吴祭民++潘青青++顾菁菁++徐梦++李景++金杰++郝凌云++张小娟

摘 要：为增强敷料的吸收、抗菌和促进伤口愈合的能力，该文采用生物活性玻璃改性壳聚糖/明胶海绵敷料。首先利用硅烷偶联剂改性生物活性玻璃，并选用香草醛作交联剂，采用真空冷冻干燥法将其与羧甲基壳聚糖、明胶进行复合，制备出改性复合海绵敷料。并对产物进行IR、SEM、吸水率、孔隙率、保湿性和透气率分析。结果表明，改性复合海绵状敷料具有多孔结构、较高的吸水性、透气性和保湿性，有望在医用湿性敷料领域得到广泛的应用。

关键词：生物活性玻璃 羧甲基壳聚糖 明胶 香草醛 改性复合海绵

中图分类号：R318.08 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0198-03

生物活性玻璃（BG）是一种性能优良的组织修复材料，具有良好的生物相容性、生物活性、生物矿化特性，良好的力学和骨传导性等，常用于骨、齿科等的修复治疗[1-5] ，是目前唯一能促进生长因子的生成、细胞的繁衍以及活化细胞基因表达的人工合成的无机材料[6]，还能诱导细胞本身的上皮生长因子的合成，为创面提供天然上皮生长因子，促进创面快速愈合。硅烷偶联剂在结构中带有一个或数个活性官能团，具有高的反应活性，能够有效地改善无机粉体与高分子材料的界面相容性，使硅烷偶联剂在材料的偶联、粘结、润滑、生物配位和催化[7-11]等领域得到广泛应用。明胶（Gelatin）是一种不均一的具有高分子量的水溶性蛋白质混合物，具有较好的亲和性、较低的粘度、较高的韧性及可逆性等优良的物理性质，还具有较高的表面活性，较好的成膜性和吸水膨胀性等，长期以来被应用于医药、感光材料、食品、造纸、印刷、日用化工等领域[12]。

目前，国内外兴起了一种新的伤口护理理念—湿性愈合理论。在此理论的影响下，新型医用湿性敷料也不断的出现，为伤口护理带来了新的方法。医用湿性敷料按其载体形态可分为水凝胶、海绵、薄膜、纤维、纱布等类型。该文采用溶胶—凝胶法合成多孔生物活性玻璃（MBG），然后用氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）偶联剂对其进行改性，将APTES中的氨丙基接枝在生物活性玻璃表面，得到改性生物活性玻璃（SBG）。最后选用香草醛作交联剂，采用真空冷冻干燥法将SBG与羧甲基壳聚糖（CMC）、明胶（Gel）进行复合，制备出CMC-Gel/SBG复合海绵，并考察了海绵的微观形貌、孔隙率、吸水率、保湿率和透气率。研究发现，CMC-Gel/SBG复合海绵具有多孔结构、高的孔隙率、高的吸水率和保湿率，有望在医用湿性敷料领域得到广泛的应用。

1 实验部分

1.1 复合海绵敷料的制备

1.1.1 实验试剂

生物活性玻璃，实验室自制。其他试剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 实验过程

（1）溶胶凝胶法制备多孔生物活性玻璃

本文采用溶胶凝胶法，以聚乙二醇作造孔剂和模板剂，柠檬酸（CA）作催化剂和稳定剂，以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源、磷酸三乙酯（TEP）为磷源、四水硝酸钙为钙源合成多孔生物活性玻璃。

称取0.14 gCA，加入10 mL去离子水和20 mL无水乙醇，室温下磁力搅拌10 min，随后边搅拌边加入12.5 gTEOS，搅拌30 min，溶液转为清澈透明；缓慢滴加0.73 gTEP，继续强力搅拌20 min，再缓慢加入8.5 gCA，充分搅拌20 min，最后再加1.3 gPEG，充分搅拌1 d，即得到溶胶液。将溶胶液室温下静置陈化形成均匀透明的块状凝胶。凝胶在60 ℃真空干燥箱中干燥24 h。将得到的干凝胶置于坩锅中，放入马弗炉中650 ℃烧结2 h。自然冷却后，在玛瑙研钵中研磨，得白色MBG粉末。

