外科用聚乙烯醇膜抗菌复材性能测试及应用效果观察

李敏，郭莹

摘要：以沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）负载银-二氧化钛（Ag-TiO2）为基材制备一种抗菌剂，将其与聚乙烯醇（PVA）结合，制备一种绿色环保且具有抗菌性能的聚乙烯醇膜材料，研究其性能和应用效果。结果表明，随着抗菌剂的添加，聚乙烯醇膜材料拉伸强度、透氧量、抗菌率和热稳定性均有所提高。当添加1.6%抗菌剂时，材料拉伸强度最大，增幅达到14.7%；添加2.0%抗菌剂聚乙烯醇膜材料综合性能最好，其拉伸强度为61.78 MPa；金黄色葡萄球菌抗菌率达到99.7%，透气性能和热稳定性良好。2.0%抗菌剂聚乙烯醇膜材料的创面愈合效果和抗菌效果均优于对照组。

关键词：聚乙烯醇；抗菌剂；拉伸强度；抗菌率；热稳定性

中图分类号：TQ325.9文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0072-04

Performance test and application effect observation of antibacterial composite material of polyvinyl alcohol film for surgery

LI Min，GUO Ying

（Beijing Rehabilitation Hospital Affiliated to Capital Medical University，Beijing 100144，China）

Abstract：An antimicrobial agent was prepared by using zeolite imidazolate as the skeleton （ZIF-8） loaded with silver-titanium dioxide （Ag-TiO2） as the substrate，and further combined with polyvinyl alcohol （PVA） to prepare a green and environmentally friendly polyvinyl alcohol membrane material with antibacterial properties，and its properties and application effects were studied.The results showed that with the addition of antibacterial agents，the tensile strength，oxygen permeability，antibacterial rate，and thermal stability of polyvinyl alcohol membrane materials were improved.When 1.6% antimicrobial agent was added，the tensile strength of the material was the largest，with an increase of 14.7%.The addition of 2.0% antibacterial agent to polyvinyl alcohol film material had the best comprehensive performance，with a tensile strength of 61.78 MPa and a Staphylococcus aureus antibacterial rate of 99.7%，showing good breathability and thermal stability.The wound healing and antibacterial effects of the 2.0% antibacterial agent polyvinyl alcohol membrane material were better than those of the control group.

Key words：polyvinyl alcohol;antibacterial agents;tensile strength;antibacterial rate;thermal stability

發展抗菌材料对人类健康和环境卫生有着重要意义。许多学者进行了研究，如采用热熔压敏胶粘合的方法，通过纳米纤维膜和止血海绵研制了一种医用止血敷料[1]。通过静电纺丝工艺，将姜黄素、聚乙烯醇以及聚丙烯酸相结合，制备了一种适用于伤口敷料的纳米纤维抗菌膜[2]。通过石墨烯对纳米TiO2进行改性，制备一种抗菌助剂，再结合聚乙烯醇和壳聚糖，制备一种抗菌复合膜材料[3]。聚乙烯醇有着可降解、低成本等特性，是一种绿色环保材料，但其本身无抗菌效果[4-5]。基于此，为提高生物医学材料的综合性能，试验采用沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）负载银-二氧化钛制备一种抗菌剂，然后结合聚乙烯醇（PVA），研制了一种聚乙烯醇膜材料。

1试验部分

1.1材料与设备

主要材料：聚乙烯醇（工业纯，PVA），同宏纤维；钛酸四丁酯（分析纯），豪顺化工；2-甲基咪唑（分析纯），多聚化学；N，N-二甲基甲酰胺（分析纯，DMF），昊锐化工；六水合硝酸锌（分析纯），铭之鑫化工；金黄色葡萄球菌（标准品），晨微生物。

主要设备：FA2204E型电子天平（根拓机电）；DLH-12S 型离心机（隆和仪器）；SS-50L型高压反应釜（予华仪器）；HTS-576型干燥箱（世测仪器）；HZ-1007型万能拉力机（力显仪器）；ISOBARIC-404型透气性能测试仪（赛成电子）；BOS-DSC100A型差示扫描热量仪（搏仕检测设备）。

1.2试验方法

1.2.1银-二氧化钛（Ag-TiO2）的制备

试验采用程序升温结合溶胶-凝胶，制备银-二氧化钛（Ag-TiO2）抗菌材料。

（1）用量筒分别量取20 mL无水乙醇、8.5 mL钛酸四丁酯，搅拌混合1 h，获得溶液A，备用；

（2）用电子天平称量适量硝酸银，保证Ag-TiO2抗菌材料中Ag质量分数为5%。然后，用量筒分别量取冰醋酸2 mL和无水乙醇6 mL，混合后，加入称量好的硝酸银，并在避光条件下进行搅拌处理30 min，获得溶液B，备用；

