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摘要：本实验通过利用单因素实验确认了聚乙烯醇，氧化石墨烯，发泡剂山梨酯，交联剂甲醛，催化剂硫酸5个因素在聚乙烯醇海绵改性过程中的剂量范围，结果表明：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L。然后使用Design-Expert软件作响应面法设计5因素3水平实验，并根据设计的实验方案得到海绵综合评分进行响应面分析，最后得出海绵的关键性能保水性能受氧化石墨烯含量影响较明显，受其它因素影响较小;最佳配方为硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L。
关键词：氧化石墨烯改性聚乙烯醇海绵;单因素实验;响应面分析;保水性最佳配方
1 引言
负压封闭引流技术，是一种创面治疗方式：它将医用海绵覆盖于创面，并用半透膜进行密封，连接负压动力源，使局部处于负压环境，从而可以将创面坏死组织和渗透液通过引流管排出体外，为创面修复和后期恢复创造良好生长环境。医用海绵主要有聚乙烯醇海绵和聚氨酯海绵这两种[1]。聚乙烯醇海绵具有良好的生物相容性和亲水性，对人体无害，对皮肤无刺激性[2]。所以聚乙烯醇海绵更具有临床使用优势。
碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。石墨烯是碳材料中活性较强的材料[3]，为了充分发挥器优良性，改善其分散性和溶解性，可以使用氧化石墨烯，如果能在聚乙烯醇海绵中加入功能化的氧化石墨烯，对其生物安全性，和保水性对会有一定改善 [3]。
本实验首先对石墨烯氧化，然后利用单因素实验分析了氧化石墨烯、聚乙烯醇、交联剂、发泡剂和催化剂的各组分含量对石墨烯海绵制备的影响，并采用响应面设计对各主效因素进行了参数优化[4][5]，获得最佳配方组分，对其基本理化生性能进行测定并验证，得到了一种新的氧化石墨烯改性聚乙烯醇海绵配方。
2 实验部分
2.1材料與仪器
2.1.1 试剂
聚乙烯醇（PVA，平均聚合度为2488，日本可乐立），石墨烯（郑州富乐化工），甲酸（国药集团化学试剂有限公司），硫酸（国药集团化学试剂有限公司），山梨酯（国药集团化学试剂有限公司 ），甲醛（国药集团化学试剂有限公司），戊二醛（ 国药集团化学试剂有限公司），
2.1.2 仪器与设备
反应釜（定制），辐照设备（中金辐照武汉有限公司），真空冷冻干燥机（上海拓纷机械设备有限公司），千分之一分析天平（上海力辰仪器科技有限公司），负压吸引机（武汉凯信医疗设备有限公司）
2.2制备原理
2.2.1石墨烯的氧化：按重量比1：10称取石墨烯粉末和浓度为20%甲酸溶液，将石墨烯加入酸性溶液中，在温度为2～9摄氏度条件下分散均匀，得到羧基改性的氧化石墨烯溶液，冷冻干燥，得到的粉末即为氧化石墨烯。
2.2.2改性石墨烯海绵的制备原理与方法
将聚乙烯醇溶于水中，然后加入氧化石墨烯，再依次加入发泡剂山梨酯，催化剂硫酸和交联剂甲醛，并在温度为55-95摄氏度条件下固化形成氧化石墨烯改性海绵，然后利用蒸馏水清洗到pH=6.8～7.3切割成15×10×1cm规格，25kg剂量辐照灭菌处理，保存。
2.3单因素实验设计
2.3.1固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分别为190g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，只改变催化剂硫酸的含量为10g/L，30g/L
，50g/L，70g/L，90g/L，110g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.2固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、硫酸的含量分别为190g/L，0.5g/L，3.5g/L，85g/L，只改变交联剂甲酸的含量为90g/L，120g/L，
150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.3固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、硫酸、甲醛的含量分别为190g/L，0.5g/L，85g/L，180g/L，只改变发泡剂山梨酯的含量为1g/L，3g/L，
5g/L，7g/L，9g/L，11g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.4固定聚乙烯醇、硫酸、山梨酯、甲醛的含量分别为190g/L，85g/L，3.5g/L，180g/L，只改变氧化石墨烯的含量为0.1g/L，0.3g/L，
0.5g/L，0.7g/L，1.1g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.5固定硫酸、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分别为85g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，190g/L，只改变聚乙烯醇的含量为90g/L，120
g/L，150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.4响应面实验设计
