1. 研究背景及意义
医用敷料作为临床创伤中使用的材料，对伤口护理至关重要。理想的医用敷料不仅可以保护伤口免受细菌感染，防止进一步感染，还可以增强细胞的附着、迁移和增殖。此外，它为伤口提供了湿润的环境，易于去除而不会造成二次损伤 [1] [2] [3] 。制备伤口敷料的技术有很多研究 [4] ，其中静电纺丝是一种最简单有效且使用最多的方法。静电纺丝是一种非常有前景的生产伤口敷料的技术，因为静电纺丝纳米纤维的比表面积大，孔隙率高，并且允许生物活性物质在纤维中原位结合并进一步释放到体内 [2] [5] 。静电纺丝方法主要有单轴 [6] 、同轴 [7] 、共轭和核壳 [8] 等。
目前利用静电纺丝技术在生物医药领域的应用主要有二维纤维膜伤口敷料和三维仿生支架。二维纤维膜伤口敷料目前已经取得一定进展，如Phachamud和Phiriyawirut等 [9] 优化电纺参数制备聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜，得益于纤维直径分布均匀、孔隙率高等特点，PVA膜的透气性与机械性能均满足伤口敷料的要求。徐宏宇等 [10] 制备聚乳酸–羟乙基酸(PLGA)与聚乙烯亚胺(PEI)同轴电纺纤维膜，同时兼顾了PLGA良好的机械性能和PEI的吸水性，获得了透气性与保水性均佳的纤维膜。
碳酸聚丙烯(PPC)是一种由环氧丙烷和二氧化碳合成的可生物降解高分子材料。作为一种双向环保材料，具有原料范围广、环境友好、生物相容性好等优点，在医用材料中具有广阔的应用前景 [11] [12] 。但也存在热稳定性差的缺点 [13] [14] 。而醋酸纤维素(Cellulose acetate, CA)的热稳定性很高且具有生物相容性好、无毒、价格低、产量高、韧性好、热塑性好等特点 [15] 。在静电纺丝中常被用作纤维素的替代材料。2005年的一项研究表明，醋酸纤维素的年产量超过15亿英镑，这证明了醋酸纤维素早已普及 [16] 。
因此，本研究选择性能优异的CA纤维与PPC纤维进行复合，通过共轭静电纺丝法制备PPC/CA复合纳米纤维膜，提高PPC纤维膜的热稳定性。由于磺胺嘧啶银(SS)作为磺胺类局部抗生素，常用于治疗铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌感染的皮肤烧伤和创面，我们选择在PPC组分中加入磺胺嘧啶银(SS)来增强复合纤维膜的抗菌性能。最后，我们制备了具有优异抗菌性能和良好亲水性的可生物降解的PPC (SS)/CA复合纤维膜。在医用敷料领域具有潜在的应用前景。
2. 实验部分
2.1. 材料
聚碳酸丙烯酯(PPC:Mw = 6.9 * 104 g∙mol−1)购自中国科学院长春应用化学研究所。醋酸纤维素(CA:Mw = 7.27 * 104 g∙mol−1)由Sigma-Aldrich提供。丙酮(AR)和N,N-二甲基乙酰胺(C3H7NO, DMAc, 99.8%)购自中国北京化工有限公司。氯化钠(NaCl，生物技术级)，牛肉膏(BR)，琼脂粉(BR)，蛋白胨(BR)和氢氧化钠(97%，片状)均购自上海麦克林生化科技有限公司。金黄色葡萄球菌(CMCC(B)26003)购自上海鲁微科技有限公司，所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。
2.2. 制备方法
PPC/CA复合纤维膜的制备
首先，将PPC溶解在CH2Cl2中制备了10 wt%的PPC溶液，将CA溶解在丙酮/DMAc (V/V = 3:1)溶剂体系中，在磁力搅拌下制备了15 wt%的CA溶液。然后，利用静电纺丝集成装置(SS-3656H，北京永康乐业科技发展有限公司)，采用共轭静电纺丝法制备PPC/CA复合纤维膜，如图1所示。通过初步正交实验确定了两种聚合物的最佳纺丝工艺，具体工艺参数如表1所示。静电纺丝过程中，将聚合物溶液分别转移到装有内径0.51 mm和0.60 mm的针头的刻度玻璃注射器(5 mL)中，并放置在系统的输液泵中。在静电纺丝过程中，将聚合物溶液转移到5 mL塑料注射器中，接收装置为滚筒接收器。纺丝温度25 ± 1.5℃，相对湿度45% ± 5%。纤维膜在25℃下真空干燥24 h，用于进一步分析。
Figure 1. Schematic diagram of conjugated electrospinning method for preparing composite fiber membranes
图1. 共轭静电纺丝法制备复合纤维膜示意图
Table 1. The optimal spinning parameters for PPC and CA fiber membranes
