賈 琳，王西賢，陶文娟，張海霞，覃小紅,2

(1. 河南工程學院 紡織學院，河南 鄭州 450007； 2. 東華大學 紡織學院，上海 201620)

生活環(huán)境中微生物無處不在，雖然人類能與絕大部分微生物相互依存，但也要面對細菌、病毒等病原菌對健康甚至是生命的威脅。近些年來，人們對抗生素的過分依賴和濫用，使部分病原菌產(chǎn)生了耐藥性，導致出現(xiàn)了超級細菌，加重了對人類生存環(huán)境的危害[1]，所以抗菌材料的研究和應用逐漸成為學者研究的熱點。與人身體緊密接觸的紡織品也是其中一個重要方向，越來越多的抗菌、除臭等功能性紡織品受到人們的重視[2]。

抗菌材料是指在一定時間內(nèi)能控制微生物的繁殖和生長，或是使細菌、病毒等微生物滅失活性的材料[3-4]。根據(jù)抗菌劑成分的不同，可將抗菌材料分為天然抗菌材料、有機抗菌材料和無機抗菌材料[5]。天然抗菌材料因其抗菌性能不穩(wěn)定、提取成本過高等，限制了其應用范圍，而有機抗菌材料和無機抗菌材料在抗菌材料市場中占絕對優(yōu)勢。但是，有機抗菌材料在使用過程中對人身體有一定的副作用，如青霉素、磺胺類、頭孢菌素類等抗菌藥物泛濫應用導致細菌的耐藥性，從而使本來已控制良好的傳染性疾病更為嚴重的暴發(fā)。近些年，更多的學者將研究方向轉(zhuǎn)向了無機抗菌材料，其具有抗菌譜較廣，耐氣候性較好，安全系數(shù)較高等優(yōu)點，目前不足之處是制造成本稍高，抗菌效果方面有一定的遲緩性。

三氯生(TCS)屬于一種有機的廣譜抗菌劑，被廣泛應用在各個領(lǐng)域。二氧化鈦(TiO2)是一種無機抗菌劑，屬于金屬氧化物半導體材料，安全無毒，其具有的光催化活性使其對多種微生物具有潛在的抗菌能力，受到了越來越多研究者的關(guān)注[6]。本文將2種抗菌劑加入到聚丙烯腈(PAN)溶液中，利用靜電紡絲技術(shù)制備具有抗菌功能的PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜，對比分析了2種復合納米纖維膜的結(jié)構(gòu)和抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

材料：聚丙烯腈(PAN，質(zhì)均分子量為85 000)，上海金山石油化工有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析純)，天津市科密歐化學試劑有限公司；TiO2(P25)，北京上偉科林科貿(mào)有限責任公司；三氯生(TCS，純度為99%)，百靈威科技有限公司；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA)、營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(NB)，杭州微生物試劑有限公司；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，蘇州大學生命科學學院。

儀器：Quanta 250型掃描電子顯微鏡，捷克FEI公司；Nicolet6700型傅里葉紅外光譜分析儀，美國ThermoFisher公司；LDZX-50FBS型試管振蕩器，上海一恒科學儀器有限公司；SPX-80B-II型恒溫培養(yǎng)箱，上海賀德實驗室設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 抗菌納米纖維膜的制備

首先將PAN粉末溶解在DMF中配制成質(zhì)量分數(shù)為12%的純PAN溶液，然后分別在純PAN溶液中加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%的TCS和TiO2，將 5種溶液放在磁力攪拌器上攪拌24 h至完全溶解，消泡后待用。由于納米TiO2不能溶解在DMF中，因此，PAN/TiO2為懸浮溶液，而PAN/TCS 為澄清透明的均勻溶液。

利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜，靜電紡絲裝置為自制。實驗參數(shù)為：紡絲溶液流速1.0 mL/h；正極電壓18 kV；接收距離20 cm。最后將制備的純PAN、PAN/TCS(TCS質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1.0%)、PAN/TiO2(TiO2質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1.0%)納米纖維膜分別記為1#、2#、3#、4#、5#樣品。