在单因素实验的基础上，确定各因素取值范围，按照Box-Behnken法进行响应面实验设计来优化产品配方，因素水平编码见表
2.5性能检测方法
保水性能测试：将切割好的规格为15×10cm，厚度为1厘米的海绵吸收50ml蒸馏水后，利用负压吸引机在200mmhg负压下进行临床模拟抽吸实验，72小时后，观察海绵状态。
3 结果讨论
3.1改变催化剂硫酸的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当硫酸含量在70g/L-110g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。 3.2改变交联剂甲酸的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当甲醛含量在150g/L-210g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.3 改变山梨酯的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当山梨醇含量在7g/L-11g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.4 改变氧化石墨烯的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当氧化石墨烯含量在0.5g/L-0.7g/L时，海绵成型成孔呈浅灰色，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.5 改变聚乙烯醇的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当聚乙烯醇含量在150g/L-210g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.6根据单因素试验中聚乙烯醇，氧化石墨烯，山梨酯，甲酸，硫酸对氧化石墨烯海绵的理化性能影响，确定响应面设计中每个因子的适宜范围是：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L
3.7响应面设计是一种很好的数学统计方法，可以寻找多因素系统中最佳的条件，本实验利用D设计，为5因素，3水平（高水平，中水平，低水平），共43次独立实验，每次实验3个平行取平均值，综合评分为响应值为y，综合评分是根据表观形态，保水性能以及海绵在负压机抽负压72h后海绵的软硬状态，遇水后变软的恢复状态（是否均匀恢复，或者不均匀恢复等细节）判断。实验设计及结果见表1
对综合评分影响显著p<0.0001的是一次项X4，二次项X42，影响顺序为X4>X3>X1>X5>X2。本实验p值为0.0492，是显著的，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替实验真实点对结果进行分析。其决定系数为R2为92.05%，说明由这五个因素及其二次项能解释y变化的92.05%，拟合程度较高。
3.8 因素之间的交互作用
如图所示响应面坡度较陡峭说明响应值受因素变化较明显，说明综合评分受氧化石墨烯含量影响较明显。如图所示响应面坡度比较平缓说明响应值受因素变化的影响较小。说明综合评分受硫酸，甲醛，山梨酯，聚乙烯醇影响较小。这与方差结果都是一致的。
3.9 验证性实验
通过响应面优化得出的最佳配方是硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，理论最高综合评分96.1983。为了进一步验证模型的正确性与可靠性，按最有条件进行试验验证，重复三次获的综合评分为95.5，与预测值吻合较好。
4 结论
利用单因素实验研究海绵的关键性能：表观形态，保水性能，发现5个因素的配方适宜范围为：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150 g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L;利用Design-Expert软件作響应面设计5因素3水平实验，43个实验项，进行响应面分析，最后得出海绵的关键性能保水性能受氧化石墨烯含量影响较明显。并根据设计的实验方案分析得出最佳配方为硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，海绵的综合评分可达96.1983，经验证后，重复三次获的综合评分为95.5，与预测值吻合较好。
参考文献：
[1]唐文力，黄瑜，谢曦. 医用聚氨酯泡沫辅料的研究及配方优化[J]. 海南大学学报自然科学版，2016，34（1）：19-24.
[2]孙瑞焕，毛立江，胡元洁，等.离子型聚乙烯醇海绵的结构及性能[J].中国康复理论与实践，2000，6（2）：56-58
[3]郑信民，王怡轸，朱仁佑，等.石墨烯-聚乙烯醇奈米复合材料之制程与机械性质[J]，材料科学，2015，5：103-110.
[4]李湘，刘涛，杨江科. 响应面法优化洋葱伯克霍尔德菌固定化脂肪酶催化合成生物菜油工艺[J].北京化工大学学报，2009，36（5）：43-48.
[5]单联刚，李洪涛，马林. 木薯醇紫薯海绵蛋糕的配方优化[J].食品工业科技，2016，37（16）：296-301.
