聚乳酸/透明質(zhì)酸復(fù)合纖維膜的制備及表征

費(fèi)燕娜 王瑤 王思雨

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港215600）

引言

納米纖維材料具有極高的比表面積及孔隙率等優(yōu)異性能，在生物醫(yī)用領(lǐng)域被廣泛研究[1]，但單一成分的納米纖維在結(jié)構(gòu)性能上或多或少存在局限，并不能完全滿足材料的各種需求，因此研究人員通過對(duì)單一成分納米纖維進(jìn)行功能性復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)材料的功能化，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域[2,3]。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）生物可降解，是一種生物相容性良好的高分子材料，可作為理想的藥物載體[4]。Kenawy等[5]通過靜電紡絲方法制備聚乙烯醋酸乙烯酯與PLA混紡的復(fù)合納米纖維作為5%鹽酸四環(huán)素的負(fù)載材料。Travis J.Sill等[6]將聚乙二醇與PLA混紡得到的復(fù)合納米纖維作為載體負(fù)載了一種抗癌藥物。透明質(zhì)酸（Hyaluronic acid，HA）是人體表皮和真皮的主要基質(zhì)成分之一，具有強(qiáng)大的保水性。小分子量的HA有消炎、抑菌的功效，同時(shí)還能促進(jìn)細(xì)胞的生長與修復(fù)。Yamamoto等[7]利用不同分子量的透明質(zhì)酸制備出一種雙層多孔結(jié)構(gòu)的傷口敷料，上層通過交聯(lián)與高分子量HA結(jié)合，下層則通過精氨酸、Vc衍生物與低分子量HA復(fù)合，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該材料可以促進(jìn)傷口愈合，同時(shí)高分子量的HA結(jié)構(gòu)更利于傷口的修復(fù)。李凱等[8]研究了一種可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞三維立體培養(yǎng)的透明質(zhì)酸水凝膠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適宜濃度的透明質(zhì)酸水凝膠更適合大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的三維培養(yǎng)。HA強(qiáng)大的吸水保水性能使其在皮膚修復(fù)方面的作用異常突出，但HA的機(jī)械性能相對(duì)較差，在體內(nèi)很容易被降解及清除，這些弱點(diǎn)又限制了HA在其他醫(yī)藥領(lǐng)域方面的作用。

利用靜電紡絲技術(shù)將PLA與HA共混制備PLA/HA復(fù)合纖維材料，研究不同質(zhì)量混比條件下該復(fù)合材料的纖維形貌以及HA的加入對(duì)該材料抗菌性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：聚乳酸切片（PLA），片材級(jí)，安徽豐原福泰來聚乳酸有限公司；透明質(zhì)酸(HA)，純度97%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氯甲烷（DCM）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF），均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：靜電紡絲設(shè)備：實(shí)驗(yàn)室自組；DDS-ⅡA型數(shù)顯電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；NDJ-79型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠；Nicolet Nexus 470型傅里葉紅外光譜儀，Thermo Electron公司；S-3000N型掃描電子顯微鏡，HITACHI（日本）公司。

1.2 紡絲液制備

稱取不同質(zhì)量的PLA切片與HA粉末溶于混合紡絲溶劑DCM/DMF（體積比8∶2）中，總?cè)苜|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，在室溫下磁力攪拌12小時(shí)至均一溶液，制備出PLA單一紡絲液和PLA/HA質(zhì)量混比為95/5、92/8、90/10的復(fù)合紡絲液。

1.3 靜電紡絲

將配置好的40 mL紡絲液吸入50 mL注射器中，置于微量注射泵上，采用內(nèi)徑0.7 mm的平針頭作為毛細(xì)管，調(diào)整毛細(xì)管高度，使其與滾筒收集裝置中心位于同一高度，接通電源，調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速為800 rpm，按實(shí)驗(yàn)設(shè)定調(diào)整紡絲電壓20 kV、紡絲距離17.5 cm、紡絲速度0.8 mL/h進(jìn)行靜電紡絲。

1.4 形貌觀察

將被測(cè)樣品表面噴金處理后，用S-3000N型掃描電子顯微鏡觀察所紡纖維膜的表面形貌，采用ImageTool測(cè)試軟件對(duì)SEM圖中纖維直徑進(jìn)行測(cè)量，分析直徑變化規(guī)律。

1.5 紅外光譜觀察

將不同質(zhì)量混比的PLA/TP復(fù)合纖維膜采用衰減全反射制樣法進(jìn)行制樣，利用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行掃描，通過紅外譜圖分析不同試樣間分子結(jié)構(gòu)變化。

1.6 抗菌性能測(cè)試

由于PLA/HA復(fù)合纖維膜為一次性纖維用品，因此實(shí)驗(yàn)采用改良的振蕩燒瓶法，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20944.3-2008《振蕩法》，并結(jié)合GB15979-2002《一次性使用衛(wèi)生用品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)試樣進(jìn)行抗菌率檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)所用菌種為：大腸桿菌（革蘭氏陰性菌代表，ATCC25922，Escherichiacoli）。樣品的抗菌性能通過抗菌率進(jìn)行評(píng)價(jià)，抗菌率按式（1）計(jì)算：

式中：A為振蕩前樣品的平均菌落數(shù)，B為振蕩后樣品平均菌落數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液性質(zhì)對(duì)不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜形貌的影響

