汉麻基纤维素水凝胶复合功能性伤口敷料制备及性能研究

李晓茹

(青岛大学纺织服装学院，山东 青岛266000)

目前，伤口敷料用于促进伤口愈合，提供一个合适的环境，保护受损组织和防止细菌渗透。 一个理想的伤口敷料不仅可以覆盖和保护受影响的区域，还可以在伤口周围营造一个湿润的条件，去除渗出物，防止细菌感染和生物膜的形成，理想情况下提高愈合促进疤痕形成。 现在，伤口敷料的重点从传统的干燥被动产品转变为多功能性的促湿材料，其中包括纳米纤维薄膜、水胶体、支架和水凝胶。

天然纤维具有优异的热稳定性[1]、吸湿性[2]和生物降解性[3]，这使天然纤维成为低成本和环境友好型的替代品。 其中汉麻纤维是最环保的天然纤维之一，也是最古老的纤维。 多孔结构使汉麻纤维吸收大量的水。 与不同的植物材料相比，汉麻纤维不仅具有更高的吸水率，而且在最初的几分钟内也能吸收大量的水，应用广泛[4]。 汉麻基水刺非织造布有着更好的吸收能力、接触舒适性、柔软度、弯曲性能并且毛羽比传统敷料少得多，因此可以有效地防止敷料与伤口粘连，有利于新型伤口敷料的开发应用[5]。 静电纺丝纳米纤维技术可以提供改善伤口愈合的解决方案。 静电纺丝的聚合物纤维[6]具有较大孔隙率，通过静电纺丝产生的纳米纤维能够向伤口提供氧气并持续的释放药物。 使用不同性质的不同类型的聚合物有助于增强纳米纤维对渗出物的吸收。 纳米纤维具有适用于伤口愈合的理想结构。 水凝胶是安全且可生物降解的材料，在其三维(3D)聚合物网络结构中含有大量水，具有多孔性、亲和性和生物相容性[7-9]。 水凝胶通过其水分交换活动帮助促进伤口愈合，从而在伤口和敷料之间形成最佳环境。 高水分含量提供冷却，舒缓效果，并减少与换药相关的疼痛。 此外，水凝胶的有限粘附意味着它们可以很容易从伤口中移除，而不会对愈合组织造成进一步的创伤。 水凝胶已被成功地用作制造敷料的基质，用于持续递送必需生长因子和愈合剂以促进伤口愈合。 因此汉麻基纤维素水凝胶复合功能性伤口敷料研究具有深远的意义。

传统敷料最初由天然材料制成，例如植物纤维和动物脂肪，以简单地覆盖伤口，不利于伤口的愈合[10-11]。 发展到今天，现代敷料已经逐步发展为不仅可以覆盖皮肤表面，而且可以促进伤口组织愈合及再功能化[12]。 这些敷料目的是在创伤表面创造湿润环境，促进组织修复，防止伤口脱水和促进愈合[13-15]。 并且还应具有良好的防菌性、抗菌性以防止周围细菌的感染。 这就要求敷料具有一定的柔软性、液体吸收性、透气透湿性和适宜的扩散性等性能。 因此本文对复合功能性伤口敷料的基本物理和化学性能进行了测试。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料如表1 所示

表1 实验材料

实验仪器设备：精密电子天平、磁力搅拌器、静电纺丝机、Phenom ProX 台式扫描电子显微镜(复纳科学仪器，上海有限公司)、HTS-RRD1000 柔软度测试仪(东莞市中野精科仪器有限公司)、YG461E 数字式透气量仪、YS02A 型八篮恒温烘箱、PSM165 孔径测试仪。

1.2 实验过程

1.2.1 汉麻基水刺非织造布的制备

图1 汉麻基水刺非织造布

设计面密度为50 g/m2，采用不同混合比例的汉麻/粘胶纤维60/40 进行梳理成网，水刺加工如图1。 测试不同混纺比水刺非织造布的基本物理机械性能、透湿性能。 选择混纺比60/40 的汉麻/粘胶水刺非织造布，表面形貌分析、结构分析、孔径分布分析、保水性能分析。 从而得到敷料所需要的厚度适中，具有较好柔软性、透气性、透湿性和保水性等物理性能的汉麻基水刺非织造布[16]。

1.2.2 再生SF 纳米纤维膜

根据已发表的论文[17-18]对茧丝进行脱胶。 常温下将氯化钙(CaCl2)(纯度99%)溶解在甲酸(FA)(纯度98%)溶液中，用搅拌器机械搅拌3 h配置浓度为4% (w/v) FA-CaCl2溶液。 然后，将脱胶的茧丝溶解在FA-CaCl2溶液中， 搅拌4 h 得到SF 纺丝液。 用透析袋透析该SF 纺丝液3 天，把处理后的纺丝液倒入培养皿中，室温下自然干燥成膜。 将SF 膜与FA 再次混合，形成最终的再生SF溶液(其中SF 质量分数5%(w/v))。 在室温下使用相同的注射器吸收纺丝液，在不同的条件下进行静电纺丝，并对制得的再生SF 纳米纤维膜用体积分数75 %的酒精溶液进行后处理30min，自然晾干如图2。

