鄭宏飛， 汪瑞琪， 汪 慶， 朱 瑩， 許云輝

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230036)

蠶絲絲素中包含20種氨基酸，其生物相容性、降解性以及親膚性優(yōu)異，在紡織服裝、醫(yī)藥、食品、環(huán)保、化妝品、生物工程等領(lǐng)域應(yīng)用前景巨大[1-2]，但蠶絲材料彈性小、易起皺和泛黃，尤其是抗菌性差，易受細(xì)菌、真菌和霉菌的腐蝕而導(dǎo)致蠶絲性能損傷、發(fā)生霉變和產(chǎn)生異味等缺陷[3-4]。近年來受禽流感等傳染性病毒的影響，紡織品的抗菌防病功能越顯重要。

殼聚糖是僅次于纖維素的第二大自然資源，具有廣譜抑菌、止血、消炎、促進(jìn)傷口愈合的作用[5-6]。作為一種綠色抗菌劑，殼聚糖可用于蠶絲的抗菌防皺等整理。Monteiro等[7]使用戊二醛交聯(lián)殼聚糖分子，研究了二者間的均相反應(yīng)，表明殼聚糖的氨基與戊二醛的醛酸基作用形成穩(wěn)定的亞胺化學(xué)鍵，但交聯(lián)后的殼聚糖溶解性變差，且戊二醛有一定的細(xì)胞毒性。Ferrero等[8]采用酒石酸、二甲基丙烯酸、環(huán)氧樹脂等交聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)殼聚糖與蠶絲的化學(xué)接枝，發(fā)現(xiàn)殼聚糖接枝率高達(dá)22%～27%，而殼聚糖在蠶絲表面呈鱗片狀不均勻分布，大量交聯(lián)劑的涂覆影響了蠶絲的服用性能。Davarpanah等[9]利用丁二酸酐(SA)和鄰苯二甲酸酐(PA)對(duì)蠶絲進(jìn)行?；饔?，然后化學(xué)接枝殼聚糖，分析了?；Q絲與殼聚糖接枝反應(yīng)以及改性蠶絲的染色性能，但酸酐與蠶絲的酰化反應(yīng)需在二甲基亞砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)有機(jī)溶劑中進(jìn)行，反應(yīng)條件要求高，過程也復(fù)雜。Huang等[10]用甲酸共溶解絲素和殼聚糖制備出無(wú)交聯(lián)劑的復(fù)合膜，指出復(fù)合膜具有的優(yōu)異力學(xué)性能與膜中絲素微纖和殼聚糖納米纖維間形成的強(qiáng)氫鍵力密切相關(guān)。由于殼聚糖與蠶絲間缺乏化學(xué)鍵合作用，目前主要通過化學(xué)交聯(lián)劑的橋聯(lián)作用將殼聚糖接枝在絲素纖維或織物上以達(dá)到功能改性的目的，但化學(xué)交聯(lián)劑涂覆在天然蠶絲表面，可能對(duì)蠶絲的理化性能及人身健康產(chǎn)生負(fù)面影響；同時(shí)殼聚糖分子中極強(qiáng)的氫鍵力使其難溶于水和一般溶劑，常溶于酸溶液，而酸溶液易揮發(fā)、腐蝕性強(qiáng)、污染嚴(yán)重，限制了殼聚糖(OCS)的使用范圍。選擇性氧化殼聚糖可在分子鏈中引入醛基、羰基、羧基等官能團(tuán)，改善殼聚糖的水溶性、化學(xué)活性和生物相容性等理化性能，已成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)方向[11-12]。尤其是對(duì)殼聚糖C6位伯羥基進(jìn)行選擇性氧化可生成羧基，不僅保持殼聚糖原有理化特性，還極大提高了氧化殼聚糖的水溶性、反應(yīng)活性、環(huán)境友好性等[13-15]；同時(shí)OCS分子中引入的活性羧基具有結(jié)合絲素蛋白氨基的能力，在無(wú)化學(xué)交聯(lián)劑條件下，借助酰胺化學(xué)鍵與蠶絲材料交聯(lián)結(jié)合。