（2）多孔生物活性玻璃的改性

称取一定量自制的多孔生物活性玻璃粉体，放入三口烧瓶中，加入APTES的正己烷溶液（5%，体积分数），搅拌，氮气保护，70 ℃下水浴加热10 h。反应完成后，抽滤，分别用正己烷、乙醇、去离子水清洗3次，清洗过的玻璃粉体放于真空干燥箱中，干燥48 h，即得改性生物活性玻璃（SBG）。

（3）真空冻干法制备复合海绵

称取2 g改性SBG粉末溶解于一定量的去离子水中，超声30 min；取20 mLCMC溶液（2%，质量分数）与20 mL明胶溶液（2%，质量分数）混合加入上述溶液，滴加少量甘油，磁力搅拌2 h，再加入香草醛溶液1.0 mL（0.5%，质量分数）继续搅拌30 min后，将溶液倒入直径为90 mm的培养皿中交联24 h，冰箱冷冻24 h后，将其放入冷冻干燥机于-50 ℃下冷冻12 h，得到的海绵敷料保存于干燥器中。

1.1.3 样品表征

（1）红外分析

采用傅立叶红外光谱仪（Thermo Nicolet 5700，FTIR）测定改性前后生物玻璃及海绵的红外光谱，通过官能团鉴定对其进行定性分析。测试范围：400～4000 cm-1。

（2）电镜分析

采用扫描电子显微镜（Hitachi SU8010，SEM）在样品喷金后对其微观形貌进行观察。

（3）吸水率测定

将所制海绵剪成2 cm×2 cm的样品，称得质量为（m1），分别浸入含50 mL去离子水和生理盐水的容器中，室温静置，待吸水达饱和后，用镊子小心取出，用滤纸吸去表面水分，精密称定质量（m2），计算吸水率[Q=（ m2-m1）/m1×100%]。

（4）孔隙率测定

将一定质量的海绵置于体积为V1的乙醇中，脱泡，海绵和乙醇的总体积记为V2，则（V2-V1）为海绵的体积。将含乙醇的海绵取出，记所剩乙醇体积为V3，则海绵中所含乙醇的体积（V1-V3）为海绵孔隙所占的体积，则海绵的总体积为：V=（V2-V1）+（V1-V3）=V2-V3。孔隙率可表示为：P=（V1-V3）/（V2-V3）。endprint

（5）相对保湿性测定

将所制海绵剪成2 cm×2 cm的样品，精密称定质量为（W1）。将其浸入装有50 mL蒸馏水的小烧杯中，待其吸水达饱和后，用镊子小心取出，用滤纸吸去表面的水分，精密称定质量（W2），然后将吸水后的海绵放入装有硅胶的干燥器中，室温下放置10 h，精密称定质量（W3）。相对保湿性表示为：Q=（W3-W1）/（W2-W1）×100%。

（6）透气率测定

将两个广口瓶内装满蒸馏水，用所制海绵密封一个瓶口，以不封口的广口瓶为对照，室温放置24 h，计算透气率：透气率=24 h失水量/对照失水量×100%。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为经硅烷偶联剂修饰前后生物活性玻璃的FTIR谱图。在图1a中，3490 cm-1处为MBG表面的硅羟基和结合水羟基的伸缩振动吸收峰，由于羟基间的缔合导致峰型变宽；1640 cm-1处为MBG毛细孔和表面吸附的水引起的反对称O-H弯曲振动；图谱中最明显的吸收峰是Si-O-Si基团的伸缩振动和弯曲振动吸收，其中在1088 cm-1左右的吸收对应Si-O-Si的非对称伸缩振动，464 cm-1处峰则由Si-O-Si键的弯曲振动引起的。在图1b中，2934 cm-1处的吸收峰是由于APTES的键连而引入的饱和C-H的伸缩振动；1500～1390 cm-1为甲基、亚甲基的弯曲振动；1594cm-1则为氨基的N-H剪式振动；3000 cm-1以上的N-H伸缩振动与MBG原有的硅羟基伸缩振动重合，这些饱和C-H和N-H振动峰的出现表明硅烷偶联剂APTES已经接枝到MBG粉体的表面[13]。

