壳聚糖_海藻酸钠聚电解质海绵及抗菌功能

第28卷 第11期
2006年11月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.28 N o.11 Nov.2006
壳聚糖/海藻酸钠聚电解质海绵及抗菌功能
樊李红1,2,赵 吉吉2,黄 进1,徐咏梅
1(1.武汉理工大学化学工程学院,武汉430070;2.开封黄河水利职业技术学院,开封475000)
摘 要: 将壳聚糖(CS)和海藻酸钠(AL )溶液混合,利用冷冻干燥的方法成功地制备出CSA L 聚电解质海绵。

利用红外光谱确认了复合海绵中的聚电解质复合行为,同时利用扫描电镜观测到引入海藻酸钠后海绵的孔径增大。

吸水性能测试结果显示该聚电解质海绵具有较高的吸水率。

引入不同的抗菌剂而表现出特异的抗菌性能,载磺胺嘧啶银的复合海绵能持续抑菌,而载聚乙烯吡咯烷酮-碘的复合海绵具有初始杀菌能力强的特点。

关键词: 壳聚糖; 海藻酸钠; 聚电解质; 海绵; 抗菌
中图分类号: O 636.1文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2006)11-0025-04
Polyelectrolyte S ponges with Antimicrobial Functions Based on
C hitosan and Sodium Alginate
FAN Li -hong 1,2,Z H AO Zhe 2,H UAN G J in 1,X U Yong -mei 1
(1.School of Chemical Eng ineering,Wuhan U niversity o f T echnolog y,Wuhan 430070,China;2.Department o f Environment
and Chemical Engineer ing ,Yellow Riv er Conser vancy T echnical Institute,K aifeng 475000,China)
Abstract: T he polyelectrolyte sponges (CSAL)were satisfacto rily prepared by freeze -drying the mixing solution of chitosan (CS)and sodium alg inate (AL ).T he po lyelectrolyte complex betw een tw o components was ident ified by infr ar ed spectroscopy ,and the introduction of AL r esulted in the incr ease of sponge aperture obser ved by scanning electron microscope (SEM ).T he re -sults of water absorpt ion tests show ed that the polyelectrolyte spo nge exhibited higher water absorpt ion ability.T he antimicro -bials were also int roduced into the complex sponge.T he sponges containing A g could continuously restrict the microbial,while those containing I ex hibited strong er abilit y of antimicrobial at t he beginning.
Key words: chitosan,; sodium alginate; polyelectrolyte; sponge; antimicrobial
收稿日期:2006-07-30.
基金项目:华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(200514);河南省自然科学基金(200512058002)和中国科学
院纤维素化学重点实验室开放基金(LCL IC -2005-172).作者简介:樊李红(1970-),男,副教授.E -mail:fanlihong 2000@
近年来,海绵在药物缓释、伤口敷料、细胞培养和组织工程等领域得到广泛的应用,利用天然的生物高分子开发生物医用海绵成为研究的热点。

壳聚糖具有良好的生物活性和生物相容性,研究表明其同样具有促进伤口愈合及止血的作用[1,2]。

海藻酸钠具有促进伤口愈合、止血的功能,在伤口处理方面的应用日益广泛[3-5]。

壳聚糖通常被制备成海绵材料,用于骨组织再生、细胞培养支架以及伤口敷料[6-10]。

但是,壳聚糖海绵常用的交联剂)戊二醛的毒性直接限制了其在生物医学方面的应用。

因此,利用壳聚糖的氨基正离子和海藻酸钠的羧酸根负离子之间的聚电解质作用,制备出新型聚电解质海绵,避免了戊二醛的使用。

此外,还引入了磺胺嘧啶银(AgSD)和聚乙烯吡咯烷酮-碘抗菌剂,利用磺胺嘧啶银对烧、烫伤创面抗绿脓杆菌、金葡萄菌感染的功能[11]和聚乙烯吡咯烷酮-碘高效、广谱、低毒、无刺激、不易挥发、水中易溶、稳定性高的优点[12]开发出新型抗菌止血海绵材料。