表1. PPC和CA纤维膜的最佳纺丝参数
2.3. 性能表征
2.3.1. 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)-ATR
采用衰减全反射(ATR)模块(Bruker V ertex70，德国)的FTIR光谱分析了PPC、CA和三种亲水性纤维素的掺入情况。分析在室温(T = 25˚C)下进行，范围从4000到400 cm−1，对每个样品进行16次扫描(分辨率为4 cm−1)。得到的结果被归一化，以确保结果之间的准确比较。所获得的数据也减去了基线。
2.3.2. 热重分析(TGA)
纤维的热稳定性采用热重分析仪(TA Instruments Q50, USA)测定。所有样品(平均质量为2.500 mg)置于陶瓷坩埚中，在氮气(N2)下(流量为60 mL∙min−1)，加热速率为10℃∙min−1 (温度范围：50℃至600℃)。
2.3.3. 扫描电子显微镜(SEM)
通过扫描电子显微镜(SEM)分析了纤维的形貌、均匀性和直径，使用配备的二次电子检测器(赛默飞世尔Apreo S，赛默飞世尔科技)。使用Denton Vacuum (Desk V) 110 V金属化器对样品进行金金属化(厚度~5 nm)，SEM图像用于确定纤维粗细以及是否均匀。
2.3.4. X射线衍射(XRD)
通过X射线衍射法对样品晶体结构和结晶度进行研究，使用具有2θ角衍射的布鲁克衍射仪，范围为7˚至60˚ (λ的CuKα辐射 = 1.5406 Å；石墨单色器)。
2.3.5. 抗菌测试
1) 培养基制作方法
营养肉汤培养基：称取10 g蛋白胨、5 g牛肉膏和5 g氯化钠溶解于1 L去离子水中，调节pH至7.2~7.4，将营养肉汤培养基在121℃、0.1 MPa下灭菌20 min。
营养琼脂培养基：称取10 g蛋白胨、5 g牛肉膏、5 g氯化钠和15 g琼脂粉溶解于1 L去离子水中，调节pH至7.2~7.4，将混合溶液煮沸至溶液澄清透明使琼脂粉完全溶解，将营养肉汤培养基在121℃、0.1 MPa下灭菌20 min。
2) 菌种活化及传代
菌种活化：将购买的第二代菌种在室温下放置30 min。在超净台上，用接种环从斜面培养基中挑取一点菌落移入装有100 mL营养肉汤培养基的锥形瓶中，用无菌铝箔纸封口摇匀，在37℃的摇床中活化24 h。
菌种传代：在超净台上，将加热融化后的营养琼脂培养基倒入培养皿中待冷却凝固。用接种环从活化后的营养肉汤培养基中接取一环菌悬液采用划线法在营养琼脂培养基上将菌悬液均匀涂开，放入37℃恒温培养箱中培养24 h。
3) 菌种浓度测量及稀释
菌悬液浓度测量：先将酶标仪打开预热30 min，将活化后的菌悬液通过混匀仪混匀，然后在超净台上使用100 μl移液枪将菌悬液移入96孔板中的A1、A2和A3中，将空白营养肉汤培养基移入96孔板中的B1、B2和B3中，将96孔板放入酶标仪中并在600 nm波长下测量吸光度，当菌悬液吸光度与空白培养基吸光度之差为0.1~0.2之间时菌悬液浓度为108 CUF/mL。
菌悬液稀释：如活化后菌悬液浓度过高则用PBS缓冲液稀释至108 CUF/mL。采用梯度稀释法稀释菌悬液，将测量稀释后浓度为108 CUF/mL的菌悬液通过混匀仪振荡均匀，在超净台上用移液枪移取1 mL浓度为108 CUF/mL菌悬液于9 mL的PBS缓冲液中，此浓度为107 CUF/mL的菌悬液，依次类推进行稀释获得所需浓度的菌悬液。
4) 振荡接触法操作流程
振荡接触法：根据菌悬液稀释方法，配制浓度为106 CUF/mL的金黄色葡萄球菌菌悬液70 mL放入0.75 g样品在37℃恒温摇床培养18~24 h。
对培养后的锥形瓶进行稀释，稀释三次作为103 CUF/mL的稀释悬菌液，再稀释一次得到102的稀释悬菌液，然后分别移取100 μL的102和103稀释液于培养基表面进行均匀涂布，倒置于37℃恒温培养箱中培养24 h，培养结束后观察实验结果，记录单菌落的数量。
3. 结果与讨论
3.1. 物理化学表征
复合纤维膜的FTIR分析
图2是PPC纤维膜、CA纤维膜和PPC/CA复合纤维膜的红外光谱图，由PPC纤维膜的红外光谱可见1735 cm−1处为羰基(C = O)的伸缩振动吸收峰，1220 cm−1处为碳氧单键(C-O)的不对称伸缩振动吸收峰，1060 cm−1处为碳氧单键(C-O)的对称伸缩振动吸收峰。CA纤维膜的红外光谱图，3476 cm−1处为-OH的伸缩振动峰，1736 cm−1处是羰基(C = O)的伸缩振动吸收峰；1218 cm−1处是碳氧单键(C-O)的不对称伸缩振动吸收峰；1036 cm−1是碳氧单键(C-O)的对称伸缩振动吸收峰；在898 cm−1和765 cm−1处出现了C-H的弯曲振动吸收峰。而PPC/CA复合纤维膜中PPC和CA的各个特征吸收峰均存在，只有部分峰值向低频偏移，如羰基(C = O)的伸缩振动吸收峰由1735 cm−1处偏移至1739 cm−1；这可能是由于共轭静电纺丝法制备的PPC/CA复合纤维膜中PPC和CA分子间形成了分子间氢键，而两种不同大分子之间形成的氢键比同一聚合物的分子之间形成更强。