图2是CMC Gel/SBG复合海绵的红外谱图。从图中可知，463 cm1处的吸收峰为SBG中Si—O—Si的弯曲振动；1650 cm-1处C=N伸缩振动，表明CMC、Gel中的氨基和香草醛中的醛基发生了席夫碱反应，并且SBG的加入不影响氨基和醛基之间的席夫碱反应。

2.2 扫描电镜分析

图3分别是海绵敷料正面及截面的SEM照片。由图3可见，所得海绵由表面的致密层和内部的多孔层构成。从图3a可以清楚地看到材料为多孔结构；从图3b可以看到孔是蜂窝结构或多孔片层堆积而成的三维立体片层结构，且孔的连通性比较好。而且生物活性玻璃颗粒被有机相包裹在孔壁内，很少裸露。

2.4 复合海绵的性能参数

从表1中可知，海绵在蒸馏水中的吸水率远大于在生理盐水溶液中的吸水率。这是因为羧甲基壳聚糖和明胶分子中有带电基团，使得生理盐水中的离子对其产生静电屏蔽作用，从而阻碍分子扩展，导致吸水率下降。另外根据性能参数，可得CMC–Gel/SBG复合海吸水性、透气性、保湿性较高，可使伤口没有积液，保持创面湿润，有利于伤口愈合，有望在医用湿性敷料领域得到广泛的应用。

3 结语

该文主要研究了采用溶胶凝胶法制备多孔生物活性玻璃，并对其进行了表面改性，然后采用绿色无毒的香草醛作为交联剂，将改性后的多孔生物活性玻璃与羧甲基壳聚糖、明胶复合得到复合海绵。

（1）采用溶胶凝胶法制备出了多孔生物活性玻璃并对其进行了表面接枝改性。溶胶凝胶法制备的生物活性玻璃不仅处理温度比较低，而且是由大量的微球构成，微球周围形成大量微孔结构，从而导致材料具有高比表面积。改性后的生物玻璃与有机相的相容性有所提高。

（2）采用真空冻干法制备出了CMC Gel/SBG复合海绵。所得的复合海绵状敷料具有多孔性，吸水性、保湿性和透气性较高，是理想的医用湿性敷料。

参考文献

[1] Oonishi H，Kushitani S，Yasukawa E，et al.Particulate bioglass compared with hydroxyapatite as a bone graft substitute[J].Clinical Orthopaedics and Related Research，1997，334（1）：316-325.

[2] Chen Q Z，Thompson I D， Boccaccini A R.45S5 Bioglass1-derived glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering[J].Biomaterials，2006，27（11）：2414-2524.

[3] Hench L L，Xynos I，Edgar A，et al.Gene activating glasses[J].Journal of Inorganic Materials，2002，17（5）：897-909.

[4] Zhong Jipin.Bioactive glasses：Research and applications [J].Journal of Inorganic Materials，1995，10（2）：130-138.

[5] Hench L L.The story of Bioglass[J].Journal of Materials Science：Materials in Medicine，2006，17（11）：967-978.

[6] 张伟，谈发堂，乔学亮，等.光化学还原法制备纳米银溶胶[J].材料导报，2012，26（6）：32-35.

[7] Bascom W D.Structure of silane adhesion promoter films on glass and metal surfaces[J].Macromolecules，1972，5（6）：792-798.

[8] Ulman A.Formation and structure of self-assembled monolayers[J].Chem Rev，1996，96（4）：1533-1554.

[9] Brito R，Rodriguez V A， Figueroa J，et al.Adsorption of 3 mercaptopropyl trimethox ysilane and 3–aminopropyl trimethoxysilane at platinum electrodes[J].J Electroanal Chem，2002，520（12）：47-52.

[10] 杜高翔，郑水林，李杨.超细水镁石的硅烷偶联剂表面改性[J].硅酸盐学报，2005，33（5）：659-664.

[11] 毋伟，陈建峰，屈一新.硅烷偶联剂的种类与结构对二氧化硅表面聚合物接枝改性的影响[J].硅酸盐学报，2004， 32（5）：570-575.

[12] 李冬梅.明胶在乳制品中的应用[J].食品工业，1988（3）：33-36.

