白芨/聚乳酸血复合膜的制备及性能测试

巩桂芬, 曹景飞, 徐阿文, 荀阳舰

(哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040)

白芨,是发源于我国长江流域的一种传统中草药材,早在中国明代《本草纲目》中就有记载,有止血抗菌、消肿生肌之功效,早在很久之前就被人们用作止血良药.白芨多糖是从白芨块茎中提取出来的一种多糖,是止血生肌的有效成分,具有良好的生物相容性和可降解性,是现代医药学中的研究热点[1-3].聚乳酸(PLA)作为一种综合性能优异的绿色环保材料,具有生物相容性和可降解性,且具有良好的加工性[4].

静电纺丝技术自被发明以来,由于其制成的无纺布具有纳米级三维网状结构备受研究者追捧.静电纺丝,即利用高压静电作用对针头处液滴拉伸牵引形成纳米级细丝,最后收集到滚筒上的一种成型工艺,此工艺制成的膜具有比表面积大、孔隙率高等特点[5-6].无纺布独特的微孔结构成为多种领域的研究热点,包括电池隔膜[7-8]、空气过滤[9]、药物传送[10]等领域.

本研究采用高压静电纺丝技术,制备出微纳米级、高孔隙率的PLA无纺布,并用了超声技术使白芨多糖充分运动填充无纺布的孔隙,再通过热压的方法使白芨多糖固定在孔隙中.对白芨/PLA复合膜的微观结构、官能团特征峰、力学性能、热稳定性、止血性能和愈合性能进行表征.

1 试验材料与方法

1.1 主要原料

白芨块茎切片,百杏林中药堂;PLA,分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;二氯甲烷,分析纯,天津市富宇精细化工有限公司;N-N二甲基甲酰胺,分析纯,天津市富宇精细化工有限公司;无水乙醇(98%),分析纯,天津市天力化学试剂有限公司.

1.2 仪器与设备

高压静电纺丝机,实验室自制;AVATAR370红外光谱仪,美国ThermoNicolet公司;WDS-5万能拉伸试验机,昆山市顺诺仪器有限公司;Pyris6TGA热重分析(TG)仪,PerkinElmer公司;SIRION200扫描电子显微镜,荷兰飞利浦公司.

1.3 白芨多糖的提取

1.4 PLA无纺布的制备

在常温常压下称取一定量PLA粒料,将二甲基甲酰胺,二氯甲烷以一定比例加入500 mL试剂瓶中,磁力搅拌24 h,至 PLA粒料完全溶解,得到质量分数为10%的半透明纺丝液.然后在出液速率为7 mL·h-1,电压为23.24 kV的条件下,纺制30 min,制成厚度为65 μm的PLA无纺布.

1.5 复合止血膜的制备

称取一定量的白芨多糖粉末置于装有蒸馏水的三口瓶中,分别配制成质量分数为2%,4%,6%,8%和10%的白芨多糖溶液,40 ℃恒温水浴下进行超声搅拌,直至粉末完全溶解,得到浸渍液a,b,c,d和e.将制得的PLA膜分别浸入浸渍液a,b,c,d和e 中超声1 h后, 取出平铺于聚四氟乙烯板上,于50 ℃烘箱内热压30 min,使浸渍液充分浸渍PLA膜,得到不同质量分数下的复合膜.

1.6 复合止血膜的表征

将纯PLA膜、复合膜分别制成小样,利用扫描电子显微镜对样品进行微观形貌观察,将样品放大1 000倍和2 000倍,观察浸渍液对PLA薄膜结构的影响; 对白芨粉末和复合膜用傅里叶红外光谱仪进行红外光谱分析,用表面官能团确定是否复合成功;将不同质量分数的复合止血膜和纯PLA膜制成尺寸为120 mm×10 mm的样条,使用万能拉伸试样机对样条进行拉伸测试,对比得出复合膜力学性能上的变化; 称取5～10 mg,使用热重分析仪探寻复合薄膜的分解温度,探求其热稳定性及适用温度,设置升温范围为30～600 ℃,升温速率为10 ℃·min-1.

