納米殼聚糖復合材料的制備與性能研究

董麗丹，魏長平，李中田，汪鳳明

(1.長春理工大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130022;2.長春醫學高等專科學校，吉林 長春 130031;3.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春130061)

1 引 言

止血是醫院各科室手術中的一個重要環節，對于手術的成功和患者的安危起著重大的作用。殼聚糖因具有抗菌、止血、促進傷口愈合等性質使其成為止血敷料的重要選擇[1-3]。近年來通過復合一些有止血消炎效果的藥物或離子來提高止血材料的止血效果成為當前和未來止血敷料的發展趨勢[4-5]。Ong等人[6]將多磷酸鹽(前止血劑)作為止血劑佐劑，結合抗菌素對殼聚糖止血敷料進行改進，與殼聚糖相比，可加速凝血、促進血小板粘附。

納米殼聚糖因其微粒尺寸的特殊性[6-7]，較殼聚糖具有更好的水溶性、生物可降解性，可促進細胞生長，其止血作用較殼聚糖更加優秀[8-9]。由于Ca2+具有凝血輔助作用，納米殼聚糖中加入Ca2+能增強止血效果[10-11]，Ag+能通過緩釋技術使微生物蛋白質結構遭到破壞使微生物死亡達到抗菌效果[12-13]。納米殼聚糖復合止血輔助因子的止血研究尚未見諸文獻報道。本文將殼聚糖分子納米化，制得納米殼聚糖，再與硝酸銀和氯化鈣溶液充分反應，得到納米殼聚糖復合止血材料。采用 FTIR、XRD、SEM等手段表征其結構并考察其凝血、止血性能。初步證明納米殼聚糖絡合了Ag+和Ca2+生產了新的復合物，且較納米殼聚糖具有良好的止血性。

2 材料與制備

2.1 材料與儀器

殼聚糖(國藥集團化學試劑有限公司)、硝酸銀(北京化工廠)、冰乙酸(天津市福晨化學試劑廠)、二水合氯化鈣(阿拉丁化工廠)、過氧化氫(河北建寧藥業有限公司)、恒溫水浴鍋(上海宜昌儀器紗篩廠)、電熱鼓風干燥箱(上海實驗儀器廠有限公司)。昆明鼠(生物實驗用)。

2.2 樣品制備

納米殼聚糖：稱取2.0 g殼聚糖向其中加入2%的冰乙酸溶液至完全溶解，加入質量分數為3%的H2O2溶液繼續反應2 h后向其中加入三聚磷酸鈉溶液，反應，直至分散液出現乳光狀態，制得納米殼聚糖溶液放入鼓風干燥箱中干燥，研磨成粉。

納米殼聚糖銀止血粉：稱取一定量納米殼聚糖溶入1%乙酸溶液中，再加入0.10 mol/L 的AgNO3溶液，加熱攪拌2 h。放入鼓風干燥箱中干燥，研磨成粉。

納米殼聚糖鈣止血粉：稱取一定量納米殼聚糖溶入1%乙酸溶液中，再加入飽和CaCl2溶液加熱攪拌2 h，烘干，研磨成粉。

納米殼聚糖銀-鈣復合材料：稱取一定量納米殼聚糖溶入1%乙酸溶液中，加入0.10 mol/L的AgNO3溶液充分反應，再向其中加入飽和CaCl2溶液加熱攪拌2 h，烘干，得到成品。

3 樣品表征及性能測試

紅外光譜(FT-IR)：在傅里葉變換紅外光譜儀上，使用KRS-5型ATR探頭，用反射法在500～4 000 cm-1波數范圍內掃描[14]，并記錄各樣品的紅外光譜。

射線衍射光譜(XRD)：室溫下使用Rigaku D/MAX-RB型X射線衍射儀記錄樣品的X射線衍射圖譜。X射線源為Cu-Kα線，電壓為40 kV，電流為50 mA，DS/SS為0.5，掃描角度10°～80°，掃描速度為10°/min。