26武汉理工大学学报2006年11月1实验
1.1原料
壳聚糖(脱乙酰度为92%,M w为2.9@105)由浙江澳兴生物科技有限公司提供。

海藻酸钠(化学纯)购于上海化学试剂有限公司。

磺胺嘧啶银(AgSD)购于上海医药集团。

聚乙烯吡咯烷酮(PVP(K30))购于上海伯奥生物科技有限公司。

其它试剂均为分析纯,购于上海化学试剂有限公司。

1.2海绵的制备
首先将壳聚糖溶于1%的醋酸水溶液得到质量分数为2%的壳聚糖溶液,然后将其按一定比例与2%海藻酸钠溶液混合,充分搅拌得到聚电解质复合物,匀浆后倒入模具内冷冻干燥。

接着将其依次在CaCl2和NaOH溶液中浸泡后用蒸馏水洗涤,再次冷冻干燥,得到壳聚糖/海藻酸钠海绵。

根据海绵中壳聚糖与海藻酸钠的质量比(3B1,1B1,1B3)分别标记为CSAL31、CSAL11、CSAL13。

纯壳聚糖海绵的制备方法如下:将壳聚糖溶于1%的醋酸水溶液中得到2%的壳聚糖溶液,将其倒入模具内冷冻干燥,然后依次在NaOH溶液中浸泡后用蒸馏水洗涤,再次冷冻干燥得到纯壳聚糖海绵,标记为CS。

另外,海藻酸钠原料标记AL。

1.3抗菌海绵的制备
参照文献[12],聚乙烯吡咯烷酮-碘的制备方法如下:将45g聚乙烯吡咯烷酮加入盛有250m L95%乙醇的500mL三颈瓶中,充分搅拌溶解。

然后,将其加热至55~60e后加入10.5g碘,保持温度回流2.5~ 3h。

最后,蒸除溶剂并干燥得到深棕色疏松固体。

将磺胺嘧啶银和聚乙烯吡咯烷酮-碘分别分散在壳聚糖、海藻酸钠混合溶液中,其质量分别占混合溶液中物质干重的7%,搅拌均匀后同上述海绵的制备方法制得载银和载碘的抗菌海绵,分别标记为CSAL31Ag、CSAL11Ag、CSAL13Ag和CSAL31I、CSAL11I、CSAL13I。

1.4结构表征及性能测试
采用KBr压片法在Nicolet-170SX FT IR型傅立叶变换红外光谱仪(美国,Nicolet公司)上记录试样的红外光谱。

利用H itachi X-650型扫描电子显微镜观测海绵的表面形貌并拍照,试样经液氮冷冻后折断,截面预先在真空下喷金,观测时加速电压为15kV。

将一定质量的海绵置于装有无水CaCl2的干燥器中,室温下干燥至恒重,称量得到试样干重(W dry)。

将其浸入盛蒸馏水的称量瓶中于室温下充分溶涨后,取出并用滤纸吸干表面水分后称重,得到试样的湿重(W wet)。

试样的吸水率(WA)为WA=(W wet-W dry)/W dry。

1.5抑菌功能测试
将海绵制成直径为10mm的圆形试样,经紫外线灭菌15min参照文献[9]测试海绵的抑菌性能。

实验中每2d换1次培养基和菌液,以未载药膜为对照,测量载药膜对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径(d,单位mm),跟踪检测抑菌圈直径随时间的变化。

其中,抑菌圈直径是由载药海绵的抑菌圈直径减去未载药海绵抑菌圈直径得到。

2结果与讨论
2.1聚电解质形成
图1示出壳聚糖(CS)、海藻酸钠(AL)以及复合海绵(CSAL)的红外图谱。

其中,AL显示出位于1608 cm-1和1421cm-1处归属为羧基的不对称和对称伸缩振动;同时,CS显示出1597cm-1处的氨基弯曲振动峰、3417cm-1处的羟基和氨基的伸缩振动峰。

在不同配比的CSAL的红外图谱中,AL羧基的不对称伸缩振动(1608cm-1)向高波数移动,而对称伸缩振动(1421cm-1)向低波数移动;同时CS在1597cm-1处的氨基弯曲振动峰随着AL的引入而向高波数移动,并与AL羧基的不对称伸缩振动叠加。

该结果表明CS的氨基在酸性条件下变成NH+3,与AL上的COO-负离子产生强的静电作用而生成聚电解质复合物。

两组分间强的静电作用导致CS在3417cm-1处的羟基和氨基的伸缩振动峰向高波数移动并变窄,表明NH+3与COO-之间的静电作用削弱了原本较强的壳聚糖分子内氢键。