本文使用硝酸、磷酸和亞硝酸鈉體系將殼聚糖葡萄糖基環(huán)中C6位伯羥基選擇性氧化為羧基，使羧基殼聚糖溶解在水介質(zhì)中，并在無(wú)交聯(lián)劑條件下化學(xué)交聯(lián)蠶絲織物，獲得持久抗菌的氧化殼聚糖改性蠶絲材料(OCSMSF)。通過分析OCS質(zhì)量濃度、接枝時(shí)間、處理溫度、反應(yīng)液pH值等因素對(duì)OCSMSF材料質(zhì)量增加率的影響，優(yōu)化羧基殼聚糖與絲素織物的反應(yīng)條件，探究OCS和絲素纖維的交聯(lián)機(jī)制，表征OCSMSF材料的內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其理化及抗菌性能，以期為多功能綠色蠶絲材料的研發(fā)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

脫除絲膠的蠶絲雙縐織物(經(jīng)緯向線密度分別為2.22 tex×2，2.44 tex×2，經(jīng)緯密分別為531、410根/(10 cm))，安徽京九絲綢股份公司；水溶性氧化殼聚糖(按照已授權(quán)專利[16]進(jìn)行制備，脫乙酰度為84.27%，分子質(zhì)量為82.5 ku，羧基度為43.59%，水中溶解度為14.82 g/(100 mL)，等電點(diǎn)pH值約為5.2)；亞硝酸鈉(純度為99.8%)、磷酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%)、硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%)、丙酮、鹽酸、乙酸鈉、丙三醇、氫氧化鈉、乙酸鈣、無(wú)水乙醇、乙酸、酚酞指示劑，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；仙人掌黃酮類提取物(純度為95.3%)，上海源葉生物有限公司，未經(jīng)純化直接使用；瓊脂和營(yíng)養(yǎng)肉湯，分析純，合肥美豐化工儀器有限公司；大腸桿菌(E.coli，ATCC 8099)和金黃色葡萄球菌(S.aureus，ATCC 6538)，安徽醫(yī)科大學(xué)。

1.2 樣品制備

1.2.1 水溶性氧化殼聚糖的制備

稱取4.0 g黏均分子量為80萬(wàn)、脫乙酰度為85%的原殼聚糖按浴比1∶30置于體積分?jǐn)?shù)為4%的稀乙酸溶液中，于60 ℃攪拌1 h溶解，冷卻至25 ℃后加入18 mL由濃硝酸和濃磷酸組成的混合酸體積比為2∶1，然后加入與混合酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的亞硝酸鈉在避光密閉容器中，于25 ℃條件下輕微振蕩反應(yīng)3 h，反應(yīng)結(jié)束后立即加入300 mL無(wú)水乙醇終止氧化反應(yīng)，用丙酮減壓抽濾氧化產(chǎn)物至濾液pH值為7.0左右、無(wú)水乙醇浸泡除去氧化劑、真空干燥、研磨后，得到水溶性羧基殼聚糖黃色粉末，裝袋備用。

1.2.2 OCS接枝蠶絲材料的制備

將OCS溶于去離子水中配制成不同質(zhì)量濃度的反應(yīng)液，使用乙酸/乙酸鈉緩沖液調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH值，然后按浴比1∶50加入脫除絲膠的蠶絲織物，保持反應(yīng)溫度恒定并攪拌接枝處理0.5～5 h，將接枝后的蠶絲織物于真空烘箱中80 ℃熱處理3 h，再用去離子水充分洗滌3次、室溫下去離子水浸泡8～10 h，經(jīng)脫水，室溫晾干后，得到不同質(zhì)量增加率的氧化殼聚糖改性蠶絲材料(OCSMSF)，裝袋保存。

1.2.3 OCSMSF承載仙人掌黃酮提取物

在三角瓶中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的仙人掌黃酮類提取物水溶液2份，分別放入蠶絲織物和氧化殼聚糖接枝蠶絲材料(浴比為1∶50)，于60 ℃條件下持續(xù)攪拌處理2 h，再將承載仙人掌黃酮提取物的蠶絲織物樣品在80 ℃真空烘箱中干燥3 h，室溫下用去離子水浸泡洗滌3～5次，脫水，室溫下晾干后，獲得負(fù)載仙人掌黃酮化合物的蠶絲樣品。

1.3 結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試表征

1.3.1 OCS接枝蠶絲質(zhì)量增加率測(cè)試

使用BS210S全自動(dòng)光電天平(北京塞浦路斯儀器有限公司)稱量氧化殼聚糖接枝前后的蠶絲織物，其干燥質(zhì)量分別為m0、m1，根據(jù)下式計(jì)算改性蠶絲織物的質(zhì)量增加率：

