趙夢(mèng)雅 張美云 楊 強(qiáng)， 聶景怡 解宏濱， 宋順喜，，* 魯 鵬

（1.陜西科技大學(xué)輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021；2.廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧，530004）

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose,MCC）是天然纖維素經(jīng)稀酸水解后形成的可自由流動(dòng)的短棒狀或粉末狀多孔顆粒，具有可再生、可循環(huán)使用、降解性強(qiáng)、比表面積大、結(jié)晶度高等優(yōu)異性質(zhì)，可作為一種優(yōu)異的抗菌載體，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和輕化工行業(yè)［1］。然而，傳統(tǒng)的MCC基抗菌材料，如MCC/納米鉑［2］、MCC/二氧化鈦［3］的抗菌性能差、抗菌持久性弱、熱穩(wěn)定性能差等，限制了其在抗菌材料方面的應(yīng)用。

金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）是由含有氮原子或者氧原子的有機(jī)配體和金屬離子或者金屬簇通過(guò)配位鍵連接形成的一類(lèi)新型晶體材料［4-5］。MOF-5是由［Zn4O］6+與［O2C-C6H4-CO2］2-以八面體形式連接形成的具有三維立體剛性骨架結(jié)構(gòu)材料［6］，可快速殺滅水中的大腸桿菌［7］，具有優(yōu)異的抗菌性能。1，3，5-均苯三甲酸銅（Ⅱ）（HKUST-1）是一種典型的MOFs材料，晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于槳輪［8］。Pezeshkpour等［9］的研究表明，MOF-5具有高效、持久廣譜抗菌活性。王曉嵐［10］的研究結(jié)果證明，HKUST-1具有與MOF-5類(lèi)似的抗菌機(jī)制，能夠與各類(lèi)抗菌載體復(fù)合。與傳統(tǒng)抗菌劑相比，MOFs具有來(lái)源豐富、選擇性高、協(xié)同抗菌能力強(qiáng)等更加優(yōu)異的性能［11］，可解決傳統(tǒng)抗菌劑抗菌選擇性低、抗菌范圍受限的缺點(diǎn)。MCC具有良好的生物可降解性和生物適應(yīng)性，且資源豐富、應(yīng)用廣泛，具有吸附性，可以通過(guò)對(duì)金屬離子的吸附，提高M(jìn)OFs在其表面的生成量。利用MCC和MOFs的各自?xún)?yōu)勢(shì)，將兩者結(jié)合制備出的具有一定生物可降解性、抗菌性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景［12］。

本研究采用原位生長(zhǎng)法先在MCC表面原位生長(zhǎng)MOF-5、HKUST-1，獲得MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元復(fù)合抗菌材料，再引入MOF-5、HKUST-1，生成MCC/MOF-5/HKUST-1、MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合抗菌材料，并對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌及抗菌性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

微晶纖維素（MCC），購(gòu)于美國(guó)FLC公司；六水合硝酸鋅（Zn（NO3）2·6H2O）、乙酸銅（Cu（CH3COO）2·H2O）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF），均為分析純，購(gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)；對(duì)苯二甲酸（H2BDC），化學(xué)純，購(gòu)于成都市新都區(qū)成都科龍化工試劑廠(chǎng)；均苯三甲酸（H3BTC，99%），分析純，購(gòu)于北京百靈威科技有限公司；氯化鈉（NaCl），分析純，購(gòu)于天津市天力化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇（EtOH），分析純，購(gòu)于天津富宇精細(xì)化工有限公司；瓊脂（生物試劑）、蛋白胨（生物試劑）、牛肉膏（生物試劑）均購(gòu)于北京奧博星生物試劑有限責(zé)任公司；大腸桿菌（Escherichia Coli，E.Coli）購(gòu)于百靈威試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 MCC/MOF-5二元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1450 g絕干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH（5∶3，V/V，下同）的混合溶液中，超聲分散均勻，再加入0.1744 g H2BDC，接著將0.6314 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超聲分散均勻，最后將上述分散均勻的溶液迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)4 h，待冷卻至室溫，用DMF、EtOH各洗滌5次，在100℃下烘干，得到MCC/MOF-5二元復(fù)合材料。

1.2.2 MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1450 g絕干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，再加入0.2116 g H3BTC，接著將0.3983 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超聲分散均勻，最后將上述分散均勻的溶液迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)4 h，待冷卻至室溫，用DMF、EtOH各洗滌5次，在100℃下烘干，得到MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料。

1.2.3 MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料的制備

采用原位生長(zhǎng)法制備三元復(fù)合材料。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1 g MCC/MOF-5，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，加入0.21 g H3BTC，溶解后，再加入0.4 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP。將上述反應(yīng)物迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在120℃下反應(yīng)4 h，冷卻至室溫后，分別用DMF和EtOH洗滌數(shù)次，得到MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料。

1.2.4 MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1 g MCC/HKUST-1，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，加入0.17 g H2BDC，溶解后，再加入0.6 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP。將上述反應(yīng)物迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在120℃下反應(yīng)4 h，冷卻至室溫后，分別用DMF和EtOH洗滌數(shù)次，得到MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料。