对分组后的试验兔及时进行试验,试验兔以10%水合氯醛按体质量1 000 g给予1 mL腹腔注射浅麻醉,5～6 min后进行兔固定台固定,对麻醉后每组试验兔左右外耳,背部主动静脉部位以剃毛刀,手术刀备皮3 cm×3 cm,取最佳部位(动静脉明显)以手术刀做1 cm×1 cm方型4个创面(深度以见到静动脉血管为准),随即用PLA止血膜覆盖创面,并用带抗凝血剂的试管收集外溢血液,生理盐水冲洗创面(本试验组只记录止血时间或者以试验前后体质量比较计算失血量),以计时器记录止血时间和计算失血量(创面未渗出任何血为止);观察止血性能测试中受试兔子的愈合情况并记录数据,以此得出复合止血膜对伤口愈合的影响情况.

2 结果与讨论

2.1 复合膜的形貌

对纯PLA膜和浸渍液质量分数为6%的白芨/PLA复合膜进行SEM分析,结果如图1所示.

图1 SEM观察图像

图1a,b分别为1 000倍下PLA和白芨/PLA复合膜扫描电镜图.从图中可以看到,纯的PLA膜呈现出复杂的三维网状结构,孔隙较多,而且孔径较大.白芨/PLA复合膜呈山脉型,白芨多糖充分填充于PLA膜的立体孔隙之中,并且成功的附着在聚乳酸骨架上,与纯聚乳酸膜相比,基本无孔隙,并且结构紧密.

2.2 复合膜的化学结构分析

白芨粉末和复合膜的红外光谱图如图2所示.

图2 白芨粉末和复合膜红外光谱图

图2中白芨提取物粉末的红外曲线在4 100～1 000 cm-1的波数范围内,在3 303 cm-1附近的是羟基的伸缩振动吸收峰,在2 891 cm-1附近的是亚甲基的伸缩振动吸收峰,在1 730 cm-1处,是碳碳双键的振动吸收峰,1 653 cm-1处是羰基的振动吸收峰,1 512 cm-1和3 048 cm-1处是苯环的振动吸收峰.菲类、醌类、联苄类、二氢菲并吡喃类、联菲类均由苯环,双键以及羰基组成[11],由图可以确定为白芨多糖的成分.

近年来因各种原因造成的烧伤患者数量日益增多，且烧伤面积越大，常需进行多次手术[1]。反复的气管插管在造成气道损伤的同时还会引起强烈的应激反应，不利于围手术期的恢复。喉罩作为一种新型气道管理方式，无需喉镜暴露声门，置入方便，能有效分割患者的消化道和呼吸道，预防反流误吸，血流动力学影响小[2]，对于烧伤患者围手术期气道保护、降低不良反应都极为有利。本研究旨在探讨喉罩与气管插管用于烧伤手术麻醉的安全性及优越性。

复合薄膜在2 994 cm-1和2 946 cm-1处是亚甲基的振动吸收峰,在1 751 cm-1处有一较强吸收峰为碳碳双键吸收峰,1 185 cm-1处为为碳氧单键振动吸收峰,1 455 cm-1处为碳氢单键振动吸收峰,1 355 cm-1处为甲基振动吸收峰,1 654 cm-1处为羰基振动吸收峰,1 512 cm-1处和3 050 cm-1处为苯环的振动吸收峰,由此可以证明白芨多糖与PLA膜成功复合.

2.3 复合膜的拉伸性能分析

不同质量分数浸渍液条件下复合薄膜的拉伸强度如图3所示.

图3 浸渍液质量分数对复合膜力学性能的影响

测试结果表明:所有浸渍液质量分数下的复合膜拉伸强度均高于纯PLA膜,当质量分数小于8%时,复合膜的最大拉伸强度随浸渍液质量分数的上升而上升,在质量分数为8%时达到最大值,为9.512 MPa,这是因为白芨胶液填充PLA膜的三维孔隙,使复合膜的结构紧密,从而增加了其力学性能.但当质量分数为10%时,复合膜的最大拉伸强度有所下降,这是因为薄膜吸收了高质量分数浸渍液(质量分数10%)经干燥后,质脆的白芨固含量过高,导致复合膜的脆性增加,机械性能下降.

2.4 复合膜的热稳定性分析

复合膜的热稳定性决定了它的适用范围, PLA膜和白芨/PLA复合膜的TG曲线如图4所示.

