少與換藥相關(guān)的疼痛。 此外，水凝膠的有限粘附意味著它們可以很容易從傷口中移除，而不會(huì)對(duì)愈合組織造成進(jìn)一步的創(chuàng)傷。 水凝膠已被成功地用作制造敷料的基質(zhì)，用于持續(xù)遞送必需生長(zhǎng)因子和愈合劑以促進(jìn)傷口愈合。 因此漢麻基纖維素水凝膠復(fù)合功能性傷口敷料研究具有深遠(yuǎn)的意義。

傳統(tǒng)敷料最初由天然材料制成，例如植物纖維和動(dòng)物脂肪，以簡(jiǎn)單地覆蓋傷口，不利于傷口的愈合[10-11]。 發(fā)展到今天，現(xiàn)代敷料已經(jīng)逐步發(fā)展為不僅可以覆蓋皮膚表面，而且可以促進(jìn)傷口組織愈合及再功能化[12]。 這些敷料目的是在創(chuàng)傷表面創(chuàng)造濕潤(rùn)環(huán)境，促進(jìn)組織修復(fù)，防止傷口脫水和促進(jìn)愈合[13-15]。 并且還應(yīng)具有良好的防菌性、抗菌性以防止周圍細(xì)菌的感染。 這就要求敷料具有一定的柔軟性、液體吸收性、透氣透濕性和適宜的擴(kuò)散性等性能。 因此本文對(duì)復(fù)合功能性傷口敷料的基本物理和化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料如表1 所示

表1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：精密電子天平、磁力攪拌器、靜電紡絲機(jī)、Phenom ProX 臺(tái)式掃描電子顯微鏡(復(fù)納科學(xué)儀器，上海有限公司)、HTS-RRD1000 柔軟度測(cè)試儀(東莞市中野精科儀器有限公司)、YG461E 數(shù)字式透氣量?jī)x、YS02A 型八籃恒溫烘箱、PSM165 孔徑測(cè)試儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 漢麻基水刺非織造布的制備

圖1 漢麻基水刺非織造布

設(shè)計(jì)面密度為50 g/m2，采用不同混合比例的漢麻/粘膠纖維60/40 進(jìn)行梳理成網(wǎng)，水刺加工如圖1。 測(cè)試不同混紡比水刺非織造布的基本物理機(jī)械性能、透濕性能。 選擇混紡比60/40 的漢麻/粘膠水刺非織造布，表面形貌分析、結(jié)構(gòu)分析、孔徑分布分析、保水性能分析。 從而得到敷料所需要的厚度適中，具有較好柔軟性、透氣性、透濕性和保水性等物理性能的漢麻基水刺非織造布[16]。

1.2.2 再生SF 納米纖維膜

根據(jù)已發(fā)表的論文[17-18]對(duì)繭絲進(jìn)行脫膠。 常溫下將氯化鈣(CaCl2)(純度99%)溶解在甲酸(FA)(純度98%)溶液中，用攪拌器機(jī)械攪拌3 h配置濃度為4% (w/v) FA-CaCl2溶液。 然后，將脫膠的繭絲溶解在FA-CaCl2溶液中， 攪拌4 h 得到SF 紡絲液。 用透析袋透析該SF 紡絲液3 天，把處理后的紡絲液倒入培養(yǎng)皿中，室溫下自然干燥成膜。 將SF 膜與FA 再次混合，形成最終的再生SF溶液(其中SF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%(w/v))。 在室溫下使用相同的注射器吸收紡絲液，在不同的條件下進(jìn)行靜電紡絲，并對(duì)制得的再生SF 納米纖維膜用體積分?jǐn)?shù)75 %的酒精溶液進(jìn)行后處理30min，自然晾干如圖2。