图2 静电纺丝SF 纺丝溶液的制备

1.2.3 纤维素基水凝胶

将纳米纤维素粉末(CEL)分散在去离子水中，制备CEL 溶液(固含量88%)，搅拌5 分钟，然后将冰箱温度设置为-20℃，低温保存CEL 溶液后，将其转移到室内环境中，进行机械搅拌一段时间直到获得半透明的CEL 溶液。 将比例为6wt%氢氧化钠/4wt%尿素/90wt%去离子水(NaOH/urea/H2O)溶液混合并搅拌5 分钟。 将羧甲基纤维素粉末(CMC)以CMC /CEL 8 ∶2(w / w)的比例混合在CEL 溶液中，编码为CCE82。 将混合溶液在室温下搅拌处理，混合均匀，得到半透明混合物。 将交联剂环氧氯丙烷(ECH)加入混合物中，在室温下搅拌6 小时。 将其移动到室温环境中，2h 后得到水凝胶。 在该实验中，形成纤维素基水凝胶[19]如图3。

图3 纤维素基水凝胶的制备流程图

1.2.4 汉麻基纤维素水凝胶复合功能性伤口敷料研究构思

该伤口敷料设计为三层结构，分为保护层、接触面层、水凝胶涂层。 其中，保护层为利用水刺加工技术制备的汉麻基非织造布，设计克重为50g/m2；接触面层是利用静电纺丝纺制的SF 纳米纤维膜，SF 纳米纤维均匀铺在水刺非织造布上，成纤性较好。 然后将超吸水性、自愈性的水凝胶涂在SF纳米纤维膜与非织造布复合功能性伤口敷料基底布上形成最终的功能性伤口敷料，具有保湿性、防菌性、防止液体扩散性、吸水性、自我愈合性等的多重功能。

功能性伤口敷料研究构思如图4：(I)将水凝胶涂覆到复合功能性伤口敷料基底布上； (II)将水凝胶涂覆的复合功能性伤口敷料施用于患者的皮肤； (III)显示复合功能性伤口敷料如何应用于皮肤上。

图4 具有双重功能的水凝胶功能化织物示意图

2 性能测试与表征

2.1 扫描电镜成像(SEM)再生丝素蛋白纳米纤维

2.2 面密度

按照国家标准FZ/T60003-1991，采用圆盘取样机在非织造布表面不同的10 个位置上，选取S=0.01m2的样品。 称重，利用计算公式，求出克重，以及平均值和均方差。 厚度：测量时要保证样品平放，避免冲击，使用相同的压力，设置相同的作用时间。

2.3 刚柔性

测试样品的刚柔性，用经纬方向的柔软度进行表征。 选择大小为100 mm×100 mm，取平均数值记录数据。

2.4 透气率

按照标准：DIN53.887(200Pa，S=20cm2非织造布)；按照要求使用YG461E 数字式透气量仪。

2.5 透湿性分析

吸湿性能按照国家标准Gt3/T9995.1997 测试，采用YS02A 型八篮恒温烘箱测定纤维的回潮率。

式中： ΔW 为失重，单位g； S 为透湿面积，单位mm2； H 为2 次称量的时间间隔，单位h。

3 结果与讨论

3.1 外观形态分析

本课题研究制备了汉麻基纤维素水凝胶复合功能性伤口敷料，该伤口敷料设计为三层结构如图5 所示，分为保护层、接触面层、水凝胶涂层。

图5 具有双重功能的水凝胶功能化织物结构组成图

功能性敷料上层(a)利用水刺加工技术制备的非织造布，沿纤维网运动方向较为均匀排布。 中层(b)静电纺丝法制备SF 纳米纤维膜，基于CaCl2-FA 溶解体系下制备的丝素溶液具有良好可纺性，纳米级纤维直径200nm 左右，成纤性好，排布在非织造布上，形成孔径不同的结构。 将纤维素基水凝胶涂覆于基底布上的功能性敷料的横截面如图(c)三层结构。

3.2 面密度和厚度

样品中的原料含量决定了宏观构造，从而影响敷料的市场价格。 样品的面密度、厚度与复合功能性伤口敷料的许多性能密切相关，如吸液性能，透气性和透湿性等，本文对样品按照标准测试如表2。

图6 功能性敷料的组成部分宏观图和电镜图(a)非织造布(b)SF 纳米纤维膜(c)功能性敷料

表2 功能性伤口敷料的组成与面密度、厚度

3.3 刚柔性

利用样品弯曲刚度来说明其柔软性。 在弯曲刚度上，与纵向相比，横向纤维在自身重力作用下，更容易发生变形如图7。 分析其原因可能是因为由于高取向度的纤维沿着样品长度方向，承受更多的弯曲应力，非织造布纵向的弯曲刚度总比横向大。 水能作用下，破坏纤维结构之间的相互作用，不易缠结。 麻纤维加入量越多，非织造布柔软性越好。 粘胶纤维加入后，因其良好的卷曲性能，有利于麻纤维和粘胶纤维相互缠结，使水刺非织造布柔软度逐渐增强即弯曲刚度增大。 SF 纳米纤维膜，由于酒精的处理，构象改变，但对非织造布柔软性影响不大。

