羧甲基壳聚糖_聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的制备与表征.pdf

印染（2024 No.2）羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的制备与表征王罗兰，张小丽，张飞燕，姚理荣()南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019摘要：将具有抗菌消炎作用的中药油加入到质量分数为5%的羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯（CMCS/PEO）纺丝溶液中，采用静电纺丝技术制备CMCS/PEO纳米纤维载药敷料，并对其形貌与性能进行表征与测试。结果表明：由于中药油的掺杂，CMCS/PEO纳米纤维的直径变粗，孔径变大，40%载药量的纳米纤维敷料的纤维平均直径为278 nm；对大肠埃希菌和耐药金黄葡萄球菌的抑菌率分别为98%和97%；经过载药敷料处理的小鼠伤口在第12天的愈合率达到98%。关键词：羧甲基壳聚糖；聚环氧乙烯；纳米纤维；医用敷料中图分类号：TS106.67；R318.08文献标志码：BDOI：10.3969/j.yinran.202402005Preparation of carboxymethyl chitosan/polyethylene oxidenanofiber loaded dressingsWANG Luolan,ZHANG Xiaoli,ZHANG Feiyan,YAO Lirong()College of Textile and Clothing,Nantong University,Nantong 226019,ChinaAbstract:Traditional Chinese medicine oils with antibacterial and anti-inflammatory effects are added to 5%ofcarboxymethyl chitosan/polyepoxyethylene CMCS/PEO)spinning solution,and the CMCS/PEO nanofiber drug-loaded dressings are prepared by electrospinning technology.The morphology and properties of CMCS/PEOnanofiber drug-loaded dressings are studied.The results show that the diameter of CMCS/PEO nanofibers becomes thicker and the pore size becomes larger due to the doping of traditional Chinese medicine oil,the average fiber diameter of the 40%drug-loaded nanofiber dressing is 278 nm,the antibacterial rates againstEscherichia coliandStaphylococcus aureusare 98%and 97%,respectively,and the condensation rate of the woundsof mice treated with drug-loaded dressings reaches 98%on the 12th day.Key words:carboxymethyl chitosan;polyethylene oxide;nanofibers;medical dressings皮肤是人体的第一道屏障，是人体最大的器官。皮肤受到创伤、烧伤、手术、慢性疾病等破坏后，细菌通过创面进入人体，进而引发炎症和感染。为保证伤口愈合环境安全卫生，伤口敷料应运而生并快速发展。伤口敷料是一种无毒无害的创面覆盖物，隔绝外界微生物的同时可与外界进行气体与水分交换，并吸收伤口渗出物1。目前，伤口敷料除传统的绷带、纱布外，已制备出水凝胶、水胶体、海藻酸盐、合成泡沫敷料、硅胶网、组织黏合剂、蒸汽渗透黏合剂薄膜和含银/胶原蛋白敷料等。静电纺丝所制成的纳米纤维材料仿生天然的细胞外基质，有利于细胞的黏附和生长，可有效提高创伤愈合速度和质量2。