1.2.2 抗菌納米纖維膜微觀形態(tài)觀察及直徑測試

利用碳導電膠將樣品貼在樣品臺上，并作好標記，對樣品進行噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對納米纖維膜表面形貌進行觀察分析。然后根據(jù)納米纖維的SEM照片，利用Image J軟件隨機測量100根納米纖維的直徑，計算PAN抗菌復合納米纖維的直徑平均值和標準差。

1.2.3 抗菌納米纖維膜的化學結(jié)構(gòu)測試

將純PAN納米纖維膜和抗菌復合納米纖維膜從鋁箔表面剝離下來，取一小塊樣品并剪碎后放入瑪瑙研缽中，使納米纖維膜與溴化鉀充分混合均勻，使用壓片裝置制成透明薄片，放入傅里葉變換紅外光譜儀中掃描測試樣品的化學結(jié)構(gòu)。

1.2.4 抗菌納米纖維膜的拉伸力學性能測試

將純PAN納米纖維膜和抗菌復合納米纖維膜從鋁箔上剝離下來，利用模板將纖維膜制備成5 mm×20 mm 的長方形試樣，然后放置在纖維強力測試儀的上、下夾持器中，夾持距離為20 mm，下夾持器的運動速度為20 mm/min，測試抗菌納米纖維膜的拉伸力學性能。

1.2.5 納米纖維膜抗菌性能的測試

參照GB/T 20944.1—2007《紡織品 抗菌性能的評價 第1部分：瓊脂平皿擴散法》、GB/T 20944.3—2008 《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》對PAN/TCS、PAN/TiO2納米纖維膜的抗菌性能進行定性和定量的測試。同時，為證明TCS、TiO2的抗菌能力，排除干擾，將鋁箔和純PAN納米纖維膜作為空白樣進行抗菌定性測試。為保證實驗結(jié)果中對比數(shù)據(jù)的科學性，實驗所測的所有試樣必須在相同的實驗條件下，且盡可能減小操作的時間差[7]。

因為TiO2是半導體光催化抗菌材料，所以本文將PAN/TiO2納米纖維膜在500 lx的光照強度下照射12 h，達到激活其光催化功能的目的(使其在光作用下產(chǎn)生大量的羥基和氧自由基，與微生物發(fā)生有機物質(zhì)氧化反應，從而殺滅細菌)，再做抗菌性能實驗。

根據(jù)納米纖維膜的定性抗菌測試結(jié)果，按照下式計算抑菌圈寬度

式中：W為抑菌圈平均寬度，mm；D為抑菌圈外圈直徑，mm；d為測試樣品直徑，mm。

納米纖維膜抗菌性能的定量測試中，將空白培養(yǎng)皿作為對照樣進行細菌的培養(yǎng)，振蕩培養(yǎng)18 h后，根據(jù)三角瓶中對照樣與試樣的活菌濃度差，按照下式計算樣品的抑菌率

式中：R為測試樣品的抑菌率，%；Ct為對照樣活菌濃度的平均值，CFU/mL；St為試樣活菌濃度的平均值，CFU/mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAN抗菌納米纖維膜的微觀形貌分析

純PAN、PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜的SEM照片如圖1所示?？芍?，1#純PAN納米纖維與PAN/TCS 復合納米纖維(2#、3#)的表面圓潤光滑，纖維交叉排列，直徑粗細相對均勻，無黏連現(xiàn)象的出現(xiàn)；而PAN/TiO2復合納米纖維(4#和5#)的表面出現(xiàn)了納米顆粒團聚現(xiàn)象，且隨著TiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，納米纖維表面負載更嚴重，團聚更明顯。這是因為TCS是有機抗菌劑，相似相溶原理使TCS能更好地與PAN溶液混合溶解，通過靜電紡絲過程TCS可進入到PAN納米纖維內(nèi)部[8]；由于TiO2納米粒子擁有很高的表面能，且表面原子本位缺失等，表現(xiàn)出優(yōu)異的表面效應和小尺寸效應，所以具有很高的化學活性，導致部分顆粒在纖維表面相互聚集發(fā)生團聚現(xiàn)象[9]。