（3）在避光环境中，向溶液B中缓慢滴加溶液A，滴加速度为10滴/min，并进行快速搅拌处理1 h。之后，添加硝酸调节pH值至2，并加入去离子水2 mL，搅拌混合3 h，获得溶胶；

（4）对溶胶进行陈化处理12 h，获得凝胶，然后，将凝胶转移到反应釜中。将反应釜温度按照2 ℃/min速率提高到200 ℃，之后保持该温度2 h；

（5）使反应釜中物料自然冷却，直到呈室温后转移到干燥箱中，在恒温70 ℃环境下处理12 h。之后，使用蒸馏水对材料洗涤3次，再干燥、研磨，获得呈粉末状的Ag-TiO2抗菌材料。

1.2.2抗菌剂的制备

通过程序升温和溶剂热合成的方法，将制备的Ag-TiO2抗菌材料与沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）复合，制备一种抗菌剂。

（1）用电子天平分别称量2-甲基咪唑120.0 mg和六水合硝酸锌477.8 mg，一起添加到36 mL二甲基甲酰胺（DMF）中，并进行混合搅拌30 min。再按照抗菌剂总质量的20%添加Ag-TiO2抗菌材料，混合均匀；

（2）将步骤（1）中的混合溶液放入反应釜中，按照5 ℃/min的升温速率将温度提高到150 ℃，然后保持该温度1 d。之后，再按照0.5 ℃/min的降温速率降温至室温。刮下黄色晶体，并进行母液离心处理；

（3）离心后，进行1次氯仿处理，之后再3次DMF洗涤处理，然后进行2次二氯甲烷处理；

（4）最后，将产物置于恒温50 ℃的干燥箱中，进行干燥处理，再研磨，获得呈粉末状抗菌剂。

1.2.3聚乙烯醇膜材料的制備

将制备的抗菌剂与聚乙烯醇（PVA）复合，制备一种有抗菌效果的聚乙烯醇膜材料。

（1）将装有200 mL水的烧瓶放到油浴锅中，并将转速设置为35 r/min，温度提高到75 ℃。然后，添加一定量PVA，并将温度升高到100 ℃，保持3 h；

（2）待烧瓶中物料自然冷却到室温后，按照聚乙烯醇膜材料总质量添加不同掺量的抗菌剂，搅拌均匀。之后进行20 h的静置脱泡处理，并使用刮膜机进行制膜，获得聚乙烯醇膜材料。

1.3性能测试

1.3.1力学性能

使用拉力机对聚乙烯醇膜材料进行测试，分析其拉伸强度。

1.3.2透气性能

通过压差法，使用透气性能测试仪对聚乙烯醇膜材料进行测试。该测试的相对湿度和温度分别为60 %、23 ℃。

1.3.3抗菌性能

该测试试样为不同抗菌剂掺量的聚乙烯醇膜材料，空白试样则为无抗菌剂的聚乙烯醇膜材料。测试试样与空白试样质量均为0.3 g ，且均与10 mL生理盐水混合，并高压灭菌处理30 min。然后，将活化后的金黄色葡萄球菌菌液在液体培养基中进行培养，并添加适量测试试样或空白试样。之后，对菌液浓度进行一定程度稀释，采用固体培养基进行培养。最后，采用平板计数法，分析材料抗菌率情况。具体公式[12-13]：

R=A-BA×100%（1）

式中：R为抗菌率；A为空白试样细菌数；B为测试试样细菌数。

1.3.4热稳定性

为探究该聚乙烯醇膜材料的热稳定性情况，本试验采用差示扫描量热仪（DSC）对该材料试样进行测试。

2结果与分析

2.1力学性能分析

图1为聚乙烯醇膜材料拉伸强度的结果。

由图1可知，随着聚乙烯醇膜材料中的抗菌剂掺量从0.0%逐级增至2.0%，材料拉伸强度先迅速上升然后降低。对于无抗菌剂的空白聚乙烯醇膜材料试样，其拉伸强度最小，为54.53 MPa。当掺入0.4%抗菌剂时，聚乙烯醇膜材料试样的拉伸强度略微提高，为55.82 MPa，提升幅度仅为2.4%。在抗菌剂掺量继续增多时，拉伸强度提升程度逐渐明显，当抗菌剂掺量达到1.6%时，聚乙烯醇膜材料试验的拉伸强度上升到最大值，为62.57 MPa，提升幅度为14.7%。但是，当抗菌剂掺量继续增到2.0%时，拉伸强度开始下降为61.78 MPa。