圖2 靜電紡絲SF 紡絲溶液的制備

1.2.3 纖維素基水凝膠

將納米纖維素粉末(CEL)分散在去離子水中，制備CEL 溶液(固含量88%)，攪拌5 分鐘，然后將冰箱溫度設(shè)置為-20℃，低溫保存CEL 溶液后，將其轉(zhuǎn)移到室內(nèi)環(huán)境中，進(jìn)行機(jī)械攪拌一段時(shí)間直到獲得半透明的CEL 溶液。 將比例為6wt%氫氧化鈉/4wt%尿素/90wt%去離子水(NaOH/urea/H2O)溶液混合并攪拌5 分鐘。 將羧甲基纖維素粉末(CMC)以CMC /CEL 8 ∶2(w / w)的比例混合在CEL 溶液中，編碼為CCE82。 將混合溶液在室溫下攪拌處理，混合均勻，得到半透明混合物。 將交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷(ECH)加入混合物中，在室溫下攪拌6 小時(shí)。 將其移動(dòng)到室溫環(huán)境中，2h 后得到水凝膠。 在該實(shí)驗(yàn)中，形成纖維素基水凝膠[19]如圖3。

圖3 纖維素基水凝膠的制備流程圖

1.2.4 漢麻基纖維素水凝膠復(fù)合功能性傷口敷料研究構(gòu)思

該傷口敷料設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，分為保護(hù)層、接觸面層、水凝膠涂層。 其中，保護(hù)層為利用水刺加工技術(shù)制備的漢麻基非織造布，設(shè)計(jì)克重為50g/m2；接觸面層是利用靜電紡絲紡制的SF 納米纖維膜，SF 納米纖維均勻鋪在水刺非織造布上，成纖性較好。 然后將超吸水性、自愈性的水凝膠涂在SF納米纖維膜與非織造布復(fù)合功能性傷口敷料基底布上形成最終的功能性傷口敷料，具有保濕性、防菌性、防止液體擴(kuò)散性、吸水性、自我愈合性等的多重功能。

功能性傷口敷料研究構(gòu)思如圖4：(I)將水凝膠涂覆到復(fù)合功能性傷口敷料基底布上； (II)將水凝膠涂覆的復(fù)合功能性傷口敷料施用于患者的皮膚； (III)顯示復(fù)合功能性傷口敷料如何應(yīng)用于皮膚上。

圖4 具有雙重功能的水凝膠功能化織物示意圖

2 性能測(cè)試與表征

2.1 掃描電鏡成像(SEM)再生絲素蛋白納米纖維

2.2 面密度

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)FZ/T60003-1991，采用圓盤取樣機(jī)在非織造布表面不同的10 個(gè)位置上，選取S=0.01m2的樣品。 稱重，利用計(jì)算公式，求出克重，以及平均值和均方差。 厚度：測(cè)量時(shí)要保證樣品平放，避免沖擊，使用相同的壓力，設(shè)置相同的作用時(shí)間。

2.3 剛?cè)嵝?/h3>

測(cè)試樣品的剛?cè)嵝裕媒?jīng)緯方向的柔軟度進(jìn)行表征。 選擇大小為100 mm×100 mm，取平均數(shù)值記錄數(shù)據(jù)。

2.4 透氣率

按照標(biāo)準(zhǔn)：DIN53.887(200Pa，S=20cm2非織造布)；按照要求使用YG461E 數(shù)字式透氣量?jī)x。

2.5 透濕性分析

吸濕性能按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Gt3/T9995.1997 測(cè)試，采用YS02A 型八籃恒溫烘箱測(cè)定纖維的回潮率。

式中： ΔW 為失重，單位g； S 為透濕面積，單位mm2； H 為2 次稱量的時(shí)間間隔，單位h。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀形態(tài)分析

本課題研究制備了漢麻基纖維素水凝膠復(fù)合功能性傷口敷料，該傷口敷料設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)如圖5 所示，分為保護(hù)層、接觸面層、水凝膠涂層。