本文雖然利用物理混合方法配制了PAN/TCS 和PAN/TiO2溶液，并制備了PAN/TCS 和PAN/TiO2復合納米纖維膜，但通過纖維的SEM照片可知，TCS已進入PAN納米纖維膜內(nèi)部；當TiO2的質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，雖然部分TiO2附著在纖維表面，但由于纖維的雜亂無取向排列，TiO2納米顆粒依然分散在納米纖維膜內(nèi)部。由此可知，2種抗菌劑TCS和TiO2都不會從纖維膜表面脫落下來，其抗菌性也將會比較穩(wěn)定、持久。

圖1 PAN抗菌復合納米纖維膜的掃描電鏡照片(×10 000)Fig.1 SEM images of PAN antibacterial composite nanofibers(×10 000)

為進一步研究抗菌劑的種類和質(zhì)量分數(shù)對納米纖維直徑的影響，本文測試了純PAN和抗菌復合納米纖維的直徑，結(jié)果如表1所示。

表1 PAN抗菌復合納米纖維的直徑平均值和標準差Tab.1 Average diameter and standard deviation of PAN antibacterial composite nanofibers nm

可知：PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維直徑與純PAN相比都有顯著的減小，減小幅度為39% ～71%；且隨著抗菌劑質(zhì)量分數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同的趨勢，PAN/TCS 復合納米纖維的直徑隨著TCS質(zhì)量分數(shù)的增加而減小，而PAN/TiO2復合納米纖維直徑隨著TiO2質(zhì)量分數(shù)的增加而增大。這主要是因為隨著TCS質(zhì)量分數(shù)的增加，溶液的電導率增大，在同等實驗條件下，電場作用在泰勒錐表面的電場力會增大，使射流在鞭動過程中，隨著牽伸力的增大而加速沉積在收集裝置上，從而使納米纖維的直徑變小，且纖維直徑也變得更加均勻；而TiO2作為無機納米顆粒，雖然也可有效地增加PAN/TiO2溶液的導電率，但隨著TiO2納米顆粒含量的增加，納米纖維表面負載更嚴重，團聚現(xiàn)象更為突出，致使紡制的納米纖維直徑增大，標準差增加[10]。

2.2 抗菌復合納米纖維膜的化學結(jié)構(gòu)分析

純PAN、PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜的紅外光譜圖如圖2所示。

圖2 PAN抗菌復合納米纖維膜的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of PAN antibacterial composite nanofibers

2.3 復合納米纖維膜的拉伸性能

納米纖維膜的拉伸性能是其主要力學性能之一，影響纖維膜的應用范圍。純PAN納米纖維膜和PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜的拉伸曲線如圖3所示。

圖3 靜電紡抗菌復合納米纖維膜的拉伸曲線Fig.3 Stress-strain curves of electrospun antibacterial composite nanofibrous membranes

由圖3可知，純PAN納米纖維膜的初始模量較低，斷裂強度(為4.92 MPa)較小，抗菌劑TCS和TiO2的加入均有效地增加了抗菌復合納米纖維膜的斷裂強度，但斷裂伸長率減小。特別是PAN/TCS 復合納米纖維膜，添加TCS質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1.0%時斷裂強度分別為8.48和9.24 MPa，比純PAN納米纖維膜增加了72.4%和87.8%，這主要是因為TCS的加入有效地減小了PAN/TCS 復合納米纖維的直徑和直徑標準差，纖維直徑越小，直徑分布越均勻，越多的纖維承受拉伸力的作用，所以PAN/TCS 納米纖維膜的斷裂強度增加。無機抗菌劑TiO2的加入雖然也減小了納米纖維的直徑，但直徑分布不均勻，且部分TiO2納米顆粒聚集在PAN纖維表面(見圖1(e))，導致PAN/TiO2納米纖維膜的斷裂伸長率(為41.6%和35.7%)較小，斷裂強度比純PAN納米纖維膜增加了12.0%和26.1%，增幅較小。

2.4 復合納米纖維膜的抗菌性能分析

2.4.1 復合納米纖維膜的抗菌性能定性檢測分析

鋁箔、純PAN及PAN復合抗菌納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌定性測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋁箔和PAN抗菌納米纖維膜對大腸桿菌和 金黃色葡萄球菌的定性檢測結(jié)果Fig.4 Qualitative test results of aluminum foil and PAN antibacterial nanofibers on Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus(b)