图7 样品的柔软度分析

3.4 液体吸收性和扩散性

伤口敷料所吸收的液体量与纤维自身的性能、非织造布的厚度、面密度和组成相关[20]。 纤维的液体吸收性能随着亲水基团的增加而增强。 纤维之间的排布越密集，液体越不利于储存在非织造布的间隙中。 梳理后的纤网排列比较疏松，有较大的空隙吸收更多的液体，这是因为粘胶纤维大分子存在许多亲水性基团，大量微孔排布在纤维表面，使得随着粘胶纤维含量的增大，非织造布具有良好的液体吸收性。 SF 纤维大分子存在许多亲水性基团，增加吸湿性和液体吸收性。 普通敷料应用于伤口上，能立即吸收液体且扩散，粘连皮肤，造成对皮肤的二次伤害，使伤口污染，影响恢复[21]。 SF 纳米纤维膜[22-23]能有效阻止液体扩散，易于无痛揭除，可以使伤口处于良好的湿润环境。 纳米纤维膜孔径增加了比表面积和表面能，可以有效地防止异物和细菌。 在实际应用中具有更好的保湿性能，加快伤口恢复。

如图8(a)复合功能性伤口敷料基底布样品液体吸收率可达1000%。 图(b)把1 滴红色液体滴到非织造布样品1 和复合功能性伤口敷料基底布样品2 上，观察发现液体以水珠状态可较长时间呈现在样品2 表面上，液体迅速扩散且被吸收。 实验中的试样1 与试样2 呈现出不同现象，原因是基底布上的SF 纳米纤维膜是由直径较小、表面光滑且均匀的纤维组成。 关于功能性伤口敷料渗透性的探索， (c) 样品1、2、3 是三种不同的水刺非织造布宏观图，其中样品3 是本文研究的丝素蛋白纤维纳米膜与非织造布复合功能性敷料基底布。 将水凝胶涂覆在样品上，发现样品1、2 均渗透，样品3未渗透，既能保证水凝胶作用于皮肤表面，又能起到隔绝细菌的作用。

图8 (a)液体吸收性(b)液体扩散性(样品1 液体浸润被吸收，样品2 液珠状)(c)关于功能性伤口敷料渗透性的探索

3.5 透气性、透湿性

透气性体现了非织造布里空隙的含量和舒适程度，新型的伤口敷料不但具有较好的液体吸收性、防止液体扩散性，能阻隔细菌和其他异物进入损害伤口。 由表3 中数据可以看出最小孔径平均4.646μm，最大孔径平均15.87μm，平均孔径大约5.004μm，平 均 孔 隙 率 65.5%， 平 均 透 气 性11.3 mm.s-1。

采用透湿性大小来表征样品的透气性。 如图9： SF 纳米纤维膜的透湿性为438.463±31.56g/m2·h-1，汉麻/粘胶纤维混合非织造布透湿性为196.84±27.14g/m2·h-1，SF 纳米纤维膜与非织造布复合功能性伤口敷料基底布的透湿性284.201±27.39g/m2·h-1。 因为非织造布纤维的溶胀性能，纤维吸收水份，体积变大，依赖孔隙扩散传导水份的效果变弱。 其纤维之间取向度减小，使水汽扩散蒸发，再加上SF 纳米纤维膜具有良好的透湿性，所以基底布样品的透湿性能比水刺非织造布增强。

表3 复合功能性伤口敷料基底布的孔径、孔隙率及透气性数据表

图9 样品的透湿性

4 结论

现代敷料已经逐步发展为不仅可以覆盖皮肤表面，而且可以促进伤口组织愈合及再功能化。 本课题研究制备了汉麻基纤维素水凝胶复合功能性伤口敷料，该伤口敷料设计为三层结构，分为保护层、接触面层、水凝胶涂层。 保护层为汉麻基水刺非织造布，接触面层是利用静电纺丝纺制的SF 纳米纤维膜。 然后将超吸水性、自愈性的水凝胶涂在SF 纳米纤维膜与非织造布复合功能性伤口敷料基底布上形成最终的功能性伤口敷料。 功能性伤口敷料的克重51.62g/m2，厚度1.181mm，透湿性284.201±27.39g/m2·h-1，在弯曲刚度上，与纵向相比，横向纤维在自身重力作用下，更容易发生变形，具有良好的柔软性。 复合功能性伤口敷料基底布样品液体吸收率可达1000%，有效防止液体扩散。 关于功能性伤口敷料渗透性的探索，水凝胶涂覆，发现样品未渗透，既能保证水凝胶作用于皮肤表面，又能起到隔绝细菌的作用。 最小孔径平均4.646μm，最大孔径平均15.87μm，平均孔径大约5.004μm，平 均 孔 隙 率 65.5%， 平 均 透 气 性11.3 mm.s-1，透气性良好。 SF 纳米纤维膜与非织造布复合功能性伤口敷料基底布的透湿性284.201±27.39g/m2·h-1透湿性良好。