静电纺纳米敷料具有孔径大的特点，既有较好的透气透湿性能，又能够防止细菌污染，减少被感染的风险，因此在伤口修复领域受到广泛的关注3。常用的纳米纤维敷料分为合成聚合物和天然聚合物。合成聚合物敷料包括聚乳酸、聚氯乙烯和聚乙烯醇；天然聚合物包括壳聚糖、纤维素、明胶、丝素以及胶原蛋白等4。其中，壳聚糖具有良好的生物相容性、降解性及抗菌性，被广泛用于生物医学领域5。有研究表明，在壳聚糖敷料纺丝液中添加天然抗菌剂，如蜂蜜、荆芥6和柠檬醛7等，可大幅提高敷料的抗菌性能。为了防止细菌感染而影响伤口恢复，应提高敷料的抗菌和促进伤口愈合的性能。抗生素（如阿莫西林8、环丙沙星9等）作为抗菌剂常被用于敷料中，但过多使用抗生素会增加耐药菌的产生。因此，人们开始研究抗耐药菌的抗菌剂，如抗菌肽10、银离子11以及天然植物提取物12等，可有效缓解耐药菌滋生的问题。由于从植物中提取的有效成分具有良好的抗菌效果且能够减少耐药菌的生长，因此本文将本草纲目中具有抗菌消炎、促进伤口愈合的中草药有效成分进行提取，制成中药油，适量添加到羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维静电纺丝液中，制备羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料，并进行相关性能的测试。1试验部分1.1材料与仪器材料羧甲基壳聚糖（CMCS）、聚环氧乙烯（PEO，收稿日期：2023-11-25；修回日期：2024-01-16作者简介：王罗兰（2000），女，在读硕士研究生，研究方向为功能性纳米材料。通信作者：张小丽（1982），女，副教授，博士研究生，主要研究方向为功能性助剂合成及功能性纺织品研制。E-mail：。36羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的制备与表征印染（2024 No.2）均为上海麦克林生化科技有限公司），中药油（超临界二氧化碳萃取设备自制，此工作在江苏碧玉洁生物科技有限公司完成），大肠埃希菌、耐药金黄葡萄球菌（北京保藏生物科技有限公司），营养琼脂、营养肉汤、磷酸盐缓冲液（PBS，均为上海博微生物科技有限公司），异氟烷（河北金达福药业有限公司），医用无敏透气胶布（江苏弘生生物工程有限公司）仪器DDS-307A型数显电导率仪（上海仪电科学仪器有限股份公司），SNB-1型数字黏度计（上海菁海仪器有限公司），Gemini SEM 300 型场发射扫描电镜（德国CARL ZEISS公司），Nicolet iS 50型红外光谱仪（美国THERMO公司），STA 449 F5型同步热分析仪（德国NETZSCH公司），SDC-50型水接触角测量仪（东莞市晟顶精密仪器有限公司），XJ 810型拉伸测试仪（上海湘杰仪器仪表科技有限公司），LDZX-75L型立式高压灭菌锅（上海申安医疗器械厂），THZ-82B型气浴恒温振荡器（常州市国旺仪器制造有限公司），SW-CJ-1FD型净化工作台（浙江孚夏医疗科技有限公司），DNP型电热恒温培养箱（上海精宏实验设备有限公司）1.2载药羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维膜的制备纺丝液的制备将质量比为6 4的CSCM/PEO溶解于去离子水中，配制成质量分数为5%的纺丝液，在50 恒温条件下搅拌至完全溶解，然后添加相对于纺丝液中聚合物质量10%、20%、40%的中药油，并使其分散得到稳定的纺丝液。载药CMCS/PEO纳米纤维敷料的制备将制备好的纺丝液灌注进5 mL的针筒，在静电纺丝机上纺丝。纺丝工艺参数为电压18 kV、推进速率0.5 mL/h、接收距离25 cm、接收辊转速120 r/min、相对湿度（402）%，在室温下纺丝。纺丝完成后，将制备好的CMCS/PEO纳米纤维载药敷料放置室内晾干备用。1.3纺丝液物理性质测试分别使用DDS-307A型数显电导率仪和SNB-1型数字黏度计测试不同中药油掺杂量对纺丝液电导率和黏度性能的影响。1.4CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的性能表征1.4.1形貌表征采用 Gemini SEM 300 型场发射扫描电镜观察CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的微观形貌特征。1.4.2红外谱图分析采用Nicolet iS 50型红外光谱仪对CMCS/PEO纳米纤维载药敷料进行化学结构分析（扫描范围为4 000500 cm-1）。