按照實驗結(jié)果計算出不同復合納米纖維膜的抑菌圈寬度，結(jié)果如表2所示。

由圖4可以看出，鋁箔和純PAN納米纖維膜試樣沒有抑菌圈形成，且測試樣下面有大量細菌繁殖，說明鋁箔和純PAN納米纖維膜沒有抗菌能力，可排除其干擾的可能性。

表2 抗菌復合納米纖維膜對大腸桿菌 和金黃色葡萄球菌的抑菌圈寬度Tab.2 Width of antibacterial composite nanofibers on Escherichia coli and Staphylococcus aureus mm

由圖4及表2可知，PAN/TCS 納米纖維膜(2#和3#試樣)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有明顯的抑菌圈，且抑菌圈寬度均大于1 mm，試樣下面未發(fā)現(xiàn)細菌的繁殖。依據(jù)GB/T 20944.1—2007中抗菌效果的評價認為：PAN/TCS 納米纖維膜具有較好的抗菌效果；且隨著TCS質(zhì)量分數(shù)的增加，抑菌圈寬度也在增加，說明TCS質(zhì)量分數(shù)越高，形成的抑菌圈越寬，抑菌效果越好。對比TCS對2種菌種形成的抑菌圈寬度發(fā)現(xiàn)，在TCS同等質(zhì)量分數(shù)時，PAN/TCS 復合納米纖維膜在大腸桿菌上產(chǎn)生的抑菌圈寬度略小于在金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的抑菌圈寬度，說明其對大腸桿菌的抗菌性能要弱于對金黃色葡萄球菌的抗菌性能。

PAN/TiO2復合納米纖維膜(4#和5#)均未出現(xiàn)明顯的抑菌圈，且試樣底部無繁殖的細菌，根據(jù)GB/T 20944.1—2007 的10.3中抗菌效果的評價：沒有繁殖，即使沒有抑菌帶，也可認為抗菌效果好，因為活性物質(zhì)的低擴散阻止了抑菌帶的形成?？烧J為PAN/TiO2復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抗菌能力。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：TiO2納米顆粒均勻分布在納米纖維膜的內(nèi)部或表面，與納米纖維結(jié)合得比較緊密，屬于非溶出型抗菌劑，不適合用定性的方法進行測試表征。

抗菌定性測試證明了PAN/TCS 復合納米纖維膜抗菌能力效果好，但并不能直觀反映PAN/TiO2復合納米纖維膜的抗菌性能。這是因為定性實驗不能定量測定抗菌活性，測試結(jié)果不夠準確，所以本文又利用振蕩法對樣品的抗菌性能做了定量測試分析。

2.4.2 PAN復合納米纖維膜抗菌性能定量分析

PAN抗菌復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌性定量檢測結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 PAN復合納米纖維膜對大腸桿菌 抗菌性能定量檢測結(jié)果Fig.5 Quantitative test results of PAN antibacterial nanofibers on Escherichia coli. (a) 2#; (b) 3#; (c) 4#; (d) 5#; (e) Controlled sample

圖6 PAN復合納米纖維膜對金黃色葡萄球菌 抗菌性能定量檢測結(jié)果Fig.6 Quantitative test results of PAN antibacterial nanofibers on Staphylococcus aureus. (a) 2#; (b) 3#; (c) 4#; (d) 5#; (e) Controlled sample

根據(jù)實驗測試結(jié)果，計算納米纖維膜對應不同菌種的抑菌率，結(jié)果如表3所示。

表3 PAN復合納米纖維膜對大腸桿菌 和金黃色葡萄球菌的抑菌率Tab.3 Inhibition rate of PAN composite nanofibers on Escherichia coli and Staphylococcus aureus %