掃描電鏡(SEM)：為了更好觀察混合金屬離子，所以將樣品鋪成膜。用Quanta-200掃描電鏡觀察膜表面。

樣品的凝血、止血性能測試：為了測試實驗樣品的凝血和止血性能，本文建立了動物實驗模型，選用成年雄性昆明鼠體重在18～26 g之間，進行樣品的體外凝血和止血實驗。

4 結果與討論

4.1 樣品結構測試分析

4.1.1 樣品的紅外光譜分析

CS和nmCS的紅外光譜如圖1所示：CS與TPP 作用后，3 423 cm-1處的O-H伸縮振動吸收峰移至3 429 cm-1處，向高波數偏移，表明形成了較強的分子內和分子間氫鍵；1 652 cm-1處尖峰消失，1 647 cm-1出現了尖峰，并且1 96 cm-1的吸收峰向低處偏移36 cm-1，這一結果與TPP交聯的殼聚糖納米粒子和經磷酸鹽修飾后的殼聚糖的結果相似，說明磷酸鹽已經連接到了氨基位點上；殼聚糖的1 261 cm-1處的游離羥基峰在納米殼聚糖中變弱，這說明游離的羥基峰在納米粒子中形成了分子間氫鍵。此外，在1 344～1 097 cm-1處出現了一系列峰，這是由于P-O鍵的伸縮振動吸收引起的；在1 000～850 cm-1處出現峰是由于P-O鍵彎曲振動吸收引起的，表明生成了納米殼聚糖。反應如下：

Chitosan-NH2+RCOOH—Chitosan-NH+3+RCOO-

圖1 CS和nmCS的紅外光譜圖 Fig.1 FT-IR spectra of chitosan(a) and nm chitosan(b)

nmCS復合Ag+、Ca2+紅外光譜如圖2所示。

圖2 nmCS復合Ag+、Ca2+的紅外光譜圖 Fig.2 FT-IR spectra of nm Chitosan composite Ag+, Ca2+

(1)nmCS復合Ag+后:①nmCS羥基的伸縮振動吸收寬峰發生了波數移動，吸收峰由原來的3 429 cm-1變為3 419 cm-1，表明O-H與Ag+產生了較強的氫鍵作用；②殼聚糖吡喃環上的醚鍵伸縮振動吸收峰向低處偏移，吸收峰由原來的1 097 cm-1變為1 074 cm-1。表明Ag+與吡喃環上的醚鍵發生了相互作用。

(2)nmCS復合Ca2+后:①-NH2、-CH3伸縮振動峰發生了移動，吸收峰由原來的1 409 cm-1變為1 454 cm-1，表明-NH2、-CH3與Ca2+產生了較強的氫鍵作用；②殼聚糖吡喃環上的醚鍵伸縮振動吸收峰向低處偏移，吸收峰由1 097 cm-1變為1 074 cm-1。表明Ca2+與吡喃環上的醚鍵發生了相互作用。

4.1.2 樣品的射線衍射分析

CS和nmCS的XRD如圖3所示：殼聚糖降解前的特征峰為19.48，降解后的特征峰為21.92，峰位置變化不大，說明降解前后殼聚糖的基本結晶結構沒有發生改變。但降解后殼聚糖的衍射強度略有下降，說明降解后殼聚糖的結晶度有所降低。

圖3 CS和nmCS的XRD圖 Fig.3 XRD spectra of chitosan(a) and nm chitosan(b)

圖4 nmCS復合Ag+、Ca2+的XRD圖 Fig.4 XRD spectra of nm Chitosan composite Ag+, Ca2+

nmCS復合Ag+、Ca2+的XRD如圖4所示：nmCS只在2θ=21.92°處出現衍射吸收峰，單質銀的特征峰2θ=38.2°、44.4°、64.6°、77.6°。當nmCS復合Ag+時2θ=23.84°、32.32°、46.28°、55.12°、76.4°處出現吸收峰，nmCS和單質銀的特征吸收峰均發生了偏移，表明Ag+經分子間的氫鍵作用合成了納米CS-Ag，當nmCS復合Ca2+時其在2θ=27.24°、31.52°、45.24°、56.48°、66.28°、75.24°處出現衍射峰，該結果表明，nmCS復合了Ca2+合成了新物質nmCS-Ca。