1.3.2 形貌觀察

將蠶絲樣品進(jìn)行干燥處理，再用導(dǎo)電膠黏附在樣品臺(tái)上，對(duì)絲素表面進(jìn)行噴金處理，用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)在掃描電壓為2～5 kV條件下觀察蠶絲樣品的微觀形貌。

1.3.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

通過Nicolet NEXUS-870型傅里葉紅外光譜(FTIR)儀(德國(guó)Bruker公司)，采用KBr壓片法表征OCS的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使用表面全反射ATR法檢測(cè)脫膠蠶絲織物(SFF)和氧化殼聚糖改性蠶絲材料(OCSMSF)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.4 核磁共振測(cè)試

將CS、OCS粉末放入4 mm的ZrO2回轉(zhuǎn)管中，轉(zhuǎn)速為5 kHz，補(bǔ)償時(shí)間為20 ms，接觸時(shí)間為1 ms，2個(gè)脈沖之間延遲3 ms，在AVANCEIII型超導(dǎo)核磁儀(瑞士Bruker公司)上進(jìn)行固態(tài)核磁共振(NMR)碳譜測(cè)試。

1.3.5 結(jié)晶性能表征

利用D/max-3B型X射線衍射儀(日本理學(xué)公司)分析蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描速度為2(°)/min，掃描范圍為5°～45°；采用高斯曲線分峰擬合測(cè)試所得衍射曲線，并計(jì)算蠶絲纖維結(jié)晶度[17]，蠶絲樣品的結(jié)晶度(Xc)公式如下：

式中：Sc為各結(jié)晶峰面積之和，計(jì)數(shù)/s；Sa為非結(jié)晶峰面積，計(jì)數(shù)/s。

1.3.6 拉伸強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》，使用YG(B)026D-250型電子織物強(qiáng)力儀(常州市第二紡織儀器廠)，在溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%的環(huán)境測(cè)試OCSMSF材料的拉伸強(qiáng)力。

1.3.7 毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試

采用YGW871型毛細(xì)效應(yīng)測(cè)定儀(常州市紡織儀器廠)，按照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，在溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%的環(huán)境下檢測(cè)OCSMSF材料的吸濕能力。

1.3.8 OCSMSF緩釋仙人掌提取物測(cè)試

在2個(gè)三角瓶中配制好生理鹽水，分別加入仙人掌黃酮類提取物處理的SFF和OCSMSF材料，在37 ℃水浴中分別恒溫振蕩不同天數(shù)(4～10 d)，每天更換生理鹽水1次，采用UV-3600型紫外分光光度儀(日本島津儀器公司)，在最大波長(zhǎng)505 nm處測(cè)定蠶絲織物樣品釋放到生理鹽水中的仙人掌黃酮提取物的吸光度值。

1.3.9 抑菌性能測(cè)試

對(duì)OCS交聯(lián)蠶絲樣品進(jìn)行大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的定量抑菌測(cè)試，參照GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評(píng)價(jià)第3部分：振蕩法》，在燒瓶中加入剪碎的OCSMSF材料0.75 g，將pH≈7.2的PBS磷酸緩沖液70 mL和3×105～4×105cfu/mL的菌液5 mL混合后倒入燒瓶，在24 ℃條件下振蕩培養(yǎng)18 h；稀釋移出的1 mL培養(yǎng)液后在瓊脂平板上涂布均勻，在37 ℃孵化箱中培養(yǎng)24 h后計(jì)數(shù)其繁殖的菌落數(shù)[18]，按照下式計(jì)算OCS改性蠶絲材料的抑菌率：

式中：Y0和Y1分別為SFF和OCSMSF材料樣品的菌落數(shù)。

根據(jù)FZ/T 73023—2006《抗菌針織品附錄C：抗菌織物試樣洗滌試驗(yàn)方法》測(cè)試OCSMSF材料樣品的抗菌耐水洗性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 OCS化學(xué)結(jié)構(gòu)