1.4.3热分析采用STA 449 F5型同步热分析仪在氮气环境下对各样品进行热稳定性测试。1.4.4亲水性采用SDC-50型水接触角测量仪测量CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的水接触角。使用悬浮液滴法，注入3 L液态水，当水滴达到平衡状态时为接触角。1.4.5机械性能将样品裁成60 mm10 mm，利用XJ 810型拉伸测试仪测量各样品的力学性能，夹距为30 mm。1.4.6抗菌性能选用大肠埃希菌和耐药金黄葡萄球菌，取0.1 g样品，采用稀释法（细菌计数）测定抗菌性能。将灭菌后的样品浸泡在3 mL菌液中，在37 恒温振荡箱中振荡培养1824 h，然后将菌液稀释不同倍数后滴加在琼脂培养基表面，37 恒温培养24 h，观察细菌生长情况。1.4.7伤口愈合性能采用小鼠模型评估敷料的愈合效果。雄性小鼠使用异氟烷麻醉，使用无菌打孔器在小鼠背部形成直径为6 mm的伤口，然后用中药油和CMCS/PEO纳米纤维载药敷料进行处理，在第3、6、9、12天后，对伤口摄像并计算伤口面积。根据第一次手术时切开的伤口面积S0和进行活检时的伤口面积St来计算伤口愈合率。伤口愈合率=（S0-St）/S0100%（1）2结果与讨论2.1微观形貌分析按照1.2节工艺，对分别添加质量分数10%、20%、40%（相对于纺丝液中聚合物质量）中药油的 CMCS/PEO纳米纤维载药敷料进行形貌观察，并测量不同载药量的纤维直径得到直径分布图，如图1和图2所示。D E9HE E9HF E9HG E9HDEGF图1不同载药量CMCS/PEO纳米纤维载药敷料扫描电镜图（20 000倍）Fig.1SEM images of CMCS/PEO nanofiber dressings with different drug loadings37印染（2024 No.2）N-QP-QP（a）载药量0%N-QP-QP（b）载药量10%N-QP-QP（c）载药量20%N-QP-QP（d）载药量40%图2不同载药量CMCS/PEO纳米纤维载药敷料纤维直径分布Fig.2Fiber diameter distribution of CMCS/PEO nanofiber dressings with different drug loadings由图1可知：未掺杂中药油的纳米纤维表面光滑，粗细均匀，纤维之间没有连接；掺杂有中药油的纤维表面粗糙，纤维直径不均匀，纤维之间有黏连，且分叉不完全。由图2可知，随着中药油掺入量的增加，敷料纤维平均直径由原来的170 nm增大为278 nm。这可能是因为纤维表面附着有中药油，使其表面变得粗糙，且纤维表面由于中药油的掺杂增大了分子间作用力，增加了纤维之间的黏连。纺丝液的黏度和电导率也会直接影响纤维直径，因此，对不同载药量的羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纺丝液的黏度以及电导率进行测试，结果如图3所示。E9HU P3DgV+)PVgFPU+)图3不同载药量羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纺丝液的黏度以及电导率Fig.3Viscosity and conductivity of CMCS/PEO spinning solutions with different drug loadings由图3可知，随着纺丝液中中药油掺入量的增加，纺丝液的黏度随之增加，电导率有所下降。这是由于添加了中药油后，纺丝液中的分子作用力变大，从而增大了其黏度。由于油脂属于非导电物质，电导率极低，因此纺丝液电导率有所下降。纺丝液黏度增大会导致其表面张力增加，从而减少纤维的分裂，抑制电场力对纤维的牵伸细化，导致纤维直径变粗。2.2红外光谱分析利用红外光谱分析CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的化学结构，结果如图4所示。#FPD&0&63(242457E9F&0&63(24245E9图4CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的红外光谱图Fig.4Infrared spectra of CMCS/PEO drug-loaded dressings从图 4 可知，3 300 cm-1、2 800 cm-1、1 580 cm-1、38羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的制备与表征印染（2024 No.2）1 100 cm-1处为CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的主要吸收峰，分别对应羧甲基壳聚糖中氨基和羟基的伸缩振动峰、CH伸缩振动峰、NH弯曲振动峰，以及聚环氧乙烯中的CO伸缩振动峰。