4.1.3 樣品的掃描電鏡分析

納米殼聚糖、Ca-納米殼聚糖和銀-納米殼聚糖的掃描電鏡圖分別由由圖5(a)、5(b)、5(c)所示，納米殼聚糖顆粒成球狀，粒徑約為80 nm，發生粘連。

圖5 nmCS、Ca-nmCS及Ag-nmCS掃描電鏡圖 Fig.5 SEM micrographs of nm Chitosan composite Ag+、Ca2+

通過圖5可以看出，nmCS-Ag的掃描電鏡中有些許的析出，原因是硝酸銀本身性質的不穩定，見光易分解析出單質銀。nmCS-Ca的掃描圖片顯示nmCS和Ca2+的復合很好，基本沒有析出。

4.2 樣品性能測試分析

4.2.1 凝血測試分析

樣品的凝血性能測試方法：向每個試管中加入1 mL 0.10 mol/L草酸鉀溶液作為抗凝劑備用。從小白鼠靜脈取血5 mL放入試管中后按每毫升血液加入0.2 g樣品粉末，每個樣品測試3組平行數據，取平均值。每隔數秒傾斜試管，發現血液凝集立即記錄時間，結果見表1。

由此可見，Ag-Ca-nmCS的凝血效果要優于Ag-nmCS和Ca-nmCS，其中Ca-nmCS的凝血效果要優于Ag-nmCS，同時Ag-nmCS和Ca-nmCS的凝血效果要好于CS和nmCS的凝血效果。

表1 樣品的凝血時間測試Tab.1 Clotting time test of the sample

4.2.2 止血測試分析

樣品的止血性能測試方法：將小鼠放進離心管中使其頭部固定，于尾尖5 cm處切斷，制造出血創面。空白對照實驗將尾尖在自然狀態下止血，從切斷尾尖開始，到不再有血滴滲出，記錄止血時間，分別測試3組平行數據，計算平均值；另外5組樣品，在切斷小鼠尾尖后，取0.2 g樣品均勻涂抹于傷口，使尾部保持自然狀態不動，使傷口與樣品始終接觸，從切斷尾尖開始，直到不再出血為止，記錄止血時間，5個樣品分別測試三組平行數據，計算平均值(表2)。

從平均止血時間來看，Ag-Ca-nmCS的止血效果要優于Ag-nmCS和Ca-nmCS，其中Ca-nmCS的止血效果要優于Ag-nmCS同時Ag-nmCS和Ca-nmCS的止血效果要好于CS和nmCS的止血效果。

表2 樣品的止血時間測試Tab.2 Bleeding time test of the sample

5 結 論

(1)殼聚糖經納米化制得納米殼聚糖向其中加入Ag+和Ca2+制得納米殼聚糖復合止血材料。

(2)對樣品進行結構和性能表征，研究發現：加入了Ag+和Ca2+的納米殼聚糖其IR圖譜顯示在1 647 cm-1和1 560 cm-1處出現了納米殼聚糖鈉鹽的特征吸收峰，XRD圖譜表現出相應晶型，以上說明Ag+和Ca2+成功與納米殼聚糖復合。SEM圖像可以看出Ca-nmCS的復合效果好于Ag-nmCS。

(3)添加了Ag+和Ca2+的納米殼聚糖可以有效地縮短凝血和止血時間，其中分別單獨添加Ag+和Ca2+制備出的止血粉相比，添加Ca2+制備的止血粉其止血效果要稍好于添加Ag+制備的止血粉。同時添加Ag+和Ca2+制備的止血粉，在復合效應作用下獲得了更優的凝血和止血性能。