由表3可知，PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率都達到91.98%以上，說明PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜具有較好的抗菌效果；且隨著抗菌劑TCS、TiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，復合納米纖維膜的抑菌率提高。由圖5、6及表3可知，在TCS、TiO2相同質(zhì)量分數(shù)時，PAN/TCS 和PAN/TiO2復合納米纖維膜對大腸桿菌的抑菌率要微弱于對金黃色葡萄球菌的抑菌率。這是因為金黃色葡萄球菌屬于革蘭氏陽性菌，大腸桿菌屬于革蘭氏陰性菌。有研究表明TCS對革蘭氏陽性菌較革蘭氏陰性菌更有效[13]。因為 2種細菌具有不同的細胞壁結(jié)構(gòu)，革蘭氏陽性菌細胞壁含大量的肽聚糖，獨含磷壁酸，不含脂多糖；革蘭氏陰性菌含極少肽聚糖，獨含脂多糖，不含磷壁酸[14]。TCS的抑菌機制是先吸附于細菌細胞壁上，進而穿透細胞壁，與細胞質(zhì)中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)反應，導致蛋白質(zhì)變性，進而殺死細菌。而TiO2納米顆粒作為光催化抗菌劑，其本身對微生物和細胞無毒性，其抗菌機制是光激發(fā)TiO2與細胞的間接反應，即光生電子或光生空穴與水或水中的溶解氧反應，形成氫氧自由基和過氧化氫自由基等活性氧類，并通過氧化還原反應，產(chǎn)生化學性質(zhì)活潑的活性羥基、超陽離子等?；钚粤u基、超陽離子等都可與生物大分子如脂類、蛋白質(zhì)、酶類等反應，直接損壞或通過一系列氧化鏈式反應而對細菌等生物細胞結(jié)構(gòu)引起破壞[10]，因此，本文在抗菌實驗前先對PAN/TiO2納米纖維膜進行了紫外光照射，激發(fā)其抗菌性能；也可對PAN/TiO2溶液進行紫外光照射，激活TiO2的光催化功能達到其抗菌效果，這與朱孝明等[15]的實驗結(jié)果相似。金黃色葡萄球菌作為典型的革蘭氏陽性菌，其細胞壁結(jié)構(gòu)較簡單，更易被TCS和TiO2侵入穿透，導致細胞新陳代謝失衡，使細菌逐漸失去活性。所以TCS和TiO2對金黃色葡萄球菌的抑菌率更高。

橫向?qū)Ρ萈AN/TCS 與PAN/TiO2復合納米纖維膜的抑菌率可以看出：2種抗菌劑在同等質(zhì)量分數(shù)時，PAN/TCS 復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率要比PAN/TiO2復合納米纖維膜的抑菌率更高。這是因為TCS是一種有機廣譜抗菌劑，可直接侵入穿透細胞壁，與細胞質(zhì)中的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)反應導致蛋白質(zhì)變性，進而殺死細菌；而TiO2是利用其催化活性間接損壞細胞結(jié)構(gòu)，抑菌率稍低于TCS。

抗菌實驗結(jié)果說明：TCS、TiO2的加入可使PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜具備優(yōu)異的抗菌能力；當TCS、TiO2質(zhì)量分數(shù)在0.5%時，其復合納米纖維膜具有相對光滑的表面、較小的纖維直徑和優(yōu)異的抗菌性能，可用于開發(fā)功能性的抗菌納米纖維紡織品。

3 結(jié) 論

本文利用靜電紡絲技術(shù)紡制了聚丙烯腈/三氯生(PAN/TCS)、PAN/TiO2復合納米纖維膜，對其微觀結(jié)構(gòu)、拉伸性能、抗菌性能等進行分析，得到以下結(jié)論。

1)相對于純PAN納米纖維膜，PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維的直徑減少了39%～71%，斷裂強度增加了12%～88%。PAN/TCS 和PAN/TiO2復合納米纖維膜的紅外光譜圖表明，TCS、TiO2加入到PAN溶液當中，只是物理混合，并未發(fā)生化學反應。

2)定性抗菌測試顯示：PAN/TCS 復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌圈且大于1 mm，說明其抗菌效果好；因TiO2屬于非溶出型抗菌劑，PAN/TiO2復合納米纖維膜未發(fā)現(xiàn)抑菌圈的形成。

3)定量抗菌結(jié)果顯示：PAN/TCS、PAN/TiO2復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率都達到91.98%以上，且2種抗菌劑對金黃色葡萄球菌的抑菌率要高于大腸桿菌；當2種抗菌劑質(zhì)量分數(shù)相同時，PAN/TCS 復合納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率要高于PAN/TiO2復合納米纖維膜。