聚N-異丙基丙烯酰胺/殼聚糖溫敏性敷料
——自剝離傷口敷料的制備及性能研究

李　澄，李　硯

(四川大學a.高分子科學與工程學院；b.分析測試中心，四川 成都 610064)

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聚N-異丙基丙烯酰胺/殼聚糖溫敏性敷料
——自剝離傷口敷料的制備及性能研究

李澄a，李硯b

(四川大學a.高分子科學與工程學院；b.分析測試中心，四川 成都 610064)

摘要：通過自由基聚合法以單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和殼聚糖(CS)為原料反應制得聚N-異丙基丙烯酰胺/殼聚糖(PNIPAAm/CS)多孔溫敏復合膜。用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅立葉紅外光譜(FTIR)、差熱分析(DSC)和溶脹率等研究手段對復合膜的理化性能進行表征。研究結果表明：復合膜仍保持其良好的溫度敏感性；膜結構隨CS含量增加而變得規則，孔徑變小，機械性能增強，同時相轉變溫度略有下降；復合膜內兩相間分布比較均勻，未出現相分離；PNIPAAm與CS兩相間存在一定的鍵合作用，主要是CS的羥基和氨基與PNIPAAm中的酰胺基之間形成了氫鍵結合，這些作用對復合膜的力學性能有一定增強作用。研究還發現，PNIPAAm含量對膜的吸水率和力學性能亦有一定影響。

關鍵詞：溫敏性；聚N-異丙基丙烯酰胺；殼聚糖；復合膜

每年因燒傷、凍傷、病變或機械損傷等引起的皮膚損傷患者人數巨大，若皮膚傷口裸露于外界環境中會有干燥、感染細菌、損失水分甚至是更嚴重的后果[1]，因此采用皮膚傷口敷料對創面進行暫時性的生理覆蓋，可起到避免機械損傷、防止細菌人侵、控制水分蒸發的作用，并可減輕疼痛、吸濕以及減少創面收縮和疤痕增生[2-3]。目前，臨床常用的皮膚傷口敷料主要是合成高分子材料，如硅橡膠、聚氨酯、聚乙烯醇等，但這類材料在應用中存在一明顯不足，即新生組織會長入薄膜的微孔中并與之發生粘連，創面愈合后導致其從新生組織表面分離非常困難，往往造成二次損傷，從而延長傷口愈合時間[4-6]。眾所周知，暴露于空氣中的正常皮膚表面溫度基本維持在31℃左右，而在皮膚創口處由于炎癥及異物反應，其表面溫度往往在38℃以上。因此，若能找到一種能夠通過感知創傷皮膚與正常皮膚之間的溫度差異，從而在皮膚創面愈合后可自動剝離的皮膚傷口敷料，將具有極其廣闊的應用前景，并將為廣大患者帶來福音。

由于N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)的低臨界溶解溫度(LCST)(32℃)接近人體生理溫度(37℃)，從而成為最值得研究和開發的水凝膠。化學交聯的PNIPAAm水凝膠大分子側鏈上同時具有親水性的酰胺基(-CONH)和疏水性的異丙基[-CH(CH3)2]，因而是一種典型的溫敏水凝膠。PNIPAAm水凝膠通過共價鍵、氫鍵或范德華力等作用相互交聯構成三維網狀結構，其網絡中可容納本身重量的數倍至數百倍的水，是一種集吸水、保水、緩釋于一體的高分子材料。該水凝膠在LCST附近存在可逆的不連續體積相轉變，當溫度高于32℃時，表現出強烈的疏水性，體積急劇收縮；當溫度低于32℃時，表現出明顯的親水性，凝膠重新溶脹。PNIPAAm水凝膠敏銳的溫度敏感性使其在化學閥、生物分離、活性酶包埋等方面有著廣闊的應用前景[7-10]。

本研究中將選用PNIPAAm水凝膠作為制備傷口敷料的一種原材料，利用其對正常和受傷皮膚溫度差異的感知而發生體積相轉變，從而在傷口愈合后自動剝離。但因PNIPAAm機械性能很差，在吸水后甚至不能承受自身重量，從而使其應用受到了限制。對此，常將其與其他材料復合，在保留其溫敏特性的同時改善其力學強度。殼聚糖(Chitosna，CS，(1-4)-2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖)是甲殼素的部分或全部N-脫乙酰基產物，分子鏈上分布著大量羥基、氨基及酰氨基團，可形成很多分子內和分子間氫鍵[11-12]，從而賦予CS良好的機械性能、生物活性和成膜性，加之CS良好的抗菌性能，使之在生物醫學領域有廣泛的應用，如用作骨水泥、骨引導再生膜、組織皮膚等[13-15]。因此，本文將NIPAAm與CS復合，優勢互補，取長補短，希望制備一種具有一定力學強度和溫敏特性的自剝離復合皮膚敷料，并對膜的結構和性能進行分析評價，以探討其作為自剝離皮膚敷料的可行性。