圖1為PLA與HA按不同質(zhì)量比混合后所紡纖維在相同放大倍數(shù)下的SEM圖。從圖1中可以看出PLA與HA按一定比例混合，均能紡出較連續(xù)、光滑的纖維，且隨著復(fù)合纖維中PLA含量的減少、HA含量的增加，所紡纖維形貌有所改善。主要體現(xiàn)在兩方面：一方面HA的加入，使電紡復(fù)合纖維的連續(xù)性和纖維表面的光滑性較純PLA纖維有所改善；另一方面HA的加入使復(fù)合纖維的平均直徑及不勻率都有所降低，但纖維直徑整體范圍仍在微米級(jí)。當(dāng)紡絲工藝條件不變，溶液性質(zhì)對(duì)纖維形貌的影響尤為重要。

圖1 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維SEM圖

從表1可知，隨著復(fù)合紡絲液中PLA含量的減少、HA含量的增加，溶液粘度從187.8 mPa·s逐漸下降到101.4 mPa·s，而電導(dǎo)率卻從0.33μs·cm-1逐漸上升到1.78μs·cm-1。

表1 不同質(zhì)量混比紡絲溶液性質(zhì)

眾多研究表明[9]：在一定粘度范圍內(nèi)，隨著溶液粘度的增加，電紡纖維的直徑也隨之增加，而溶液電導(dǎo)率的增加，使紡絲液電荷密度增加；在一定范圍內(nèi)，電荷密度的增加可以使噴射流在高壓靜電場(chǎng)的作用下被更充分地分裂細(xì)化，纖維直徑分布變窄，平均直徑變小，并使纖維表面形態(tài)變得光滑均一。

2.2 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜紅外光譜分析

圖2為不同質(zhì)量混比條件下PLA/HA復(fù)合纖維膜的紅外光譜圖。從圖2中可以看出：譜圖a、b、c、d均在2995 cm-1和2945 cm-1處出現(xiàn)-CH3伸縮振動(dòng)吸收峰，在1747 cm-1處出現(xiàn)C=O強(qiáng)伸縮振動(dòng)吸收峰，在1452 cm-1處出現(xiàn)-CH3彎曲振動(dòng)吸收峰，在1180 cm-1和1081 cm-1處出現(xiàn)C-O-C伸縮振動(dòng)吸收峰，在868 cm-1處出現(xiàn)C-C伸縮振動(dòng)吸收峰，在755 cm-1處出現(xiàn)C=O彎曲振動(dòng)吸收峰，這些都是PLA的特征吸收峰；但譜圖a中在956 cm-1處出現(xiàn)較弱的C-C伸縮振動(dòng)吸收峰，隨著復(fù)合薄膜中PLA的減少，在譜圖b、c、d中此處的吸收峰峰型變短，明顯減弱，同時(shí)在譜圖c、d中觀察到在2359 cm-1和2361 cm-1處出現(xiàn)新峰型，通過峰區(qū)查詢[10]，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域是三鍵和累積雙鍵區(qū)域。分析原因，可能是由于透明質(zhì)酸比聚乳酸含有的雙鍵數(shù)目更多一些，所以隨著復(fù)合薄膜中PLA的減少、HA的增加，該處峰型變得明顯。此外，譜圖c中在1677 cm-1處的峰型比其余譜圖都更明顯，根據(jù)峰區(qū)查詢，推測(cè)出此區(qū)域可能是酰胺基的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，考慮到紡絲溶劑中存在N,N-二甲基甲酰胺，由此判定復(fù)合薄膜c中可能還殘留少量未揮發(fā)的紡絲溶劑DMF。

圖2 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜紅外光譜圖

2.3 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜抗菌性能分析

從圖3抗菌測(cè)試照片可以明顯看出，試樣（b）、（c）、（d）較試樣（a）在相同稀釋度下菌落數(shù)有明顯減少，其中試樣（c）菌落數(shù)最少，試樣（b）與試樣（d）較接近。

圖3 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜抗菌測(cè)試照片

從通過計(jì)算得出的抗菌率曲線圖（圖4）中可知，純PLA纖維膜抗菌率為19.4%，隨著復(fù)合薄膜中PLA的減少、HA的增加，抗菌效果總體都有所改善，當(dāng)兩者質(zhì)量混比為95/5時(shí)，抗菌效果最佳，達(dá)到76.4%。說明HA的加入，對(duì)薄膜的抗菌性能確實(shí)有所改善。這是由于HA本身有一定的抗炎抑菌功效，其中試樣c抗菌率最高，結(jié)合各試樣紅外光譜圖，推測(cè)可能是由于該試樣中殘留的紡絲溶劑DMF最多，這對(duì)菌落的生長也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此該試樣抗菌率最高。

圖4 不同質(zhì)量混比PLA/HA復(fù)合纖維膜抗菌率圖

3 結(jié)論

3.1 溶液性質(zhì)通常對(duì)纖維的成型情況起著較為關(guān)鍵的作用。在一定范圍內(nèi)，隨著溶液粘度的減小、電導(dǎo)率的增加，纖維表面形貌變好，直徑和不勻率均呈下降趨勢(shì)。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PLA/HA質(zhì)量混比為90/10時(shí)，纖維形貌最好。

3.2 紅外光譜圖結(jié)果顯示，PLA/HA復(fù)合薄膜中確實(shí)存在HA，并且當(dāng)兩者質(zhì)量混比為92/8時(shí)，復(fù)合薄膜中有未揮發(fā)的紡絲溶劑DMF殘留。

3.3 抗菌測(cè)試結(jié)果表明，HA的添加對(duì)純PLA薄膜的抗菌性能有一定的改善。其中當(dāng)PLA/HA質(zhì)量混比為90/10時(shí)，抗菌率為47.8%，較純PLA薄膜提高了28.4%。