中药油的主要成分中含有长链烷烃和羧酸，因此在2 800 cm-1处出现多个亚甲基的伸缩振动峰，在1 750 cm-1处出现羰基的伸缩振动峰。与原CMCS/PEO纳米纤维膜相比，CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的主要特征峰未发生明显的变化，而在2 800 cm-1处亚甲基峰增多，并且在1 750 cm-1处出现了羰基的伸缩振动峰，表明中药油被成功负载到纤维膜上。2.3热稳定性能分析利用STA 449 F5型同步热分析仪测试CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的热稳定性，结果如图5所示。$CH+)&0&63(2424579E9&0&63(242457图5羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的热失重分析曲线Fig.5TG curves of CMCS/PEO nanofiber drug-loaded dressings由图5 可知：中药油在100 开始快速分解，最终质量保留率为18%；羧甲基壳聚糖和聚环氧乙烯的分解温度在200 左右；CMCS/PEO纳米纤维载药敷料在30200 开始缓慢热分解，质量损失率在6%左右，主要为水和中药油的挥发，200500 质量损失主要为羧甲基壳聚糖和聚环氧乙烯热分解，最终载药敷料的质量保留率为24%。此外，在30100 温度范围，中药油质量损失速率明显低于CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的质量损失速率。这是由于纳米纤维膜中残余的水分在温度低于100 时已开始蒸发，而中药油中不含有水。在30200 温度范围，添加中药油后的CMCS/PEO纳米纤维敷料的热分解速率要低于CMCS/PEO纳米纤维膜。在400 之后，CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的质量保留明显高于纯中药油，这是由于中药油中的羧基与羧甲基壳聚糖中的氨基形成氢键，增大了分子间作用力，使其热稳定性得到显著改善。2.4亲水性能敷料接触伤口需要具有一定的吸湿性能，通过测试载药敷料的水接触角来表征敷料表面的润湿性，结果见表1。表1羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的水接触角Table 1Water contact angle of CMCS/PEO nanofiber drug-loaded dressingsw（中药油）/%水接触角/（）00102720364043由表1可知，加入中药油后，敷料的水接触角仍然小于90，表现为亲水性。这是因为纳米纤维膜本身具有孔径，水分子容易通过，并且加入中药油后纤维直径变粗，孔径增大，增加了水分子通量，因此载药敷料具有良好的吸湿性能。2.5机械性能医用敷料在使用时需要具有适当的力学性能，试验测试了CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的断裂强度、断裂伸长率以及应力应变曲线，如图6所示。03DK)E9HE9HE9HE9H图6羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料的应力-应变曲线Fig.6Stress-strain curve of CMCS/PEO nanofiber drug-loadeddressings由图6可知：未添加中药油的CMCS/PEO纳米纤维膜的断裂强度为5.01 MPa，断裂伸长率为24%；添加了中药油后的CMCS/PEO纳米纤维膜的断裂强度和断裂伸长率均增加，载药量为40%的纳米纤维载药敷料的断裂强度为7.21 MPa，断裂伸长率为33%。随着中药油掺入量的增加，纳米纤维敷料的强度随之变大，这是由于中药油增大了分子间作用力，使纤维间的连结增强，表现为纤维敷料的抗拉强度增加。