Figure 2. Infrared spectra of PPC fiber membrane, CA fiber membrane, and PPC/CA composite fiber membrane
图2. PPC纤维膜、CA纤维膜和PPC/CA复合纤维膜的红外光谱
3.2. 复合纤维膜的热性能分析
通过前期对PPC纤维膜和CA纤维膜的热性能进行分析，得到PPC纤维膜(浓度为10 wt%)的最大热分解温度为226.2℃；CA纤维膜(浓度15 wt%)的最大热分解温度为346.9℃；图3为PPC/CA复合纤维膜的热失重曲线，可以看出复合纤维膜有两个最大热分解温度为280.39℃和344.30℃，分别对应复合纤维膜中的两种组分PPC和CA，说明共轭静电纺丝法制备的PPC/CA复合纤维膜两个组分的最大热分解温度均得到了提高。这是由于两种聚合物在共轭静电纺丝过程中形成了分子间氢键，从而增加了各组分的热稳定性。
图4是PPC纤维膜、CA纤维膜和PPC/CA的三元复合纤维膜的DTG曲线。由于两种纤维素之间也能通过羟基生成氢键，不仅使复合膜混合更均匀，也提高了PPC最大失重峰温度。
Figure 3. TG curves of PPC fiber membrane, CA fiber membrane, and PPC/CA
图3. PPC纤维膜、CA纤维膜和PPC/CA的TG曲线
Figure 4. DTG curves of PPC fiber membrane, CA fiber membrane, and PPC/CA
图4. PPC纤维膜、CA纤维膜和PPC/CA的DTG曲线
3.3. 扫描电镜测试
复合纤维膜的微观形貌通过SEM表征，图5是PPC/CA三元复合纤维膜放大倍数为12000倍的样品扫描电镜图。
Figure 5. SEM images of PPC fiber membrane, CA fiber membrane, and PPC/CA composite fiber membrane
图5. PPC纤维膜，CA纤维膜，PPC/CA复合纤维膜的SEM照片
从图片中可以看出，整体纤维粗细均匀，PPC纤维与CA纤维均匀交织在一起，从而提升复合纤维膜的热稳定性。
3.4. X射线衍射
还通过XRD分析对相互作用进行了评估。图6显示了获得的结果。观察到的峰值SS衍射图中的2q ≈ 10.2˚证实了其结晶性质。因此，它在溶液中的结合(在生产纤维之前)会产生核，有利于结晶过程，从而提高材料的结晶度。在这种情况下，SS的浓度越高，纤维中形成的细胞核就越多。
Figure 6. XRD diffraction of PPC/CA fiber membrane and SS
图6. PPC/CA纤维膜与SS的XRD射线衍射
3.5. 复合纤维膜的抑菌性分析
医用敷料与伤口接触时，如果敷料具有抗菌性能，则渗出液中的细菌能被杀死，因此抑菌性能是医用敷料的重要指标。图7是通过对PPC(SS)/CA复合纤维膜进行振荡接触法测试抗菌性的结果。可以观察到装有PPC(SS)/CA复合纤维膜的悬菌液几乎观察不到菌落存在。通过分析软件Image-j分别对空白悬菌液涂布琼脂平板和放有PPC(SS)/CA复合纤维膜悬菌液涂布的琼脂平板进行分析得出PPC(SS)/CA复合纤维膜对金葡萄球菌的抑菌率为99%。因此该复合纤维膜对金葡萄球菌有良好的抑菌效果，具备应用于医用敷料的必要条件。
Figure 7. Figure of antibacterial results using oscillating contact method
图7. 振荡接触法抗菌结果图
4. 结论
综上所述，在本研究中将CA纤维与PPC纤维进行复合，在PPC组分中加入磺胺嘧啶银(SS)后通过共轭静电纺丝法制备PPC(SS)/CA复合纳米纤维膜，提高PPC纤维膜的热稳定性和抗菌性能。最后通过表征、热稳定性和抗菌性能测试。得到了外表薄厚均匀、最大可承受344℃高温，且对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到99%的耐热抗菌纤维膜。该纤维膜所具备的优异性能令其在伤口敷料领域的应用具有广阔前景。
NOTES
*通讯作者。