1材料與方法

1.1試劑

N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm，上海物竟化工科技有限公司)，甲苯重結晶(AR)；NN′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA，成都科龍化工試劑廠)，甲醇重結晶(AR)；過硫酸鉀(APS，成都科龍化工試劑廠)； 亞硫酸氫鈉(SBS天津市塘沽鵬達化工廠)；脫乙酰度95 %的殼聚糖(醫用級，濟南海得貝化學試劑公司)。

1.2膜的制備

于1 000 mL 單口瓶中依次加入16 g(140.89 mmol) NIPAAm 、0.8 g (5.88 mmol) MBA、0.22 g( 2.14 mmol) SBS和400 mL去離子水, 攪拌至完全溶解, 5℃下通入氮氣25 min,然后加入0.58 g (2.14 mmol) KPS 并立即密封單口瓶，5℃下130 r·min-1攪拌反應24 h，即得PNIPAAm 溶液。 取出1/4溶液置于表面皿，在室溫下靜置4 h得PNIPAAm 水凝膠，用去離子水充分浸泡，凍干，儲存備用。剩余PNIPAAm溶液平均分三份，分別加入含有1.71, 2.67 ，4.00 g CS 的醋酸溶液，在 5℃下以130 r·min-1繼續攪拌，反應4 h后分別于表面皿中凍干，用0.1 mol·L-1氫氧化鉀溶液脫模即得PNIPAAm/CS 復合膜，用去離子水充分浸泡，凍干儲存備用。

1.3測試

采用Nicolet Perkin Elmer Co傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析膜的組分變化；用日本 JEM-100CX型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)觀察其表面形貌；用美國 METTLER TOLEDO的差熱分析儀(DSC)測試復合膜的LCST；通過觀察復合膜在LCST前后表面形貌的變化，分析復合膜的溫度響應性，并測試復合膜在水中的溶脹率。溶脹率按下式計算：

溶脹率 (%) = [(Wt-Wd)/Wd] ×100%，

式中，Wt為復合膜在時間t時質量,Wd為干燥復合膜質量。

2結果與討論

2.1復合膜的紅外光譜分析

CS、PNIPAAm和復合膜的紅外光譜圖如圖1。圖1a中，3 435.94 cm-1處的寬峰為-OH伸縮振動吸收峰與-NH伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收峰；2 923.18 cm-1和2 849.47 cm-1處為C-H的兩個伸縮振動吸收峰；1 627.85 cm-1處為伯胺-NH2的對稱彎曲振動吸收峰；而在1 080 cm-1處的吸收峰則是殼聚糖的-CH2-OH中C-O的伸縮振動吸收峰[16]。圖1b中，3 437.66 cm-1處寬峰是仲酰胺-NH-的伸縮振動峰,而PNIPAAm典型的酰胺羰基的C=O伸縮振動峰(酰胺I峰)和仲酰胺N-H彎曲和C-N伸縮聯合振動峰(酰胺II峰)的雙吸收峰分別出現在1 648.51 cm-1和1 545.27 cm-1；2 974 cm-1、2 934.62 cm-1和2876.66 cm-1處為甲基、亞甲基及次甲基的C-H伸縮振動峰。1 460.60 cm-1處為甲基及亞甲基C-H不對稱彎曲振動峰，1 391.32 cm-1處為甲基及亞甲基的C-H對稱彎曲振動峰；1 173.18 cm-1處為-CH(CH3)2中C-C骨架的伸縮振動峰。