1.2.5 復(fù)合材料表征

采用Vectory-22（Bruker，德國(guó)）傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析所制備樣品的化學(xué)基團(tuán)（KBr壓片），測(cè)量波長(zhǎng)范圍為400～4000 cm-1；采用D8 Advance（Bruker，德國(guó)）X射線(xiàn)衍射儀（XRD）分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，射線(xiàn)源為Cu Kα（λ=0.154 nm），加速電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為0.2°/s，掃描范圍為2θ=5°～60°；利用S-4800型（Hitachi，日本）掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察樣品的表面形貌，對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，掃描電壓為3 kV。

1.2.6 復(fù)合材料抗菌性能分析

按照GB/T 21510—2008和GB/T 21866—2008中所述的抑菌圈法［13］表征所有樣品的抗菌性能。具體如下：將15 g的瓊脂、10 g蛋白胨、3 g牛肉膏粉和5 g氯化鈉加入到500 mL蒸餾水中加熱煮沸至完全溶解，用生理鹽水調(diào)節(jié)pH值至7.0，最后定容至1 L，制備出液體培養(yǎng)基，然后將培養(yǎng)基和培養(yǎng)皿放入滅菌鍋中于121℃下滅菌15 min。完全滅菌后，在無(wú)菌工作臺(tái)中，先將一定量的液體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中水平靜置，無(wú)菌條件下冷卻制備固體培養(yǎng)基，再將0.4 mL大腸桿菌的細(xì)菌懸浮液均勻涂覆在固體培養(yǎng)基上，然后各稱(chēng)取0.01 g二元和三元復(fù)合材料，用specac壓片機(jī)制備直徑為5 mm的圓形試樣，再將圓形試樣置于培養(yǎng)基中，30℃培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)24 h，測(cè)量抑菌圈直徑。按照上述測(cè)定程序，重復(fù)抗菌實(shí)驗(yàn)4次以測(cè)定復(fù)合材料的抗菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與形貌

圖1為二元復(fù)合材料MCC/MOF-5、MCC/HKUST-1和三元復(fù)合材料MCC/HKUST-1/MOF-5、MCC/MOF-5/HKUST-1的FT-IR譜圖。從圖1可以看出，二元和三元復(fù)合材料在1616～1809 cm-1內(nèi)表現(xiàn)出很強(qiáng)的紅外吸收峰，根據(jù)文獻(xiàn)［14］報(bào)道，羧酸官能團(tuán)中 ═C O振動(dòng)吸收峰主要出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域；1550～1700 cm-1和1300～1420 cm-1處的吸收峰為對(duì)苯二甲基中—COOH的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)峰，650～1300 cm-1處的吸收峰為C—H面內(nèi)、面外彎曲振動(dòng)峰，是MOF-5的框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)峰［15］，說(shuō)明MOF-5成功負(fù)載在MCC上。結(jié)合HKUST-1的FT-IR圖［8］，1653 cm-1處吸收峰為 ═C O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，1447 cm-1處吸收峰對(duì)應(yīng)了O—H基團(tuán)的彎曲振動(dòng)峰，1246 cm-1處吸收峰對(duì)應(yīng)了C—O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，747 cm-1附近振動(dòng)峰證明了氧原子與銅的結(jié)合，這些都與Wang［8］和Rowsell等［16］的結(jié)論相一致，證明了HKUST-1成功負(fù)載在MCC上，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)成功制備了二元和三元復(fù)合材料。

圖1 二元及三元復(fù)合材料的FT-IR譜圖

圖2 二元及三元復(fù)合材料的XRD譜圖

圖3 二元及三元復(fù)合材料的SEM圖片

圖2為所制備的二元及三元復(fù)合材料的XRD譜圖。其中，2θ=14.9°、16.4°、22.7°和34.5°處的衍射峰分別歸屬于MCC的（101）、（101）、（002）和（040）晶面［17］。此外，2θ=11.9°、13.8°、15.3°和19.7°處的衍射峰分別歸屬于HKUST-1的特征峰，Chui等［18］報(bào)道了相似的結(jié)果。其次，2θ=8.8°、9.9°、15.7°、19.9°和21.3°的衍射峰分別歸屬于MOF-5的（200）、（220）、（400）、（420）和（531）晶面［19］，并且沒(méi)有雜峰存在，證明本實(shí)驗(yàn)成功制備了純度較高的二元和三元復(fù)合材料。