殼聚糖(CS)分子糖環(huán)中C6位的伯羥基可被磷酸、硝酸和亞硝酸鈉混合體系定位氧化成羧基，得到6-羧基殼聚糖。相關(guān)文獻(xiàn)[16,19-20]研究顯示，在HNO3/H3PO4-NaNO2混合體系中可形成NO2、NO等氮氧化物，帶孤對(duì)電子的NO2和NO可吸引殼聚糖葡萄糖環(huán)C6位上的α氫原子產(chǎn)生CS—C(·)H—OH，然后被NO2·進(jìn)攻后釋放出NO·及HNO2，得到中間體CS—CH(OH)2；隨后中間體CS—CH(OH)2在NO2·作用下經(jīng)歷脫氫與消除HNO2反應(yīng)，最終形成羧基殼聚糖CS—COOH。本文在原殼聚糖CS(脫乙酰度為85%，分子質(zhì)量為800 ku)的稀乙酸溶液中加入HNO3/H3PO4—NaNO2氧化體系于25 ℃條件下氧化3 h，制得脫乙酰度為84.27%，分子質(zhì)量為82.5 ku，羧基度為43.59%，水中溶解度為14.82 g/(100 mL)，等電點(diǎn)pH值約為5.2的水溶性氧化殼聚糖產(chǎn)物。

CS分子中不同C位的羥基氧化情況可由固體核磁進(jìn)行檢測(cè)，圖1示出HNO3/H3PO4-NaNO2體系選擇性氧化殼聚糖的13C-NMR圖譜。與原殼聚糖CS的核磁曲線相比，HNO3/H3PO4-NaNO2氧化的殼聚糖OCS位于化學(xué)位移55～60處的葡萄糖環(huán)側(cè)鏈C6位響應(yīng)峰變?nèi)?，且?74.32處附近出現(xiàn)了1個(gè)明顯的新特征峰，屬于氧化殼聚糖的—COOH響應(yīng)峰；氧化殼聚糖在化學(xué)位移70～78處的葡萄糖骨架C2、C3和C5，化學(xué)位移60～64處的C2以及22.91處乙?；摹狢H3特征響應(yīng)峰形狀和強(qiáng)度基本沒有改變，而位于化學(xué)位移100～106處葡萄糖骨架的C1響應(yīng)峰和化學(xué)位移82～90處附近的C4響應(yīng)峰的強(qiáng)度降低，可能是殼聚糖在HNO3/H3PO4-NaNO2氧化過程中出現(xiàn)氧化降解副反應(yīng)。固相核磁結(jié)果顯示，原殼聚糖分子中的C6位伯羥基已被HNO3/H3PO4-NaNO2混合體系氧化為—COOH，而CS糖環(huán)上的其他碳位羥基未發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖1 原殼聚糖和氧化殼聚糖共振的固相13C核磁共振譜圖Fig.1 Solid-state 13C NMR spectra of original chitosan and oxidized chitosan

圖2 原殼聚糖和氧化殼聚糖的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectra of starting chitosan and oxidized chitosan

2.2 OCS反應(yīng)參數(shù)對(duì)SFF質(zhì)量增加率影響

圖3 殼聚糖選擇性氧化和羧基殼聚糖與SFF交聯(lián)反應(yīng)機(jī)制Fig.3 Forming mechanism of selective oxidation of CS and crosslinking reaction between OCS and SFF

圖4示出OCS質(zhì)量分?jǐn)?shù)、接枝時(shí)間和溫度、反應(yīng)液pH值等因素對(duì)SFF質(zhì)量增加率的影響。由圖4(a)可知，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)OCS處理的蠶絲織物質(zhì)量增加較快，而較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(≥2%)OCS處理的絲素質(zhì)量增加率增幅趨于平緩。在OCS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加過程中，OCS分子中的活性羧基數(shù)增多，與絲素肽鏈上的氨基進(jìn)行接觸和反應(yīng)的概率增大，同時(shí)絲素上可供OCS交聯(lián)的氨基位點(diǎn)也趨于飽和；因此，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的OCS接枝蠶絲織物較合適，SFF質(zhì)量增加率達(dá)到9.17%。從圖4(b)可以看出，在接枝處理2 h內(nèi)，蠶絲質(zhì)量增加較快，而反應(yīng)時(shí)間再延長(zhǎng)后SFF質(zhì)量增加率變化不大。這說明反應(yīng)初期(0～2 h)SFF中有充足的氨基與OCS結(jié)合，但進(jìn)一步增加處理時(shí)間(≥2 h) 蠶絲纖維表面的有限氨基已被OCS酰胺反應(yīng)。此外，圖4(b)顯示接枝溫度是影響OCS與SFF交聯(lián)的重要因素，60 ℃條件下絲素比25 ℃和40 ℃條件下質(zhì)量增加很多，表明處理溫度升高，OCS分子鏈熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，分子中有更多的活性羧基暴露出來與SFF中的氨基進(jìn)行接觸及反應(yīng)，但羧基殼聚糖酸性溶液在長(zhǎng)時(shí)間及高溫下處理會(huì)對(duì)SFF產(chǎn)生侵蝕作用，引起蠶絲性能損傷，故選擇60 ℃和2 h作為OCS交聯(lián)蠶絲材料的較宜條件。同時(shí)，反應(yīng)液pH值對(duì)SFF質(zhì)量增加率也有重要影響。由圖4(c)可見：當(dāng)反應(yīng)液pH值小于5時(shí)，SFF質(zhì)量增加率較高，在pH值為4.5左右時(shí)達(dá)最高值9.17%；而pH值在5.2左右接近OCS等電點(diǎn)時(shí)，蠶絲織物質(zhì)量增加率最低，小于4%；此后pH值增大，SFF質(zhì)量增加率略有提升。這主要與OCS是一種兩性聚電解質(zhì)，其分子中存在酸性羧基端和堿性氨基端，在水溶液中電離出高分子離子與抗衡離子有關(guān)[12,15]，因此，OCS酰胺接枝SFF的反應(yīng)液pH值控制在4～4.5范圍比較合適。

