聚乙烯吡咯烷酮/蘆薈復(fù)合納米纖維膜的制備及其性能

李偉平，楊桂霞，程志強，趙春莉

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，吉林 長春 130118)

目前，隨著生活水平的提高，人們對健康問題愈加重視，細菌、病毒等病原菌引起的感染具有高致病率、高死亡率等特點，嚴重影響了人們的生命健康[1]。其中，由細菌引起的皮膚和組織感染是患病率最高的感染[2]。細菌會引發(fā)慢性傷口轉(zhuǎn)為炎癥，阻礙傷口再上皮化和膠原合成，給愈合帶來困難[3-4]，因此，傷口敷料應(yīng)具備吸收滲出物、透氣、保護傷口免受感染、保持潮濕的傷口環(huán)境、加速傷口愈合等功效。

生物復(fù)合納米纖維大部分可生物降解，具有生物相容性，天然生物抑菌材料能夠有效減少感染的發(fā)生，加快傷口愈合過程[5]。通過向天然/合成聚合物中添加藥用植物成分來制備傷口敷料，植物的活性成分可使敷料具有抗菌、抗炎和抗氧化的特性，有助于傷口收縮、血管生成和上皮化形成。生物復(fù)合納米纖維敷料因其具有表面積大，可將天然產(chǎn)物抑菌劑局部遞送到傷口環(huán)境中以控制感染的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

由靜電紡絲技術(shù)[7]制備的納米纖維膜具有比表面積大[8]、孔隙率高[9]、結(jié)構(gòu)尺寸可控等特點[10]，推動了其在許多領(lǐng)域的研究和開發(fā)，包括光催化材料[11]和生物材料[12]等。蘆薈作為一種古老的藥用植物在皮膚傷口治療方面有著悠久的歷史[13]。蘆薈凝膠[14]因其富含多糖，如乙酰甘露聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖、葡萄糖醛酸等[15]，這些多糖混合物賦予了蘆薈凝膠抗炎[16]、抗腫瘤[17]和抗菌的特性[18-22]。為此，本文通過靜電紡絲技術(shù)將蘆薈和常用于生物材料的聚乙烯吡咯烷酮混合，制備復(fù)合納米纖維膜，對纖維膜進行表征與分析，并測試了纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚乙烯吡咯烷酮(PVP，相對分子質(zhì)量為6.3×106)，Ourchem化學(xué)技術(shù)有限公司；無水乙醇，北京化工廠；蘆薈(Aloe)，西安云銳生物科技有限公司；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，實驗室培養(yǎng)；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA) 、營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(NB),北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 試樣的制備

稱量6組質(zhì)量均為0.5 g的PVP，再分別稱量質(zhì)量為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 g的蘆薈，將PVP和蘆薈共同溶解在75%乙醇中，制得質(zhì)量比分別為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe溶液。然后置于30 ℃水浴鍋中磁力攪拌6 h，超聲波處理15 min后得到PVP/Aloe紡絲溶液，使用自制的靜電紡絲裝置進行紡絲。設(shè)置紡絲電壓為17 kV，紡絲速率為0.8 mL/h，接收距離為12 cm，接收圓盤轉(zhuǎn)速為250 r/min，制得PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜，將其在真空烘箱中干燥24 h備用。同時，在相同條件下制備純PVP納米纖維膜作為對比。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

采用SS-550型掃描電子顯微鏡(日本島津公司)觀察納米纖維膜的形貌，并隨機選取100 根纖維進行直徑測量，并采用ImageJ軟件對納米膜直徑分布進行統(tǒng)計。

1.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀(天津港東科技發(fā)展股份有限公司)測試納米纖維膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.3 潤濕性能及表面張力測試

采用SL200KS型光學(xué)接觸角分析儀(美國科諾工業(yè)有限公司)測試納米纖維膜的潤濕性，并利用BZY-102型表面張力計(上海方瑞儀器有限公司)測試紡絲溶液的表面張力。

1.3.4 抗菌性能測試

采用紙片擴散法測試復(fù)合納米纖維膜的抗菌性能。首先，分別配制LB營養(yǎng)瓊脂固體培養(yǎng)基和LB營養(yǎng)瓊脂液體培養(yǎng)基，固體培養(yǎng)基用于純化菌株和測定抑菌圈，液體培養(yǎng)基用于將純化后的菌株進行培養(yǎng)。然后，為證明蘆薈的抑菌作用進行3組抑菌實驗，以純PVP為空白對照組、PVP/Aloe(10∶3)為低濃度組、PVP/Aloe(10∶6)為高濃度組，將各纖維膜用打孔器剪裁成相同大小的圓片，并置于潔凈操作臺上用紫外光殺菌12 h以備待用。最后，將圓片置于滴有大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的固體培養(yǎng)基中，把培養(yǎng)皿放在37 ℃的培養(yǎng)箱中24～48 h后，根據(jù)培養(yǎng)基中抑菌圈的大小來衡量納米纖維膜的抑菌性能。為了準確得出PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果，用十字交叉法測量對照組、處理組抑菌圈的直徑，按照下式計算抑菌率：

式中：Bck為處理組抑菌圈直徑,mm；Bd為空白對照組抑菌圈直徑,mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