[13] 卢玲，游文玮，王迎军，等.生物活性玻璃的表面修饰及其细胞相容性[J].复合材料学报，2011，28（1）：114-118.endprint

（5）相对保湿性测定

将所制海绵剪成2 cm×2 cm的样品，精密称定质量为（W1）。将其浸入装有50 mL蒸馏水的小烧杯中，待其吸水达饱和后，用镊子小心取出，用滤纸吸去表面的水分，精密称定质量（W2），然后将吸水后的海绵放入装有硅胶的干燥器中，室温下放置10 h，精密称定质量（W3）。相对保湿性表示为：Q=（W3-W1）/（W2-W1）×100%。

（6）透气率测定

将两个广口瓶内装满蒸馏水，用所制海绵密封一个瓶口，以不封口的广口瓶为对照，室温放置24 h，计算透气率：透气率=24 h失水量/对照失水量×100%。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为经硅烷偶联剂修饰前后生物活性玻璃的FTIR谱图。在图1a中，3490 cm-1处为MBG表面的硅羟基和结合水羟基的伸缩振动吸收峰，由于羟基间的缔合导致峰型变宽；1640 cm-1处为MBG毛细孔和表面吸附的水引起的反对称O-H弯曲振动；图谱中最明显的吸收峰是Si-O-Si基团的伸缩振动和弯曲振动吸收，其中在1088 cm-1左右的吸收对应Si-O-Si的非对称伸缩振动，464 cm-1处峰则由Si-O-Si键的弯曲振动引起的。在图1b中，2934 cm-1处的吸收峰是由于APTES的键连而引入的饱和C-H的伸缩振动；1500～1390 cm-1为甲基、亚甲基的弯曲振动；1594cm-1则为氨基的N-H剪式振动；3000 cm-1以上的N-H伸缩振动与MBG原有的硅羟基伸缩振动重合，这些饱和C-H和N-H振动峰的出现表明硅烷偶联剂APTES已经接枝到MBG粉体的表面[13]。

图2是CMC Gel/SBG复合海绵的红外谱图。从图中可知，463 cm1处的吸收峰为SBG中Si—O—Si的弯曲振动；1650 cm-1处C=N伸缩振动，表明CMC、Gel中的氨基和香草醛中的醛基发生了席夫碱反应，并且SBG的加入不影响氨基和醛基之间的席夫碱反应。

2.2 扫描电镜分析

图3分别是海绵敷料正面及截面的SEM照片。由图3可见，所得海绵由表面的致密层和内部的多孔层构成。从图3a可以清楚地看到材料为多孔结构；从图3b可以看到孔是蜂窝结构或多孔片层堆积而成的三维立体片层结构，且孔的连通性比较好。而且生物活性玻璃颗粒被有机相包裹在孔壁内，很少裸露。

2.4 复合海绵的性能参数

从表1中可知，海绵在蒸馏水中的吸水率远大于在生理盐水溶液中的吸水率。这是因为羧甲基壳聚糖和明胶分子中有带电基团，使得生理盐水中的离子对其产生静电屏蔽作用，从而阻碍分子扩展，导致吸水率下降。另外根据性能参数，可得CMC–Gel/SBG复合海吸水性、透气性、保湿性较高，可使伤口没有积液，保持创面湿润，有利于伤口愈合，有望在医用湿性敷料领域得到广泛的应用。

3 结语

该文主要研究了采用溶胶凝胶法制备多孔生物活性玻璃，并对其进行了表面改性，然后采用绿色无毒的香草醛作为交联剂，将改性后的多孔生物活性玻璃与羧甲基壳聚糖、明胶复合得到复合海绵。

（1）采用溶胶凝胶法制备出了多孔生物活性玻璃并对其进行了表面接枝改性。溶胶凝胶法制备的生物活性玻璃不仅处理温度比较低，而且是由大量的微球构成，微球周围形成大量微孔结构，从而导致材料具有高比表面积。改性后的生物玻璃与有机相的相容性有所提高。

（2）采用真空冻干法制备出了CMC Gel/SBG复合海绵。所得的复合海绵状敷料具有多孔性，吸水性、保湿性和透气性较高，是理想的医用湿性敷料。

参考文献

[1] Oonishi H，Kushitani S，Yasukawa E，et al.Particulate bioglass compared with hydroxyapatite as a bone graft substitute[J].Clinical Orthopaedics and Related Research，1997，334（1）：316-325.