圖5 具有雙重功能的水凝膠功能化織物結(jié)構(gòu)組成圖

功能性敷料上層(a)利用水刺加工技術(shù)制備的非織造布，沿纖維網(wǎng)運(yùn)動(dòng)方向較為均勻排布。 中層(b)靜電紡絲法制備SF 納米纖維膜，基于CaCl2-FA 溶解體系下制備的絲素溶液具有良好可紡性，納米級(jí)纖維直徑200nm 左右，成纖性好，排布在非織造布上，形成孔徑不同的結(jié)構(gòu)。 將纖維素基水凝膠涂覆于基底布上的功能性敷料的橫截面如圖(c)三層結(jié)構(gòu)。

3.2 面密度和厚度

樣品中的原料含量決定了宏觀構(gòu)造，從而影響敷料的市場(chǎng)價(jià)格。 樣品的面密度、厚度與復(fù)合功能性傷口敷料的許多性能密切相關(guān)，如吸液性能，透氣性和透濕性等，本文對(duì)樣品按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試如表2。

圖6 功能性敷料的組成部分宏觀圖和電鏡圖(a)非織造布(b)SF 納米纖維膜(c)功能性敷料

表2 功能性傷口敷料的組成與面密度、厚度

3.3 剛?cè)嵝?/h3>

利用樣品彎曲剛度來說明其柔軟性。 在彎曲剛度上，與縱向相比，橫向纖維在自身重力作用下，更容易發(fā)生變形如圖7。 分析其原因可能是因?yàn)橛捎诟呷∠蚨鹊睦w維沿著樣品長(zhǎng)度方向，承受更多的彎曲應(yīng)力，非織造布縱向的彎曲剛度總比橫向大。 水能作用下，破壞纖維結(jié)構(gòu)之間的相互作用，不易纏結(jié)。 麻纖維加入量越多，非織造布柔軟性越好。 粘膠纖維加入后，因其良好的卷曲性能，有利于麻纖維和粘膠纖維相互纏結(jié)，使水刺非織造布柔軟度逐漸增強(qiáng)即彎曲剛度增大。 SF 納米纖維膜，由于酒精的處理，構(gòu)象改變，但對(duì)非織造布柔軟性影響不大。

圖7 樣品的柔軟度分析

3.4 液體吸收性和擴(kuò)散性

傷口敷料所吸收的液體量與纖維自身的性能、非織造布的厚度、面密度和組成相關(guān)[20]。 纖維的液體吸收性能隨著親水基團(tuán)的增加而增強(qiáng)。 纖維之間的排布越密集，液體越不利于儲(chǔ)存在非織造布的間隙中。 梳理后的纖網(wǎng)排列比較疏松，有較大的空隙吸收更多的液體，這是因?yàn)檎衬z纖維大分子存在許多親水性基團(tuán)，大量微孔排布在纖維表面，使得隨著粘膠纖維含量的增大，非織造布具有良好的液體吸收性。 SF 纖維大分子存在許多親水性基團(tuán)，增加吸濕性和液體吸收性。 普通敷料應(yīng)用于傷口上，能立即吸收液體且擴(kuò)散，粘連皮膚，造成對(duì)皮膚的二次傷害，使傷口污染，影響恢復(fù)[21]。 SF 納米纖維膜[22-23]能有效阻止液體擴(kuò)散，易于無痛揭除，可以使傷口處于良好的濕潤(rùn)環(huán)境。 納米纖維膜孔徑增加了比表面積和表面能，可以有效地防止異物和細(xì)菌。 在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的保濕性能，加快傷口恢復(fù)。

如圖8(a)復(fù)合功能性傷口敷料基底布樣品液體吸收率可達(dá)1000%。 圖(b)把1 滴紅色液體滴到非織造布樣品1 和復(fù)合功能性傷口敷料基底布樣品2 上，觀察發(fā)現(xiàn)液體以水珠狀態(tài)可較長(zhǎng)時(shí)間呈現(xiàn)在樣品2 表面上，液體迅速擴(kuò)散且被吸收。 實(shí)驗(yàn)中的試樣1 與試樣2 呈現(xiàn)出不同現(xiàn)象，原因是基底布上的SF 納米纖維膜是由直徑較小、表面光滑且均勻的纖維組成。 關(guān)于功能性傷口敷料滲透性的探索， (c) 樣品1、2、3 是三種不同的水刺非織造布宏觀圖，其中樣品3 是本文研究的絲素蛋白纖維納米膜與非織造布復(fù)合功能性敷料基底布。 將水凝膠涂覆在樣品上，發(fā)現(xiàn)樣品1、2 均滲透，樣品3未滲透，既能保證水凝膠作用于皮膚表面，又能起到隔絕細(xì)菌的作用。