圖1　CS(a)、PNIPAAm(b)和復合膜70/30(c)、

圖1c-e是PNIPAAm/CS復合膜的紅外光譜。CS的-OH伸縮振動吸收峰與-NH-伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收寬峰和PNIPAAm的仲酰胺-NH-的伸縮振動寬峰在3433 cm-1左右重疊變寬，此外，復合膜中3433 cm-1左右重疊寬峰隨著CS含量增加而略向低波數方向移動，且峰寬進一步變大，這可能是二者之間氫鍵作用及氫鍵數目隨CS含量上升而增加引起的。從圖1c-e可以看出，PNIPAAm的主要功能基團即親水的酰胺基-CONH-和疏水的異丙基-CH(CH3)2在復合膜中均有出現，這兩種基團在復合膜的溶脹-退脹過程中起著關鍵的作用。紅外分析結果表明，在聚合、復合過程中PNIPAAm的酰胺基沒有發生水解，復合膜保留了PNIPAAm的主要功能基團。CS的主要特征峰亦在復合膜的紅外譜圖中出現，說明兩組分在復合前后性能均無顯著變化。

2.2復合膜的掃描電鏡圖片分析

CS、PNIPAAm和復合膜在 50和2000倍數下的SEM圖片如圖2，其中右上角插入的小圖為低倍下的SEM圖片。從圖2a中可以看出，CS膜表面相對平整光滑，無孔隙出現。而PNIPAAm表面卻呈現疏松、類似管狀無規則結構的三維多孔形貌(如圖2b)，這是PNIPAAm水凝膠在干燥過程中失去其所含的大量水分，從而出現大量孔隙，同時由于失水引起結構塌陷而使孔結構不甚規則。

圖2　CS(a)、PNIPAAm(b)和復合膜70/30(c)、

不同組分比例的復合膜SEM形貌圖如圖2c-e，可以看出這三類復合膜均為三維多孔結構，且隨著CS含量增加孔徑顯著變小，孔結構呈現更加規則的近圓形管狀結構。一方面，隨著殼聚糖含量上升復合膜的含水量逐漸降低，水所占據的空間位置減少，故在干燥失水后孔隙率降低；另一方面，CS含量上升使復合膜的力學強度提高，在失水后復合膜仍維持較高的骨架強度而不塌陷，改善了單純PNIPAAm水凝膠失水塌陷的狀況，從而使復合膜的孔結構變得均勻而規則。

2.3復合膜的溶脹性能分析

CS、PNIPAAm和復合膜的溶脹曲線如圖3。可以看出，所有測試樣品的溶脹率隨時間延長而上升，其中單純CS膜的吸水率最低(如圖3e)，溶脹平衡時其吸水率僅106 %， 而純PNIPAAm膜(如圖3a)溶脹平衡后的吸水率為1 525 %。從圖3b-d中可發現，三種不同組分比例的復合膜達到溶脹平衡時的吸水率介于純CS膜和純PNIPAAm膜之間，而且復合膜的溶脹平衡吸水率隨CS含量增加而降低，分別為422 %、357 %、305 %。通常，溶脹過程是水分子向膜的內部滲透，引起高分子鏈伸展，一部分水分子吸附于復合膜內，一部分與高分子鏈上親水基團形成氫鍵而結合。隨著CS含量增加復合膜中PNIPAAm含量相對降低，親水基團-CONH-數目減少；而且CS的-OH和-NH2基團與PNIPAAm的親水基團-CONH-間形成分子間氫鍵，使得親水基團-CONH-和水分子結合機會減少；此外，CS在32℃以下的親水性要低于PNIPAAm，三種情況的共同作用使得復合膜的溶脹平衡吸水率降低，并與復合膜中CS的含量成反比。這與SEM圖片中觀察到的結果一致，即干燥后復合膜的孔隙率與其中CS的含量成反比。

圖3　PNIPAAm(a)和復合膜70/30(b)、60/40(c)、

2.4復合膜LCST的測定

CS、PNIPAAm和復合膜在水中達到溶脹平衡后的差熱分析(DSC)曲線如圖4。可以看出，CS(如圖4a)在20 ℃至45 ℃溫度范圍內未發生相轉變，而PNIPAAm(如圖4b)和復合膜(如圖4c-e)在此溫度范圍內均有一明顯的吸熱峰，起始相轉變的溫度分別為32.5 ℃ 、32.3 ℃、32 ℃和31.8 ℃,即隨著CS含量的增加，相轉變的起始溫度略有下降。這說明CS的加入并未顯著改變PNIPAAm固有的溫敏特性，但CS和PNIPAAm之間的相互作用使大分子發生了重排，從而導致復合膜的相轉變溫度比純PNIPAAm的LCST略有降低。