圖3為所制備的二元及三元復(fù)合材料的SEM圖。圖3（a）的SEM成像顯示，采用原位生長(zhǎng)法生成的MOF-5為立方體結(jié)構(gòu)［20］；圖3（b）表明，HKUST-1為柱狀或片狀結(jié)構(gòu)，由于銅元素與均苯三甲酸的3個(gè)羧基配位，晶體的生長(zhǎng)速率較快，且納米粒子有量子尺寸效應(yīng)，顆粒與顆粒之間容易通過(guò)范德華力和庫(kù)侖力粘結(jié)在一起［21］，形成了圖中的簇狀結(jié)構(gòu)［22］；圖3（c）和圖3（e）顯示，MCC表面立方體架構(gòu)的MOF-5和棒狀結(jié)構(gòu)的HKUST-1互相鑲嵌，說(shuō)明成功合成了MCC/MOFs/MOFs三元復(fù)合材料；由圖3（d）和圖3（f）可以看出，MCC表面包覆有大量MOFs。進(jìn)一步證明了本實(shí)驗(yàn)成功將MOF-5和HKUST-1負(fù)載在MCC表面，制備出了二元和三元復(fù)合材料。

2.2 抗菌性能分析

二元及三元復(fù)合材料抗菌前后的圖片如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)24 h的細(xì)菌培養(yǎng)后，二元及三元復(fù)合材料均出現(xiàn)明顯的抑菌圈，表明所制備的復(fù)合材料具有抑菌效果。這是由于MOFs的中心金屬離子對(duì)細(xì)菌具有細(xì)胞毒性，通過(guò)使膜蛋白、脂肪酸變性或者改變跨膜運(yùn)輸?shù)耐ㄍ感云茐牧思?xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響細(xì)菌的增殖和生長(zhǎng)［23］。當(dāng)微生物與二元和三元復(fù)合材料接觸時(shí)，微生物細(xì)胞壁吸附金屬離子，導(dǎo)致微生物無(wú)法生長(zhǎng)。由抗菌后的樣品可以看出，相比于呈白色的二元復(fù)合材料，抗菌后的MCC/MOFs/MOFs三元復(fù)合材料呈淡黃色（Zn2+）和淡綠色（Cu2+），表明其仍具有活性金屬離子，存在抗菌活性，因此相比于二元復(fù)合材料，三元復(fù)合材料具有更長(zhǎng)的抗菌時(shí)間，其抗菌性能更加優(yōu)良。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在抗菌完成后，復(fù)合材料的顏色也發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)顏色蛻變現(xiàn)象，因此其可作為抗菌指示劑并具有一定的應(yīng)用前景。

二元及三元復(fù)合材料的抑菌圈直徑如圖5所示。結(jié)合圖5數(shù)據(jù)，已知樣品直徑為5 mm，培養(yǎng)24 h后，與MCC/HKUST-1復(fù)合材料相比，MCC/MOF-5復(fù)合材料的抗菌效果更好，抑菌圈直徑達(dá)到18.7 mm，這是因?yàn)镸OF-5的中心金屬離子是Zn2+，HKUST-1的中心金屬離子是Cu2+，Zn2+的抗菌能力大于Cu2+，所以MOF-5的抗菌效果較HKUST-1優(yōu)異。MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料暴露在最外層的是MOF-5，而MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料暴露在最外層的是HKUST-1，所以MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材的抗菌效果較MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料好，抑菌圈直徑分別為22.3 mm和21.3 mm。

圖4 二元及三元復(fù)合材料抗菌前后的圖片

圖5 二元及三元復(fù)合材料的抑菌圈直徑

由圖4和圖5可知，三元復(fù)合材料比對(duì)應(yīng)的二元復(fù)合材料的抑菌圈直徑更大，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗菌作用。這主要是因?yàn)槿獜?fù)合材料中金屬離子的種類(lèi)較多，復(fù)合材料的抗菌性主要源自MOF-5的Zn2+和HKUST-1的Cu2+［8］，而且金屬離子具有協(xié)同殺菌的作用，兩種金屬離子的殺菌率大于單獨(dú)金屬離子的殺菌率［10］。Jin等［24］研究了通過(guò)離子注入的方法，將銀離子和鋅離子同時(shí)注入到鈦基材料表面，其殺菌性能優(yōu)于只注入銀離子或鋅離子的鈦基材料，說(shuō)明同時(shí)注入的銀離子和鋅離子具有協(xié)同殺菌作用。因此，三元復(fù)合材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗菌能力。

3 結(jié) 論

3.1 采用原位沉積法將兩種金屬有機(jī)框架化合物（Metal-Organic Frameworks，MOFs）MOF-5和1，3，5-均苯三甲酸銅（Ⅱ）（HKUST-1）負(fù)載在微晶纖維素（MCC）上，制備出MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料以及MCC/MOF-5/HKUST-1和MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料。沉積在MCC上的MOF-5為納米級(jí)的立方體結(jié)構(gòu)，沉積在MCC上的HKUST-1為納米級(jí)的棒狀結(jié)構(gòu)。三元復(fù)合材料中MOF-5和HKUST-1互相鑲嵌，包覆在MCC表面。

3.2 復(fù)合材料的抗菌性能主要源于MOFs，由于金屬離子的協(xié)同殺菌作用，三元復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌的抗菌效果優(yōu)于二元復(fù)合材料。

3.3 復(fù)合材料在抗菌過(guò)程中出現(xiàn)了褪色現(xiàn)象，未來(lái)其在制備抗菌指示劑方面具有一定的前景。