关键词：氧化石墨烯改性聚乙烯醇海绵;单因素实验;响应面分析;保水性最佳配方
1 引言
负压封闭引流技术，是一种创面治疗方式：它将医用海绵覆盖于创面，并用半透膜进行密封，连接负压动力源，使局部处于负压环境，从而可以将创面坏死组织和渗透液通过引流管排出体外，为创面修复和后期恢复创造良好生长环境。医用海绵主要有聚乙烯醇海绵和聚氨酯海绵这两种[1]。聚乙烯醇海绵具有良好的生物相容性和亲水性，对人体无害，对皮肤无刺激性[2]。所以聚乙烯醇海绵更具有临床使用优势。
碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。石墨烯是碳材料中活性较强的材料[3]，为了充分发挥器优良性，改善其分散性和溶解性，可以使用氧化石墨烯，如果能在聚乙烯醇海绵中加入功能化的氧化石墨烯，对其生物安全性，和保水性对会有一定改善 [3]。
本实验首先对石墨烯氧化，然后利用单因素实验分析了氧化石墨烯、聚乙烯醇、交联剂、发泡剂和催化剂的各组分含量对石墨烯海绵制备的影响，并采用响应面设计对各主效因素进行了参数优化[4][5]，获得最佳配方组分，对其基本理化生性能进行测定并验证，得到了一种新的氧化石墨烯改性聚乙烯醇海绵配方。
2 实验部分
2.1材料與仪器
2.1.1 试剂
聚乙烯醇（PVA，平均聚合度为2488，日本可乐立），石墨烯（郑州富乐化工），甲酸（国药集团化学试剂有限公司），硫酸（国药集团化学试剂有限公司），山梨酯（国药集团化学试剂有限公司 ），甲醛（国药集团化学试剂有限公司），戊二醛（ 国药集团化学试剂有限公司），
2.1.2 仪器与设备
反应釜（定制），辐照设备（中金辐照武汉有限公司），真空冷冻干燥机（上海拓纷机械设备有限公司），千分之一分析天平（上海力辰仪器科技有限公司），负压吸引机（武汉凯信医疗设备有限公司）
2.2制备原理
2.2.1石墨烯的氧化：按重量比1：10称取石墨烯粉末和浓度为20%甲酸溶液，将石墨烯加入酸性溶液中，在温度为2～9摄氏度条件下分散均匀，得到羧基改性的氧化石墨烯溶液，冷冻干燥，得到的粉末即为氧化石墨烯。
2.2.2改性石墨烯海绵的制备原理与方法
将聚乙烯醇溶于水中，然后加入氧化石墨烯，再依次加入发泡剂山梨酯，催化剂硫酸和交联剂甲醛，并在温度为55-95摄氏度条件下固化形成氧化石墨烯改性海绵，然后利用蒸馏水清洗到pH=6.8～7.3切割成15×10×1cm规格，25kg剂量辐照灭菌处理，保存。
2.3单因素实验设计
2.3.1固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分别为190g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，只改变催化剂硫酸的含量为10g/L，30g/L
，50g/L，70g/L，90g/L，110g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.2固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、山梨酯、硫酸的含量分别为190g/L，0.5g/L，3.5g/L，85g/L，只改变交联剂甲酸的含量为90g/L，120g/L，
150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.3固定聚乙烯醇、氧化石墨烯、硫酸、甲醛的含量分别为190g/L，0.5g/L，85g/L，180g/L，只改变发泡剂山梨酯的含量为1g/L，3g/L，
5g/L，7g/L，9g/L，11g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.4固定聚乙烯醇、硫酸、山梨酯、甲醛的含量分别为190g/L，85g/L，3.5g/L，180g/L，只改变氧化石墨烯的含量为0.1g/L，0.3g/L，
0.5g/L，0.7g/L，1.1g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.3.5固定硫酸、氧化石墨烯、山梨酯、甲醛的含量分别为85g/L，0.5g/L，3.5g/L，180g/L，190g/L，只改变聚乙烯醇的含量为90g/L，120
g/L，150g/L，180g/L，210g/L，240g/L，合成氧化石墨烯聚乙烯醇海绵，对产品进行理化检测并综合评价。
2.4响应面实验设计
在单因素实验的基础上，确定各因素取值范围，按照Box-Behnken法进行响应面实验设计来优化产品配方，因素水平编码见表
2.5性能检测方法
保水性能测试：将切割好的规格为15×10cm，厚度为1厘米的海绵吸收50ml蒸馏水后，利用负压吸引机在200mmhg负压下进行临床模拟抽吸实验，72小时后，观察海绵状态。
3 结果讨论