圖4　CS(a)、PNIPAAm(b)和復合膜70/30(c)、60/40(d)、

2.5復合膜在相轉變溫度前后的表觀變化

PNIPAAm/CS(60/40)復合膜在水中達到溶脹平衡后分別在25℃和37℃的照片如圖5。

圖5　PNIPAAm/CS(60/40)復合膜在不同溫度下

很顯然，在相轉變溫度前后復合膜的形狀和顏色均有明顯變化。當溫度低于PNIPAAm水凝膠的相轉變溫度(32 ℃)，為25 ℃時，復合膜中高分子的親水基團通過氫鍵和環境中的水分子結合，使得水分子被束縛形成穩定的水合結構，復合膜處于有序化程度較高的吸水膨大狀態，高分子鏈舒展，透明度增加，處于溶脹舒展狀態；當溫度高于相轉變溫度，為37 ℃時，復合膜脫水皺縮，顏色變白，處于致密收縮狀態。即溫度的改變使得復合膜中高分子由疏松的線團結構變為緊密的膠粒狀結構，發生了無規線團狀(coil)-蜷曲球狀(Globule)轉變。復合膜的溫度敏感性依然由PNIPAAm的親水基團-CONH-和疏水基團-CH(CH3)2交互控制，溫度高于PNIPAAm的LCST時，復合膜中疏水的異丙基-CH(CH3)2作用占主導地位，使復合膜脫水塌陷而發生皺縮。正是由于復合膜在LCST前后的相轉變行為使其具有作為智能傷口敷料的潛力，因皮膚創口處由于炎癥及異物反應，其表面溫度往往在38℃以上，高于復合膜的LCST，此時多孔致密的復合膜可緊密貼覆于傷口表面，減輕疼痛，保護傷口，保持傷口處濕度；當創口愈合，溫度降至正常的體表溫度31 ℃左右，低于復合膜的LCST,這時復合膜會結合環境中的水而發生體積相轉變，舒展膨大，無法支持自重，從傷口表面脫落，從而實現敷料的智能自剝離。

3結論

研究表明，PNIPAAm/CS復合膜依然具備較敏銳的溫敏性，但其相轉變溫度有略微降低，在31.8 ℃左右，非常接近于人的體表溫度。隨CS含量增加，PNIPAAm/CS復合膜中兩相間分布更為均勻，分子間形成更強的相互作用，復合膜呈現規則的三維多孔結構，改善了單一組分PNIPAAm水凝膠失水塌陷的缺點，提高了復合膜的力學強度。而復合膜的溶脹平衡吸水率也隨CS含量的增加從422 %降至305 %左右。因人體表溫度為32 ℃左右，而兩相質量比在7:3～5:5的PNIPAAm/CS復合膜相轉變溫度與此最為接近，故此類復合膜有望作為一種應用前景廣闊的自剝離皮膚傷口敷料。

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(責任編輯鄒永紅)

Poly (N-isopropyl Acrylamide)/Chitosan Composite Membrane withSmart Thermo-responsive Performance——Study on Fabrication and Properties of Self-peeling Wound Dressing

LI Chenga, LI Yanb

(a.College of Polymer Science and Engineering;b.Analytical & Testing Center,Sichuan University, Chengdu Sichuan 610064,China)

Abstract:In this study, poly (N-isopropylacrylamide) / chitosan (PNIPAAm / CS) composite membranes were fabricated, in which PNIPAAm was directly synthesized using NIPAAm monomers by means of free radical polymerization. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy was employed to characterize the membranes and the interactions. The lower critical solution temperature (LCST) of the swollen membrane was determined by differential scanning calorimetry (DSC). The morphologies of the obtained membranes were observed using scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the composite membrane had good thermo-responsive performance. The construction of membrane became more regular with the increasing of CS. The hydrogen bondings have been formed between the two compositions of CS and PNIPAAm. Obvious phase conversion and shape change of the composite membrane have occurred below and above the LCST, which enhanced the mechanical properties of the composite menbrance. The results also showed that water absorption and mechanical properties of the menbrane were also affected by the PNIPAAm content.

Key words:thermo-responsive; PNIPAAm; chitosan; composite membrane

收稿日期：2016-01-12；最后修回日期：2016-03-15

作者簡介：李澄(1993-)，男，遼寧大連人，主要從事高分子材料研究。

文章編號：2096-1383(2016)03-0237-05

中圖分類號：O633.22

文獻標志碼：A