但是，当中药油的质量分数超过一定值后，CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的断裂强度反而有所减小。这是由于随着中药油用量增加，纺丝液的黏度也相应增大，减少了电场力对纤维的分裂细化，导致纤维粗细不均匀，弱节增多，因此对纤维敷料的断裂强度有一定的影响。2.6抗菌性能试验测试了CMCS/PEO纳米纤维载药敷料对大肠埃希菌和耐药金黄葡萄球菌的抗菌性能，结果见图7和图8。39印染（2024 No.2）DEF（a）无中药油（b）10%中药油（c）40%中药油图7羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料对大肠埃希菌的抗菌性能Fig.7Antimicrobial properties of drug-loaded CMCS/PEO nanofiber dressings against Escherichia coliDEF（a）无中药油（b）10%中药油（c）40%中药油图8羧甲基壳聚糖/聚环氧乙烯纳米纤维载药敷料对耐药金黄葡萄菌的抗菌性能Fig.8Antimicrobial properties of drug-loaded CMCS/PEO nanofiber dressings against drug-resistant Staphylococcus aureus如图7和图8所示，40%的CMCS/PEO纳米纤维载药敷料对大肠埃希菌的抑菌率为98%，对耐药金黄葡萄球菌的抑菌率为97%。这是由于中药油的有效成分中含有辛酸，这种短碳链能够轻易进入细菌以及真菌的细胞壁，破坏细胞壁结构，使细胞死亡，从而达到抗菌效果。此外，中药油中还含有一定量的棕榈酸、硬脂酸成分，均具有抗菌作用，有利于CMCS/PEO纳米纤维载药敷料具有优异的抗菌效果。2.7伤口愈合性能评估分别对伤口使用纯中药油和CMCS/PEO纳米纤维载药敷料进行伤口愈合的评估，并与未做处理的伤口进行对照，在不同愈合时间拍摄伤口照片，如图9所示，然后计算伤口面积得到伤口愈合率，如图10所示。1111*9&0&63(24245E9图9不同处理方法的伤口在不同愈合时间的照片Fig.9Photos of wounds treated with different methods at different healing time)LG*9E9&0&63(24245图10不同处理方法的伤口愈合率Fig.10Wound healing rate by different treatment methods由图9和图10可知：在伤口处理后的第3天，经中药油或CMCS/PEO纳米纤维敷料处理的伤口愈合率明显高于未处理的；伤后第6天，直接用中药油处理的伤口愈合效果更明显；伤后第9天，经过处理的伤口愈合率更高且伤口颜色变浅；伤后第12天，伤口均趋于闭合，经中药油处理的伤口愈合率为99%，经CMCS/PEO纳米纤维载药敷料处理的伤口愈合率为98%。从整个愈合周期来看，由中药油直接处理的伤口愈合效果明显好于未做处理的伤口。这是由于中药油中含有十六碳烯酸（-7）有效成分，-7能够增加活化细胞、维持细胞结构及修护皮肤表层从而达到促进愈合的效果。伤口在刚形成时表现为湿态，因此CMCS/PEO纳米纤维载药敷料能够很好地粘附在伤口表面，并且纳米纤维本身具有良好的细胞增殖性能，帮助提高伤口的愈合速度。伤口结痂变干后，纤维膜对伤口的黏附力减弱，因此在伤后第6天，经CMCS/PEO纳米纤维载药敷料处理的伤口愈合率比纯中药油处理的低。伤口在干的状态下，纳米纤维敷料无法附着在伤口上，因此在伤后第6天使用透气医用胶布固定敷料，伤口愈合率接近于纯中药油处理的伤口愈合率，具有较好的促进伤口愈合性能。3结论（1）通过静电纺丝技术制备CMCS/PEO纳米纤维载药敷料，随着中药油添加量的增加，CMCS/PEO纳米纤维的直径变粗，纤维表面附着中药油，纤维间的粘结增多。（2）CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的水接触角小于90，保持良好的亲水性。随着中药油掺杂量的增多，CMCS/PEO纳米纤维载药敷料的抗菌性能增强，当中药油质量分数为40%时，纳米纤维敷料对大肠埃希菌的抑菌率为98%，对金黄葡萄球菌的抑菌率为97%。该敷料具有良好的润湿性、适宜的断裂伸长率和断裂强度，以及较好的促愈合性能，为功能性医用敷料的研发提供一个良好的方案。