黃程博， 任學(xué)宏

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平顯著提高，但仍不可忽視當(dāng)前突出的健康問(wèn)題；環(huán)境中存在的大量細(xì)菌可對(duì)人體健康造成危害，因此，抑制細(xì)菌在材料表面的生長(zhǎng)，對(duì)抗菌材料的研究以及人類健康具有重要意義[1]。目前抗菌材料有季銨鹽、金屬離子和金屬氧化物，在各種抗菌劑中鹵胺化合物由于其優(yōu)良的生物殺菌性和耐久性而引起了廣泛的關(guān)注，且鹵胺化合物對(duì)多種細(xì)菌均具有抗菌殺菌效果[2-3]，已被廣泛應(yīng)用于生物殺菌涂料、紡織、水過(guò)濾等領(lǐng)域。

納米材料由于具有比表面積大，直徑小的特點(diǎn)而吸引了越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用到不同的領(lǐng)域[4-5]。靜電紡絲是制備納米級(jí)纖維的一種簡(jiǎn)單而有效的方法[6]，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)得到的纖維具有多種優(yōu)點(diǎn)，如直徑大，比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)等，因此將抗菌劑引入到靜電紡納米纖維中具有巨大的潛力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[7-8]。聚丙烯腈因其官能團(tuán)不活潑，且在正常條件下不易發(fā)生氧化反應(yīng)，耐酸堿腐蝕，對(duì)一般試劑具有化學(xué)惰性，所以是靜電紡絲常用的基材[9-10]。目前，靜電紡聚丙烯腈纖維膜已被用于吸附染料、氣液過(guò)濾方面[11-12]。而用于抗菌材料時(shí)，通過(guò)聚丙烯腈和小分子化合物共混獲得抗菌性，這種材料存在抗菌性不穩(wěn)定、易分解等缺點(diǎn)[13]。

為此，本文首先采用海因單體3-(4’-乙烯芐基)-5，5-二甲基海因 (VBDMH)與甲基丙烯酸甲酯(MMA)合成一種抗菌型鹵胺高分子，然后將其與聚丙烯腈進(jìn)行共混，通過(guò)靜電紡絲制備穩(wěn)定高效的抗菌性納米纖維膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚丙烯腈(PAN，相對(duì)分子質(zhì)量為15 000)、海因(DMH)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、過(guò)硫酸鉀、乙醇、甲醇、次氯酸鈉、淀粉、稀硫酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)； N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、4-氯甲基苯乙烯(西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司)；氫氧化鉀(KOH)、碘化鉀(KI)、硫代硫酸鈉(上海Aladdin科技股份有限公司)；磷酸鹽緩沖液、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌(美國(guó)奧本大學(xué))。

INOVA-400型核磁共振儀，美國(guó)Varian技術(shù)有限公司；TM3030型掃描電子顯微鏡，日立高新技術(shù)公司；vario MICRO cube型元素分析儀，德國(guó) Elementar 貿(mào)易有限公司；NICOLET iS10型傅里葉變換紅外光譜測(cè)試儀，美國(guó)賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；JY-150Y型超聲細(xì)胞粉碎機(jī)，上海秉越電子儀器有限公司；IKA RV 10型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，德國(guó)IKA科技有限公司；DF-1CD型數(shù)顯恒溫磁力攪拌油浴鍋，常州金壇億能實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2 鹵胺前驅(qū)體納米顆粒的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[14]合成VBDMH粉末，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：首先將5.28 g KOH溶解在乙醇溶液中，隨后將12.8 g的DMH溶入KOH的乙醇溶液中；同時(shí)在圓底燒瓶中稱取45 mL甲醇溶液，將15.27 g的4-氯甲基苯乙烯在通風(fēng)條件下快速加入到燒瓶中，攪拌至充分溶解；然后將上述2種溶液混合均勻，置于60 ℃數(shù)顯恒溫磁力攪拌油浴鍋中，持續(xù)勻速攪拌10 h。待溶液冷卻后對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、蒸發(fā)，通過(guò)重結(jié)晶提取較為純凈的VBDMH粉末。

為得到均勻的MMA和VBDMH混合溶液，將MMA和VBDMH依次加入到80 mL去離子水中，然后置于超聲細(xì)胞粉碎機(jī)中。為避免混合液在振蕩分散過(guò)程中溫度過(guò)高，將其放置在冰水裝置中，然后持續(xù)超聲10 min，直至得到均勻分布的MMA和VBDMH混合溶液。之后將混合溶液加熱至75 ℃，同時(shí)將0.05 g的過(guò)硫酸鉀溶解在20 mL去離子水中，然后逐滴加入MMA和VBDMH混合液中，在N2保護(hù)條件下反應(yīng)6 h得到含有鹵胺高分子前驅(qū)體的液體。最后通過(guò)離心、提純得到鹵胺高分子前驅(qū)體納米顆粒。鹵胺高分子共聚物用Px(x=10∶90，20∶80，30∶70，40∶60)表示，P10∶90即代表聚合前VBDMH與MMA的量比為10∶90時(shí)所形成的聚合物。