不同質(zhì)量比的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的形貌和直徑分布如圖1所示。可知，不同質(zhì)量比的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，纖維膜出現(xiàn)了既相互分離又相互連接的油條狀結(jié)構(gòu)。油條狀結(jié)構(gòu)中間凹陷的形狀以及在納米尺度上的多孔結(jié)構(gòu)[23]，與單根納米纖維相比，具有更高的比表面積和孔隙率，這可使敷料與傷口貼合得更加緊密，且具有透氣性，有利于氣體交換使傷口的愈合機制得到改善。由圖1可看出，隨著蘆薈占比的增加，納米纖維膜表面呈現(xiàn)出的油條狀結(jié)構(gòu)愈發(fā)明顯。質(zhì)量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維的直徑分別為1.01、1.25、1.55、1.61、1.88、2.75 μm，即隨著蘆薈占比的增多，纖維直徑也隨之增大，尤其是當PVP和Aloe的質(zhì)量比為10∶6時，纖維直徑達到最大。與其他組相比，質(zhì)量比為10∶4的PVP/Aloe納米纖維的直徑分布均勻，且載有蘆薈含量較多。

圖1 不同質(zhì)量比的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的SEM照片和直徑分布圖Fig.1 SEM images and diameter distribution of PVP/Aloe composite nanofiber membranes with different mass ratios

2.2 接觸角和表面張力分析

質(zhì)量比為10∶4的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的水接觸角測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜在不同時間時的水接觸角Fig.2 Water contact angle of PVP/Aloe composite nanofiber membranes at different time

由圖2可知，由于PVP、Aloe均是親水性物質(zhì)，所以當PVP與Aloe共混時所形成的納米纖維膜仍表現(xiàn)出親水性，遇水5 s后纖維可完全溶解。說明本文制備的復(fù)合納米纖維膜具有超親水性質(zhì)，蘆薈從復(fù)合納米纖維膜中快速釋放出來，可第一時間緩解病患疼痛，及時發(fā)揮止血、消炎和抑菌的作用。

不同質(zhì)量比的PVP/Aloe紡絲液的表面張力如圖3所示。可以看出，紡絲液的表面張力隨著蘆薈占比的增加而增大。當PVP與Aloe的質(zhì)量比分別為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6時，紡絲液的表面張力分別為26.03、26.25、26.41、26.68、26.89、27.12 mN/m。結(jié)合掃描電鏡照片可知，當表面張力在26.03～27.12 mN/m區(qū)間時，紡絲時易形成油條狀結(jié)構(gòu)。若PVP與Aloe的質(zhì)量比低于10∶1，形成的油條狀結(jié)構(gòu)不明顯，且載有的蘆薈藥物成分含量較低；當PVP/Aloe質(zhì)量比高于10∶6時，形成的油條狀結(jié)構(gòu)粒徑過大，易導(dǎo)致復(fù)合納米纖維膜的比表面積相對較小，會影響其在抑菌敷料方面的應(yīng)用。

圖3 不同質(zhì)量比的PVP/Aloe紡絲液的表面張力Fig.3 Analysis of surface tension of PVP/Aloe spinning solution with different mass ratios

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

不同質(zhì)量比的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的紅外光譜圖如圖4所示。可以看出，質(zhì)量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜在1 666 cm-1處出現(xiàn)芳香環(huán)伸縮振動峰，在 1 435 cm-1處出現(xiàn)碳氧鍵伸縮振動峰，在1 287 cm-1處出現(xiàn)羥基的伸縮振動峰。幾種樣品的紅外光譜圖顯示的特征峰相似度極高，這充分說明蘆薈與聚乙烯吡咯烷酮共混沒有影響其各自結(jié)構(gòu)，進一步證實了所形成的油條狀結(jié)構(gòu)是由于二者混合后的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)生官能團之間的化學(xué)反應(yīng)。

圖4 不同質(zhì)量比的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of PVP/Aloe composite nanofiber membranes with different mass ratios

2.4 抗菌性能分析

圖5示出純PVP以及質(zhì)量比為10∶3和10∶6的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜的抑菌圈結(jié)果。可知，純PVP納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌沒有抗菌性。經(jīng)計算得，質(zhì)量比為10∶3的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為42.6%、79.5%，質(zhì)量比為10∶6的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為53.8%、86.2%。可見，蘆薈含量與抑菌率呈正相關(guān)，說明蘆薈具有抑菌作用，對金黃色葡萄球菌抗菌有一定的效果。在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h內(nèi)，PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜圓片便形成了抑菌圈，進一步證明了復(fù)合納米纖維膜的藥物突釋性。

圖5 純PVP及PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜抑菌圈分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of inhibition zone of pure PVP,PVP/Aloe composite nanofiber membranes.(a)Pure PVP；(b)PVP/Aloe composite nanofiber membranes(10∶3)；(c)PVP/Aloe composite nanofiber membranes(10∶6)

3 結(jié) 論

本文通過靜電紡絲技術(shù)將不同質(zhì)量比的天然蘆薈(Aloe)與聚乙烯吡咯烷酮(PVP)進行共混，利用混合溶液中的物理作用使二者之間互相粘連，成功地制備出了油條狀結(jié)構(gòu)的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜，得到如下主要結(jié)論。

1)質(zhì)量比為10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6的PVP/Aloe紡絲液的表面張力分別為26.03、26.25、26.41、26.68、26.89、27.12 mN/m，當表面張力在26.03～27.12 mN/m區(qū)間時，紡絲時易形成油條狀結(jié)構(gòu)，且二者共混對其化學(xué)結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生影響；質(zhì)量比為10∶4的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜在遇水5 s 時即可溶解，潤濕性能較好。

2)負載蘆薈的PVP/Aloe復(fù)合納米纖維膜對金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌作用，抑菌率為86.2%，且隨著蘆薈的增加抗菌效果越好，有望應(yīng)用于創(chuàng)傷敷料開發(fā)。

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