3.1改变催化剂硫酸的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当硫酸含量在70g/L-110g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。 3.2改变交联剂甲酸的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当甲醛含量在150g/L-210g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.3 改变山梨酯的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当山梨醇含量在7g/L-11g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.4 改变氧化石墨烯的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当氧化石墨烯含量在0.5g/L-0.7g/L时，海绵成型成孔呈浅灰色，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.5 改变聚乙烯醇的含量，固定其他组分的含量，合成石墨烯海绵。当聚乙烯醇含量在150g/L-210g/L时，海绵成型成孔，中间未抽干，海绵保水性良好。
3.6根据单因素试验中聚乙烯醇，氧化石墨烯，山梨酯，甲酸，硫酸对氧化石墨烯海绵的理化性能影响，确定响应面设计中每个因子的适宜范围是：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L
3.7响应面设计是一种很好的数学统计方法，可以寻找多因素系统中最佳的条件，本实验利用D设计，为5因素，3水平（高水平，中水平，低水平），共43次独立实验，每次实验3个平行取平均值，综合评分为响应值为y，综合评分是根据表观形态，保水性能以及海绵在负压机抽负压72h后海绵的软硬状态，遇水后变软的恢复状态（是否均匀恢复，或者不均匀恢复等细节）判断。实验设计及结果见表1
对综合评分影响显著p<0.0001的是一次项X4，二次项X42，影响顺序为X4>X3>X1>X5>X2。本实验p值为0.0492，是显著的，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替实验真实点对结果进行分析。其决定系数为R2为92.05%，说明由这五个因素及其二次项能解释y变化的92.05%，拟合程度较高。
3.8 因素之间的交互作用
如图所示响应面坡度较陡峭说明响应值受因素变化较明显，说明综合评分受氧化石墨烯含量影响较明显。如图所示响应面坡度比较平缓说明响应值受因素变化的影响较小。说明综合评分受硫酸，甲醛，山梨酯，聚乙烯醇影响较小。这与方差结果都是一致的。
3.9 验证性实验
通过响应面优化得出的最佳配方是硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，理论最高综合评分96.1983。为了进一步验证模型的正确性与可靠性，按最有条件进行试验验证，重复三次获的综合评分为95.5，与预测值吻合较好。
4 结论
利用单因素实验研究海绵的关键性能：表观形态，保水性能，发现5个因素的配方适宜范围为：聚乙烯醇150g/L-210g/L，氧化石墨烯0.5g/L-0.9g/L，山梨酯1g/L-5g/L，甲酸150 g/L-210g/L，硫酸70g/L-110g/L;利用Design-Expert软件作響应面设计5因素3水平实验，43个实验项，进行响应面分析，最后得出海绵的关键性能保水性能受氧化石墨烯含量影响较明显。并根据设计的实验方案分析得出最佳配方为硫酸110g/L，甲醛150g/L，山梨酯5g/L，氧化石墨烯0.78g/L，聚乙烯醇96.1983g/L，海绵的综合评分可达96.1983，经验证后，重复三次获的综合评分为95.5，与预测值吻合较好。
参考文献：
[1]唐文力，黄瑜，谢曦. 医用聚氨酯泡沫辅料的研究及配方优化[J]. 海南大学学报自然科学版，2016，34（1）：19-24.
[2]孙瑞焕，毛立江，胡元洁，等.离子型聚乙烯醇海绵的结构及性能[J].中国康复理论与实践，2000，6（2）：56-58
[3]郑信民，王怡轸，朱仁佑，等.石墨烯-聚乙烯醇奈米复合材料之制程与机械性质[J]，材料科学，2015，5：103-110.
[4]李湘，刘涛，杨江科. 响应面法优化洋葱伯克霍尔德菌固定化脂肪酶催化合成生物菜油工艺[J].北京化工大学学报，2009，36（5）：43-48.
[5]单联刚，李洪涛，马林. 木薯醇紫薯海绵蛋糕的配方优化[J].食品工业科技，2016，37（16）：296-301.