1.3 抗菌PAN納米纖維膜的制備

稱取1.6 g的PAN固體粉末，將其加入到20 mL的DMF溶液中，在25 ℃條件下快速攪拌直至紡絲液澄清透明。然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的鹵胺高分子前驅(qū)體加入到上述紡絲液中，勻速攪拌至高分子完全溶解進(jìn)行靜電紡絲，制備出PAN納米纖維膜。紡絲過(guò)程中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為15 kV，噴射距離為15 cm。

1.4 納米纖維膜的氯化

首先制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的次氯酸鈉溶液，并用稀硫酸溶液調(diào)至pH值為7備用；將1.3節(jié)制備的納米纖維膜浸沒(méi)到上述次氯酸鈉溶液中，氯化1 h后，用大量的去離子水對(duì)納米纖維膜表面進(jìn)行沖洗，去除纖維間殘留的自由氯離子；然后將納米纖維膜放入45 ℃真空干燥箱中1 h后取出待用，以去除表面殘留氯離子。

1.5 納米纖維膜的含氯量測(cè)試

為測(cè)定納米纖維膜的含氯量，采用碘化/硫代硫酸鹽滴定法。具體操作步驟為：稱取1 g淀粉并加入100 mL去離子水，在高溫條件下配置成澄清透明的淀粉溶液，最后冷卻至常溫備用；再用少量去離子水潤(rùn)濕0.05 g氯化后的納米纖維膜，然后加入KI并滴加少量淀粉溶液，快速攪拌使KI完全溶解，抗菌納米纖維膜被滲透，觀察其表面和溶液顏色變化。為避免溶液發(fā)生氧化，整個(gè)過(guò)程需要在密封條件下進(jìn)行。顯色完成后，用硫代硫酸鈉溶液進(jìn)行滴定，待溶液顏色完全消失，記錄所用的硫代硫酸鈉溶液的體積，并計(jì)算納米纖維膜的含氯量，其計(jì)算公式為

式中：m為抗菌納米纖維膜的質(zhì)量，g；V為用于滴定抗菌納米纖維膜的硫代硫酸鹽標(biāo)準(zhǔn)液的體積，L；N為硫代硫酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)液的濃度，mol/L；C為抗菌纖維膜中氧化態(tài)氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；35.45為氯原子的相對(duì)原子質(zhì)量。

1.6 納米纖維膜的微觀形貌和結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜表面的納米顆粒和納米纖維；并利用拍攝的電鏡照片進(jìn)行納米纖維直徑分析。

采用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)納米纖維及鹵胺高分子前驅(qū)體的官能團(tuán)進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)前先將試樣在30 ℃烘箱中烘燥12 h，然后在室溫條件下，采集4 000～500 cm-1之間的納米纖維膜的紅外特征峰。

采用核磁共振譜儀(1H NMR)對(duì)鹵胺聚合物分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步表征，實(shí)驗(yàn)時(shí)以氘代試劑(CD3COCD3)為溶劑，參比物為四甲基硅烷。

1.7 表面元素組成測(cè)試

取2～5 mg的鹵胺高分子前驅(qū)體在元素分析儀上對(duì)C、H、N、O等元素含量進(jìn)行測(cè)試。

1.8 接觸性抗菌測(cè)試

根據(jù)AATCC 100—2012《抗菌紡織品的評(píng)價(jià)方法》，分別檢測(cè)氯化前后抗菌性納米纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌抑菌效果。制備大小(尺寸為2.54 cm×2.54 cm)厚度相同的對(duì)照樣和抗菌樣若干個(gè)，以及pH值為7的100 μmol/L磷酸鹽緩沖液。分別將金黃色葡萄球菌和大腸桿菌懸浮于緩沖液中，配制成一定濃度的細(xì)菌懸浮液(每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品約有106個(gè)CFU細(xì)菌)。然后將25 μL細(xì)菌懸浮液滴加到氯化前后抗菌納米纖維膜的正中心，滴加完成后，采用“三明治”夾層接觸試驗(yàn)法在樣品表面再覆蓋1層相同的樣品，確保其與細(xì)菌能有良好的接觸，實(shí)驗(yàn)在無(wú)菌環(huán)境中進(jìn)行。達(dá)到抗菌接觸時(shí)間后，為中和樣品的殘留氯，用5.0 mL濃度為0.02 mol/L的硫代硫酸鈉溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行淬火處理，并在離心管中高速振蕩2 min，從而終止殺菌作用，然后對(duì)菌液進(jìn)行多次稀釋。在37 ℃條件下，將稀釋液在營(yíng)養(yǎng)基中接種培養(yǎng)24 h，使菌落快速生長(zhǎng)繁殖。最后用細(xì)菌菌落計(jì)數(shù)法計(jì)算樣品中細(xì)菌的數(shù)量，分析樣品的抗菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹵胺高分子前驅(qū)體的微觀形貌分析

圖1為乳液聚合并提純后的鹵胺高分子前驅(qū)體納米微球的掃描電子顯微鏡(SEM)照片?？芍弘m然VBDMH與MMA的聚合比例不同，但聚合形成的納米顆粒表面形貌大致相同；隨著VBDMH的聚合比例增加，鹵胺高分子前驅(qū)體P20∶80到P40∶60的表面形貌均勻，納米顆粒直徑有略微增大的趨勢(shì)。