2.2透气性能分析

图2为各聚乙烯醇膜材料的透氧量情况。

由图2可知，当聚乙烯醇膜材料中的抗菌剂掺量增多时，透氧量逐渐增加。对于未添加抗菌剂的聚乙烯醇膜空白试样，其透氧量最小，阻氧性能较强。当添加抗菌剂后，聚乙烯醇膜材料的透氧量明显增加，阻氧性能下降。基于此，随着抗菌剂掺量增多，聚乙烯醇膜材料透气性能增强。

2.3抗菌性能分析

图3为各聚乙烯醇膜材料的抗菌率情况。

由图3可知，当聚乙烯醇膜材料中的抗菌剂掺量逐渐增多时，抗菌率呈现不断提高的变化。当在聚乙烯醇膜材料中抗菌剂掺量为0.4%时，抗菌率提高到38.5%。当聚乙烯醇膜材料中的抗菌剂掺量为1.6%、2.0%时，抗菌率较大，分别为84.5%、99.7%。由此可见，随着抗菌剂掺量的增多，聚乙烯醇膜材料抗菌性能增强。除此之外，ZIF-8作为一种有机金属骨架，其中含有Zn2+和2-甲基咪唑，ZIF-8本身有着一定的抗菌性能。

2.4热稳定性分析

图4是经过DSC测试之后，各聚乙烯醇膜材料的玻璃化转变温度（Tg）情况。

由图4可知，当聚乙烯醇膜材料中掺入的抗菌剂逐渐增多时，材料Tg呈现逐渐升高的现象，热稳定性提高。对于无抗菌剂的聚乙烯醇膜空白试样，其Tg仅为122.54 ℃。当聚乙烯醇膜材料中掺入的抗菌剂达到2.0%时，材料Tg升高到131.36 ℃。这说明，在聚乙烯醇膜材料中添加抗菌剂，可以提高其玻璃化转变温度，提高其热稳定性。

2.5应用效果

2.5.1应用对象

为探究试验中制备的聚乙烯醇膜材料实际应用效果，选取2022年1月～2023年1月本院收治的骨科创伤患者80例。采用随机分组的方式将这80例骨科创伤患者分为对照组、观察组，每组各40例。同时，在创面面积、创面部位、性别、年龄这些方面，2个组患者无差异。

2.5.2试验方法

各组均先通过生理盐水和医用碘伏进行创面消毒等处理。对照组使用普通医用敷料进行创面覆盖处理，保持创面清洁。观察组使用含有质量分数2.0%抗菌剂的聚乙烯醇膜材料作为敷料，进行创面覆盖处理，保持创面清洁。其中，抗菌剂为Ag-TiO2结合ZIF-8的复合材料。在上述的基础上，2个组都结合常规护理方法对患者进行护理。

2.5.3观察指标与评价标准

（1）愈合效果。根据创面边缘有无水泡或皮瓣坏死情况，分析创面愈合情况，分别评价为优、良、一般、差這4种标准;

（2）抗菌效果。在各组治疗结束后，进行创面取材，并采用固体培养基培养菌落24 h，再进行菌落平板计数。

2.5.4试验结果

采用掺量为2.0%抗菌剂的聚乙烯醇膜材料作为敷料，进行创面愈合和护理应用效果观察试验;具体结果如表1、表2所示。

由表1、表2可知，采用聚乙烯醇膜材料作为敷料的观察组创面愈合情况较好，愈合优良率为77.50%。这比对照组的愈合优良率高，且2个组的创面愈合效果试验结果差异有统计学意义（P＜0.05）。同时护理满意度都较高，但2个组没有统计学意义（P＞0.05）。另外，观察组创面的金黄色葡萄球菌与大肠杆菌菌落数明显低于对照组，且差异显著（P＜0.05）。这表明，采用聚乙烯醇膜材料作为敷料的观察组创面愈合效果以及抗菌效果均较好。因此，该聚乙烯醇膜材料在医用外科方面具备应用价值。

3结语

（1）随着抗菌剂掺量增多，聚乙烯醇膜材料拉伸强度先升后降。当抗菌剂为1.6%时，拉伸强度最大，为62.57 MPa，提升幅度为14.7%；

（2）当聚乙烯醇膜材料中的抗菌剂掺量增多时，材料透气性能、抗菌性能以及热稳定性提高；

（3）当掺入2.0%抗菌剂时，聚乙烯醇膜材料综合性能较好。此时，拉伸强度为61.78 MPa、透氧量为3 832 cm3/（m2·d·Pa）、抗菌率达到99.7%、玻璃化转变温度为131.36 ℃。该聚乙烯醇材料在外科护理中创面愈合效果和抗菌效果均较好。

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