圖4 OCS反應(yīng)參數(shù)對(duì)SFF質(zhì)量增加率的影響Fig.4 Effec of reaction parameters of OCS on weight gain of SFF. (a)Effect of OCS mass fraction on weight gain of SFF;(b) Effect of graft time and temperature on weight gain of SFF; (c) Effect of pH value of reaction solution on weight gain of SFF

2.3 OCSMSF材料微觀形貌

圖5示出純SFF和3種不同質(zhì)量增加率的OCS接枝蠶絲材料的微觀形貌。可以看出，脫除絲膠的蠶絲纖維表面光滑平整(見圖5(a))，對(duì)比幾種不同質(zhì)量增加率的OCSMSF材料可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SFF質(zhì)量增加率較低時(shí)，制備的OCS接枝絲素織物中部分纖維表面沉積有少量的塊狀物(見圖5(b))，隨著SFF交聯(lián)的OCS質(zhì)量增加率提高，獲得的OCSMSF材料表面粗糙度增加，大量的塊狀物黏附于蠶絲纖維表面，尤其是質(zhì)量增加率為9.17%的改性蠶絲材料(如圖5(d)所示)清晰顯示絲素纖維表面被OCS膜覆蓋，且有部分單根絲素纖維被OCS膜黏連在一起。SEM結(jié)果表明，OCS接枝蠶絲材料表面存在的氧化殼聚糖附著物與改性蠶絲材料較高的質(zhì)量增加率相一致。

圖5 SFF和OCSMSF材料的SEM照片(×1 000)Fig.5 SEM images of virgin SFF and OCSMSF samples (×1 000). (a) Pure SFF; (b) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 4.34%); (c) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 7.09%); (d) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 9.17%)

2.4 OCSMSF材料化學(xué)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)

圖6為SFF和OCSMSF材料的紅外光譜圖。在SFF紅外譜圖中，在3 400～3 000 cm-1附近的強(qiáng)吸收譜帶是絲素蛋白中O—H和N—H的伸縮振動(dòng)峰，而1 619、1 512和1 225 cm-1處分別對(duì)應(yīng)絲素的酰胺I、酰胺II和酰胺III的特征吸收峰[21]。在交聯(lián)改性的OCSMSF材料紅外譜圖中，1 373.2、1 328.8 cm-1處出現(xiàn)對(duì)應(yīng)于氧化殼聚糖的—COO-對(duì)稱伸縮振動(dòng)和—OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收帶；在1 158.4 cm-1附近存在較強(qiáng)氧化殼聚糖C—O—C“橋”式不對(duì)稱伸縮吸收峰[9]，且位于1 032.4、1 063.6 cm-1處的氧化殼聚糖伯羥基和仲羥基的C—O伸縮吸收帶也較為明顯，同時(shí)在892.8、829.3 cm-1處分別呈現(xiàn)出較弱的氧化殼聚糖β-吡喃糖苷鍵振動(dòng)峰以及OCS分子中部分氨基與其羧基形成的內(nèi)鹽鍵特征峰。此外，在OCSMSF材料紅外譜圖中，位于1 739 cm-1附近出現(xiàn)新的吸收峰，這是由于引入氧化殼聚糖OCS后—COOH基團(tuán)的特征吸收峰，且羧基吸收峰值強(qiáng)度隨著絲素質(zhì)量增加率提高而增大，這些吸收峰在純SFF的紅外曲線中沒有出現(xiàn)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了蠶絲纖維與氧化殼聚糖發(fā)生了酰胺交聯(lián)反應(yīng)，OCS接枝蠶絲材料中有氧化殼聚糖的存在，這一結(jié)果與改性蠶絲材料的SEM照片及質(zhì)量增加率的數(shù)據(jù)相吻合。