（下转第50页）40印染（2024 No.2）#KQP7L2&X2图5原棉织物和TiO2/Cu2O-Cotton的DRS谱图Fig.5DRS spectra of raw cotton fibers and TiO2/Cu2O-Cotton从图 5 可以看出，原棉织物的 DRS 谱图在 200400 nm的紫外光区域范围内仅有微弱的吸收峰，可能是由棉织物大分子链中存在少量的共轭结构引起的。TiO2/Cu2O-Cotton不仅在紫外区具有很强的吸收谱带，而且可见光谱区特别是400600 nm之间也有吸收谱带，这表明TiO2/Cu2O的引入能够显著改善棉织物的光吸收性能，不仅使其光吸收强度大幅度增加，而且使其宽度也从400 nm之前的紫外光谱区域拓宽到400600 nm的可见光区域，这为全光谱驱动超润湿表面提供了可行性方案。2.5光控润湿性转换图6为TiO2/Cu2O-Cotton表面经汞灯光照射前后与水的接触角照片。图6TiO2/Cu2O-Cotton光控润湿性转换的接触角Fig.6Contact angles of the photocontrolled wettability conversion on TiO2/Cu2O-Cottonsurface图6中，光照前，水滴在TiO2/Cu2O-Cotton表面的接触角为151.4，说明该样品表面为超疏水状态。这是因为棉织物表面负载了TiO2/Cu2O之后，其表面的粗糙度增加，具有较低的表面能。经过汞灯照射2 h后，测得水滴在其表面的接触角为3.3，变为超亲水性。这是由于织物上的TiO2/Cu2O裸露在外并被光激发，在表面形成化学吸附水，即产生亲水基团所致。以上试验结果证明，TiO2/Cu2O-Cotton的表面具备光控润湿性转换能力。3结论本研究以TiO2/Cu2O作为光驱动功能性材料，以棉织物为基底，成功制备了光控超润湿材料。SEM表征显示，TiO2/Cu2O-Cotton的表面由光滑变为粗糙；XRD图谱发现，TiO2/Cu2O-Cotton中除原棉纤维素的衍射峰外，还存在Cu2O和TiO2的衍射峰；XPS图谱证明TiO2/Cu2O-Cotton的主要成分为Ti、Cu、O和 C 元素，进一步证明TiO2/Cu2O已成功附着在棉织物表面；DRS分析表明，TiO2/Cu2O处理后的棉织物对辐射光特别是可见光的吸收性能得到改善。TiO2/Cu2O使棉织物表面变成疏水状态，通过汞灯照射后，又可转变为超亲水状态。因此，本材料显示出良好的光控润湿性转换特性。参考文献：1张松楠.超浸润材料表面的冷凝性能及其在雾水收集中的应用D.苏州：苏州大学，2023.2何影格，陈媛媛，刘维仪，等.超浸润性可逆切换的超双疏复合海绵材料的制备及油水分离应用J.复合材料学报，2021，38（3）：854-862.3ZHU Y,SHI J,HUANG Q,et al.A facile approach for TiO2-based superhydrophobic-superhydrophilic patterns by UV or solar irradiationwithout a photomaskJ.Chemical Communications,2017,53（15）：2363-2366.4MUBHARAK A,AGAMENDRAN N,YESUPATHAM M S,et al.Carbon quantum dots decorated Cu2O composite for electrochemical hydrogen evolutionJ.Materials Today：Proceedings,2023,93：45-46.5王鹏，董永春，崔桂新，等.不同纳米 TiO2负载棉织物在染料降解反应中的比较研究J.纺织学报，2015，36（11）：92-98.6高丽坤，李坚.TiO2/Cu2O膜覆木材的表面及负氧离子释放特性J.功能材料，2017，48（4）：6.7王玉龙，冯利邦，朱立虎，等.水热法制备润湿性可调控的金红石型TiO2J.兰州交通大学学报，2010，29（1）：4.参考文献：1侯超，辛斌杰，李庭晓.新型伤口敷料的性能及研究进展J.棉纺织技术，2022，50（S1）：63-69.2张翥，闫超立，谷宇杰，等.静电纺丝纳米纤维在创伤修复中的应用研究进展J.临床医学研究与实践，2023，8（20）：191-194.3杨海贞，付源，崔佳伦，等.静电纺丝法制备氧化锌复合纳米纤维的研究进展J.印染，2023，49（4）：77-83.4SINA S 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