圖8 (a)液體吸收性(b)液體擴(kuò)散性(樣品1 液體浸潤(rùn)被吸收，樣品2 液珠狀)(c)關(guān)于功能性傷口敷料滲透性的探索

3.5 透氣性、透濕性

透氣性體現(xiàn)了非織造布里空隙的含量和舒適程度，新型的傷口敷料不但具有較好的液體吸收性、防止液體擴(kuò)散性，能阻隔細(xì)菌和其他異物進(jìn)入損害傷口。 由表3 中數(shù)據(jù)可以看出最小孔徑平均4.646μm，最大孔徑平均15.87μm，平均孔徑大約5.004μm，平 均 孔 隙 率 65.5%， 平 均 透 氣 性11.3 mm.s-1。

采用透濕性大小來表征樣品的透氣性。 如圖9： SF 納米纖維膜的透濕性為438.463±31.56g/m2·h-1，漢麻/粘膠纖維混合非織造布透濕性為196.84±27.14g/m2·h-1，SF 納米纖維膜與非織造布復(fù)合功能性傷口敷料基底布的透濕性284.201±27.39g/m2·h-1。 因?yàn)榉强椩觳祭w維的溶脹性能，纖維吸收水份，體積變大，依賴孔隙擴(kuò)散傳導(dǎo)水份的效果變?nèi)酢?其纖維之間取向度減小，使水汽擴(kuò)散蒸發(fā)，再加上SF 納米纖維膜具有良好的透濕性，所以基底布樣品的透濕性能比水刺非織造布增強(qiáng)。

表3 復(fù)合功能性傷口敷料基底布的孔徑、孔隙率及透氣性數(shù)據(jù)表

圖9 樣品的透濕性

4 結(jié)論

現(xiàn)代敷料已經(jīng)逐步發(fā)展為不僅可以覆蓋皮膚表面，而且可以促進(jìn)傷口組織愈合及再功能化。 本課題研究制備了漢麻基纖維素水凝膠復(fù)合功能性傷口敷料，該傷口敷料設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，分為保護(hù)層、接觸面層、水凝膠涂層。 保護(hù)層為漢麻基水刺非織造布，接觸面層是利用靜電紡絲紡制的SF 納米纖維膜。 然后將超吸水性、自愈性的水凝膠涂在SF 納米纖維膜與非織造布復(fù)合功能性傷口敷料基底布上形成最終的功能性傷口敷料。 功能性傷口敷料的克重51.62g/m2，厚度1.181mm，透濕性284.201±27.39g/m2·h-1，在彎曲剛度上，與縱向相比，橫向纖維在自身重力作用下，更容易發(fā)生變形，具有良好的柔軟性。 復(fù)合功能性傷口敷料基底布樣品液體吸收率可達(dá)1000%，有效防止液體擴(kuò)散。 關(guān)于功能性傷口敷料滲透性的探索，水凝膠涂覆，發(fā)現(xiàn)樣品未滲透，既能保證水凝膠作用于皮膚表面，又能起到隔絕細(xì)菌的作用。 最小孔徑平均4.646μm，最大孔徑平均15.87μm，平均孔徑大約5.004μm，平 均 孔 隙 率 65.5%， 平 均 透 氣 性11.3 mm.s-1，透氣性良好。 SF 納米纖維膜與非織造布復(fù)合功能性傷口敷料基底布的透濕性284.201±27.39g/m2·h-1透濕性良好。