[2] Chen Q Z，Thompson I D， Boccaccini A R.45S5 Bioglass1-derived glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering[J].Biomaterials，2006，27（11）：2414-2524.

[3] Hench L L，Xynos I，Edgar A，et al.Gene activating glasses[J].Journal of Inorganic Materials，2002，17（5）：897-909.

[4] Zhong Jipin.Bioactive glasses：Research and applications [J].Journal of Inorganic Materials，1995，10（2）：130-138.

[5] Hench L L.The story of Bioglass[J].Journal of Materials Science：Materials in Medicine，2006，17（11）：967-978.

[6] 张伟，谈发堂，乔学亮，等.光化学还原法制备纳米银溶胶[J].材料导报，2012，26（6）：32-35.

[7] Bascom W D.Structure of silane adhesion promoter films on glass and metal surfaces[J].Macromolecules，1972，5（6）：792-798.

[8] Ulman A.Formation and structure of self-assembled monolayers[J].Chem Rev，1996，96（4）：1533-1554.

[9] Brito R，Rodriguez V A， Figueroa J，et al.Adsorption of 3 mercaptopropyl trimethox ysilane and 3–aminopropyl trimethoxysilane at platinum electrodes[J].J Electroanal Chem，2002，520（12）：47-52.

[10] 杜高翔，郑水林，李杨.超细水镁石的硅烷偶联剂表面改性[J].硅酸盐学报，2005，33（5）：659-664.

[11] 毋伟，陈建峰，屈一新.硅烷偶联剂的种类与结构对二氧化硅表面聚合物接枝改性的影响[J].硅酸盐学报，2004， 32（5）：570-575.

[12] 李冬梅.明胶在乳制品中的应用[J].食品工业，1988（3）：33-36.

[13] 卢玲，游文玮，王迎军，等.生物活性玻璃的表面修饰及其细胞相容性[J].复合材料学报，2011，28（1）：114-118.endprint

（5）相对保湿性测定

将所制海绵剪成2 cm×2 cm的样品，精密称定质量为（W1）。将其浸入装有50 mL蒸馏水的小烧杯中，待其吸水达饱和后，用镊子小心取出，用滤纸吸去表面的水分，精密称定质量（W2），然后将吸水后的海绵放入装有硅胶的干燥器中，室温下放置10 h，精密称定质量（W3）。相对保湿性表示为：Q=（W3-W1）/（W2-W1）×100%。

（6）透气率测定

将两个广口瓶内装满蒸馏水，用所制海绵密封一个瓶口，以不封口的广口瓶为对照，室温放置24 h，计算透气率：透气率=24 h失水量/对照失水量×100%。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为经硅烷偶联剂修饰前后生物活性玻璃的FTIR谱图。在图1a中，3490 cm-1处为MBG表面的硅羟基和结合水羟基的伸缩振动吸收峰，由于羟基间的缔合导致峰型变宽；1640 cm-1处为MBG毛细孔和表面吸附的水引起的反对称O-H弯曲振动；图谱中最明显的吸收峰是Si-O-Si基团的伸缩振动和弯曲振动吸收，其中在1088 cm-1左右的吸收对应Si-O-Si的非对称伸缩振动，464 cm-1处峰则由Si-O-Si键的弯曲振动引起的。在图1b中，2934 cm-1处的吸收峰是由于APTES的键连而引入的饱和C-H的伸缩振动；1500～1390 cm-1为甲基、亚甲基的弯曲振动；1594cm-1则为氨基的N-H剪式振动；3000 cm-1以上的N-H伸缩振动与MBG原有的硅羟基伸缩振动重合，这些饱和C-H和N-H振动峰的出现表明硅烷偶联剂APTES已经接枝到MBG粉体的表面[13]。

图2是CMC Gel/SBG复合海绵的红外谱图。从图中可知，463 cm1处的吸收峰为SBG中Si—O—Si的弯曲振动；1650 cm-1处C=N伸缩振动，表明CMC、Gel中的氨基和香草醛中的醛基发生了席夫碱反应，并且SBG的加入不影响氨基和醛基之间的席夫碱反应。