圖1 不同反應(yīng)比例下鹵胺高分子前驅(qū)體的SEM照片(×10 000)Fig.1 SEM images of nanoparticles prepared at different reaction proportions(×10 000)

綜上所述，通過(guò)乳液聚合獲得的納米顆粒，其表面光滑，直徑分布均勻，且納米顆粒的離散度低。同時(shí)，通過(guò)探討VBDMH的聚合比例對(duì)共聚物納米顆粒影響可看出，VBDMH初始濃度的增加對(duì)顆粒的大小影響不大。

2.2 鹵胺高分子前驅(qū)體的元素分析

表1示出不同聚合比例下鹵胺高分子前驅(qū)體的元素分析結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)VBDMH與MMA的量比為10∶90時(shí)，P10∶90中元素C和N的含量分別為61.16%和4.9%，隨著物質(zhì)的量比逐漸增大，反應(yīng)結(jié)束后共聚物單體的量比n∶m(n∶m為反應(yīng)結(jié)束后共聚物中VBDMH和MMA的量比)也逐漸增大；當(dāng)VBDMH與MMA初始量比為30∶70時(shí)，共聚物中VBDMH的量呈穩(wěn)定增加的趨勢(shì)。這是由于在反應(yīng)中VBDMH成分越多，VBDMH的反應(yīng)活性就越高。當(dāng)VBDMH與MMA的聚合比例為40∶60時(shí)，共聚物單體的量比最大。

表1 不同比例的鹵胺高分子前驅(qū)體中的元素比例Tab.1 Proportion of elements in nanopolymers of different proportions

2.3 鹵胺高分子前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)分析

圖2為VBDMH與MMA乳液聚合生成的鹵胺高分子前驅(qū)體的化學(xué)式及核磁譜圖。

圖2 鹵胺高分子前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)式和核磁譜圖Fig.2 Structure formula(a)and 1H NMR(b)of poly(VBDMH-co-MMA) nanoparticles

2.4 PAN抗菌納米纖維膜的表面形貌

圖3為氯化前后抗菌性納米纖維的SEM照片。從圖3(a)中可觀察到，氯化前納米纖維表面沒(méi)有凹凸不平的現(xiàn)象，且沒(méi)有形成珠結(jié)，直徑尺寸分布均勻，這說(shuō)明鹵胺高分子前驅(qū)體能夠很好地溶解在DMF溶液中。從圖3(b)觀察到納米纖維表面沒(méi)有明顯變化，纖維取向隨機(jī)、均勻相互交聯(lián)?？傊u胺高分子前驅(qū)體能夠溶解在DMF溶液中，高分子前驅(qū)體的添加對(duì)于靜電紡絲過(guò)程和納米纖維膜的形成沒(méi)有產(chǎn)生直觀的影響。

圖3 氯化前后納米纖維的SEM照片(×5 000)Fig.3 SEM images of nanofibers before (a) and after (b) chlorination(×5 000)

2.5 PAN抗菌納米纖維膜的抗菌性能

氯化前后PAN抗菌納米纖維膜的抗菌結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，氯化前的納米纖維膜與氯化后的抗菌納米纖維膜對(duì)2種細(xì)菌的殺菌、抑菌效果不同。從氯化前的纖維膜的抗菌結(jié)果看出，在接觸時(shí)間30 min后，2種細(xì)菌的數(shù)量依然會(huì)減少很多。這是因?yàn)殪o電紡納米纖維具有比表面積大的特點(diǎn)，且纖維與纖維相互交錯(cuò)，有利于細(xì)菌的附著，所以會(huì)有一部分細(xì)菌依附在纖維表面存活。從氯化后的納米纖維膜的殺菌結(jié)果看出，在接觸1 min后，抗菌納米纖維對(duì)接種的細(xì)菌有明顯的抑制作用；隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，殺菌率逐漸升高，在30 min內(nèi)可使大腸桿菌和金黃色葡萄球菌2類細(xì)菌失活，相對(duì)于原膜抗菌性提高20%～50%，抗菌性較好。

表2 納米纖維膜的抗菌效果Tab.2 Antibacterial effect of nanofibers

3 結(jié) 論

本文通過(guò)乳液聚合獲得的鹵胺高分子前驅(qū)體，當(dāng)VBDMH與MMA的初始量比為40∶60時(shí)，單體聚合反應(yīng)活性最好，制備的鹵胺高分子前驅(qū)體具有光滑的表面，且直徑分布均勻，離散度相對(duì)較低。鹵胺前驅(qū)體的添加對(duì)聚丙烯腈納米纖維膜的形成沒(méi)有較大的影響，抗菌納米纖維膜具有光滑的表面，且纖維直徑均勻分布。經(jīng)過(guò)氯化后的抗菌納米纖維膜在30 min內(nèi)可使接觸的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌2類細(xì)菌失活，相對(duì)于原膜抗菌性提高20%～50%，抗菌性較好。

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