此外,CS与AL共混生成不溶水凝胶,也证实了两者之间复合生成了聚电解质。

2.2 海绵的形貌
CS 和不同配比CSAL 海绵的截面形貌示于图2。

相对于纯CS 海绵截
面小而密的孔洞结构,而引入AL 后复合海绵的孔径增大。

由于海绵的制备
是采用冷冻干燥的方法,聚合物溶液低温冷冻时,在聚集的高分子链周围充
满了水冷冻形成的冰,这些冰在冷冻干燥过程中升华而形成孔,最终形成海
绵的多孔结构。

单一高分子体系形成海绵时孔径与溶液中高分子的浓度成
反比;但对于复合高分子体系,形成海绵的孔径除与浓度相关外,还与复合物
溶液冷冻时高分子骨架与水或冰出现相分离时间和程度相关。

此处使用的
AL 和CS 分别是聚阴离子多糖和聚阳离子多糖,当溶液混合后两者通过离
子键作用形成聚电解质复合物,此时高分子相的密度相对较大并且与水或冰
之间迅速出现相分离,经冷冻干燥后得到孔径较大的海绵。

复合海绵孔径的
显著增大,
主要依赖于聚电解质复合物的形成。

2.3 吸水性能
CS 海绵和不同AL 含量的CSAL 海绵的吸水率示于图3。

随着AL 含量的增加,复合海绵的吸水率增加,特别是CSAL13海绵比纯CS 海绵的吸水率提高了约130%。

复合海绵吸水率增加的主要原因是AL 的亲水性大于CS 。

由于止血材料和伤口包扎材料均要求较高的吸水性能,因此CSAL 聚电解质海绵凭借其优良的吸水性能,
在该领域具有一定的应用价值。

表1 载碘和载银复合海绵的抗菌性能海绵样品
d /mm 2d
4d 6d CSA L31I
20.0 4.00CSA L11I
20.0 3.80CSA L13I
21.0 3.50CSAL 31Ag
10.08.37.5CSAL 11Ag
10.58.07.8CSAL 13Ag 10.08.17.
5
2.4 抑菌性能
将制备的CSAL 聚电解质海绵载抗菌剂后,测试的抑菌性能数据列于表1。

载碘复合海绵在初始2d 具有较大直径的抑菌圈,但随着时间的延长抑菌圈迅速缩小,至第6d 丧失抑菌功能。

然而,载磺胺嘧啶银的复合海绵虽然抑菌圈相对较小,但却表现出持续的抑菌能力,其抑菌圈直径至第6d 仍然约为2d 时的75%。

这种差别主要是由于聚乙烯吡咯烷酮-碘为水溶性络合物,容易从海绵的多孔结构中扩散出来,故开27
第28卷 第11期 樊李红,等:壳聚糖/海藻酸钠聚电解质海绵及抗菌功能
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始有较大抑菌圈但却较快地丧失抑菌功能;而磺胺嘧啶银是水不溶的,虽然初始抑菌圈较小,但却通过缓慢释放而表现出持续抑菌能力,值得注意的是海绵对磺胺嘧啶银具有缓释作用。

此外,实验中没有观测到未载药海绵明显的抑菌圈,这是由于所使用的壳聚糖分子量较大,抗菌性能不明显。

图4示出制备海绵的照片,标号a、b、c分别代表未载药CSAL海绵、载碘复合海绵和载银复合海绵。

3结语
利用冷冻干燥的方法成功地制备出壳聚糖/海藻酸钠(CSAL)聚电解质海绵,引入磺胺嘧啶银和聚乙烯吡咯烷酮-碘后抑菌性能明显提高。

复合海绵红外光谱中特征振动峰的漂移说明壳聚糖与海藻酸钠分子间通过较强的静电相互作用生成聚电解质;扫描电镜图片则显示引入海藻酸钠后海绵的孔径增大。

该聚电解质海绵具有较高的吸水率,可望成为新型的止血与伤口包扎材料。

引入不同的抗菌剂而表现出特异的抗菌性能,载磺胺嘧啶银的复合海绵能持续抑菌,而载聚乙烯吡咯烷酮-碘的复合海绵初始杀菌能力强。

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