图4 PLA膜和白芨/PLA复合膜的热重曲线

由图4可以看出,相比于纯PLA薄膜,复合薄膜在100 ℃之前失重较多,原因是复合膜之中的游离水受热蒸发.白芨多糖具有吸水性,这一特点使复合膜有一定的含水量,能够使复合膜中的有效成分更快进入创口组织细胞,对受创伤口迅速起效.

为了应用于人体,复合膜应该在常温下保持结构稳定,从TG曲线中可以看出,在80 ℃以下,白芨/PLA复合膜热力学结构稳定,便于正常储存、运输与使用.

2.5 复合膜的止血性能分析

对白芨/PLA复合止血膜的止血性能进行测试,采用动物试验的方法进行表征,结果如表1-3所示,其中表1,2分别为浸渍液质量分数为6%和10%下的止血测试结果,表3作为空白对照组,为生理盐水冲洗下的止血测试结果.

表1 浸渍液质量分数为6%下止血测试

注:体质量1.90 kg; 10%水合氯醛2.8 mL背部进入肌肉层.

表2 10%浸渍液质量分数下止血测试

注:体质量1.97 kg;10%水合氯醛3 mL背部进入肌肉层.

表3 生理盐水冲洗下止血测试

注:体质量2.60 kg;10%水合氯醛3.9 mL背部进入肌肉层.

由表1,2可以看出,相对于表3空白对照组,两组试验组,动脉与静脉出血时间与出血量均显著减少,当浸渍液质量分数为6%时,静脉出血时间平均减少至原来的35.7%,出血量平均减少至43.8%,动脉出血时间平均减少至56.3%,出血量平均减少至50.3%;当浸渍液质量分数为10%时,静脉出血时间平均减少至24.9%,出血量平均减少至31.3%,动脉出血时间平均减少至44.7%,出血量平均减少至26.3%.其次,不同质量分数的浸渍液对止血效果亦有显著影响,相比于A组的测试数据,B组静脉平均出血时间降低至原来的69.7%,平均失血量降低至71.4%;动脉平均出血时间降低至79.4%,平均失血量降低至 52.3%.

综上所述,白芨/PLA复合止血膜有着优秀的止血性能,可以降低止血时间,减少止血量,且其止血能力随着浸渍液质量分数的上升而上升.

2.6 复合膜的愈合性能分析

经过止血性能动物试验后,在相同的痊愈环境下,对用浸渍液质量分数为10%的止血复合膜和生理盐水的受试兔子分别进行连续10 d的右耳动脉创口观察,从而对白芨/PLA复合膜的愈合性能进行分析.图5分别为第1,5和10 天两组创口图片.

图5 右耳动脉创口愈合图

经过动物试验后连续10 d的观察,在相同的痊愈环境下,生理盐水组伤口并无肉眼可见的愈合迹象,在接下来的几天仍有少量出血,且其创口有些许感染迹象,而从白芨组可以明显看出,第10天时创口表面有毛发长出,且创口迹象几近消失,对比对照组来说有明显痊愈,说明组织细胞生长迅速.由此可以证明,白芨/PLA复合止血膜可以大大减少生物创口愈合时间,促进生物组织生长,减少留疤几率.

3 结 论

1) 通过微观形貌观察和化学结构分析,超声和热压工艺使白芨多糖充分填充PLA膜的三维孔隙.

2) 白芨多糖浸渍液质量分数在8%以下时,复合膜的拉伸强度随着浸渍液质量分数的提高而上升,质量分数8%以上时,因固体含量过高而强度下降.质量分数为8%时拉伸强度最高为9.512 MPa,且在80 ℃下热稳定性良好,满足生活中作为止血贴的正常使用.

3) 经过动物止血性能试验,发现白芨/PLA止血膜对静脉与动脉创口均有良好的止血性能.止血时间和出血量相比于空白生理盐水对照组均显著减少,止血性能的强弱随浸渍液的质量分数增加而增加.

4) 止血性能试验过后,观察止血膜组伤口情况良好,而未使用止血膜的试验组伤口仍持续流血几天,伤口未有好转迹象,说明本止血膜能够促进创口愈合,避免伤口感染.