2.2 扫描电镜分析

图3分别是海绵敷料正面及截面的SEM照片。由图3可见，所得海绵由表面的致密层和内部的多孔层构成。从图3a可以清楚地看到材料为多孔结构；从图3b可以看到孔是蜂窝结构或多孔片层堆积而成的三维立体片层结构，且孔的连通性比较好。而且生物活性玻璃颗粒被有机相包裹在孔壁内，很少裸露。

2.4 复合海绵的性能参数

从表1中可知，海绵在蒸馏水中的吸水率远大于在生理盐水溶液中的吸水率。这是因为羧甲基壳聚糖和明胶分子中有带电基团，使得生理盐水中的离子对其产生静电屏蔽作用，从而阻碍分子扩展，导致吸水率下降。另外根据性能参数，可得CMC–Gel/SBG复合海吸水性、透气性、保湿性较高，可使伤口没有积液，保持创面湿润，有利于伤口愈合，有望在医用湿性敷料领域得到广泛的应用。

3 结语

该文主要研究了采用溶胶凝胶法制备多孔生物活性玻璃，并对其进行了表面改性，然后采用绿色无毒的香草醛作为交联剂，将改性后的多孔生物活性玻璃与羧甲基壳聚糖、明胶复合得到复合海绵。

（1）采用溶胶凝胶法制备出了多孔生物活性玻璃并对其进行了表面接枝改性。溶胶凝胶法制备的生物活性玻璃不仅处理温度比较低，而且是由大量的微球构成，微球周围形成大量微孔结构，从而导致材料具有高比表面积。改性后的生物玻璃与有机相的相容性有所提高。

（2）采用真空冻干法制备出了CMC Gel/SBG复合海绵。所得的复合海绵状敷料具有多孔性，吸水性、保湿性和透气性较高，是理想的医用湿性敷料。

参考文献

[1] Oonishi H，Kushitani S，Yasukawa E，et al.Particulate bioglass compared with hydroxyapatite as a bone graft substitute[J].Clinical Orthopaedics and Related Research，1997，334（1）：316-325.

[2] Chen Q Z，Thompson I D， Boccaccini A R.45S5 Bioglass1-derived glass-ceramic scaffolds for bone tissue engineering[J].Biomaterials，2006，27（11）：2414-2524.

[3] Hench L L，Xynos I，Edgar A，et al.Gene activating glasses[J].Journal of Inorganic Materials，2002，17（5）：897-909.

[4] Zhong Jipin.Bioactive glasses：Research and applications [J].Journal of Inorganic Materials，1995，10（2）：130-138.

[5] Hench L L.The story of Bioglass[J].Journal of Materials Science：Materials in Medicine，2006，17（11）：967-978.

[6] 张伟，谈发堂，乔学亮，等.光化学还原法制备纳米银溶胶[J].材料导报，2012，26（6）：32-35.

[7] Bascom W D.Structure of silane adhesion promoter films on glass and metal surfaces[J].Macromolecules，1972，5（6）：792-798.

[8] Ulman A.Formation and structure of self-assembled monolayers[J].Chem Rev，1996，96（4）：1533-1554.

[9] Brito R，Rodriguez V A， Figueroa J，et al.Adsorption of 3 mercaptopropyl trimethox ysilane and 3–aminopropyl trimethoxysilane at platinum electrodes[J].J Electroanal Chem，2002，520（12）：47-52.

[10] 杜高翔，郑水林，李杨.超细水镁石的硅烷偶联剂表面改性[J].硅酸盐学报，2005，33（5）：659-664.

[11] 毋伟，陈建峰，屈一新.硅烷偶联剂的种类与结构对二氧化硅表面聚合物接枝改性的影响[J].硅酸盐学报，2004， 32（5）：570-575.

[12] 李冬梅.明胶在乳制品中的应用[J].食品工业，1988（3）：33-36.

[13] 卢玲，游文玮，王迎军，等.生物活性玻璃的表面修饰及其细胞相容性[J].复合材料学报，2011，28（1）：114-118.endprint