圖6 SFF和OCSMSF材料的ATR-FTIR圖譜Fig.6 ATR-FTIR spectra of SFF and OCSMSF materials

圖7示出OCS交聯(lián)改性前后蠶絲織物X射線衍射(XRD)圖譜?？梢钥闯觯涸贠CS衍射曲線上的衍射角10°和20°附近有2個(gè)特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)OCS結(jié)晶形態(tài)I的(100)晶面和結(jié)晶形態(tài)II的(100)晶面，SFF和不同質(zhì)量增加率的OCSMSF X射線衍射曲線形狀相似，均在衍射角2θ為9.56°、20.48°、24.72°和38.27°位置附近存在絲素纖維的特征衍射峰[17]，OCS交聯(lián)反應(yīng)沒有改變SFF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。對(duì)比SFF和OCSMSF材料的X射線衍射曲線強(qiáng)度，改性蠶絲材料的衍射峰強(qiáng)度略有下降，采用高斯曲線分峰擬合樣品的X射線衍射曲線，計(jì)算得出SFF、質(zhì)量增加率4.34%和9.17%的OCSMSF材料的結(jié)晶度分別為46.27%、44.31%和40.02%。

圖7 SFF和OCS及OCSMSF材料的XRD圖譜Fig.7 XRD spectra of SFF, OCS and OCSMSF samples

2.5 OCSMSF材料力學(xué)及吸濕性能

測(cè)定了純SFF和交聯(lián)改性后的OCSMSF材料的力學(xué)性能及吸濕性，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯c原蠶絲織物的拉伸強(qiáng)力相比，不同質(zhì)量增加率的OCSMSF材料的拉伸強(qiáng)力有輕微降低，質(zhì)量增加率低于9.17%的改性蠶絲斷裂強(qiáng)力下降幅度小于6.08%，主要因?yàn)镺CS分子交聯(lián)結(jié)合在蠶絲纖維表面，對(duì)蠶絲材料聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能影響較小，這一結(jié)果與OCSMSF材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相吻合。此外，OCSMSF織物的吸濕性能明顯提升，OCSMSF材料的毛細(xì)效應(yīng)值隨著蠶絲織物中OCS質(zhì)量的增大而提高，質(zhì)量增加率為9.17%時(shí)的吸濕性提高了42.92%，而隨后吸濕性增加緩慢，這是由于OCS分子中存在較多的氨基、羧基、羥基等親水性基團(tuán)，故接枝OCS后的蠶絲織物展現(xiàn)良好的吸濕能力，但質(zhì)量增加率過高后，OCS分子鍵合在蠶絲織物表面形成片膜結(jié)構(gòu)，使2根及以上的蠶絲纖維黏合在一起(見圖5(d))，導(dǎo)致OCSMSF材料中絲素纖維間的孔隙減少，從而影響蠶絲材料的毛細(xì)吸水。

圖8 SFF和OCSMSF材料的拉伸強(qiáng)力和吸濕性能Fig.8 Mechanical strength and hygroscopic property of virgin SFF and OCSMSF materials

2.6 OCSMF材料緩釋仙人掌提取物

仙人掌黃酮類提取物具有抗腫瘤、保濕護(hù)膚、抗衰老、防過敏、抑菌等功效[22]，使用OCS改性蠶絲材料對(duì)其進(jìn)行藥物緩釋，能充分發(fā)揮仙人掌提取物的藥理作用。表1示出在生理NaCl溶液中純SFF與OCSMSF材料釋放的仙人掌黃酮類提取物的吸光度數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，OCSMSF材料在測(cè)試的10 d中比原蠶絲釋放出更多的仙人掌提取物，且緩釋過程較平穩(wěn)。OCSMSF織物在不同天數(shù)緩釋以及乙醇萃取的仙人掌黃酮類提取物吸光度數(shù)值總和約為純SFF的2.96倍，這是由于OCSMSF材料中存在較多的氧化殼聚糖的—NH3+，可通過氫鍵、離子鍵等次級(jí)作用力增強(qiáng)改性蠶絲織物結(jié)合及吸附仙人掌提取物的能力，故交聯(lián)改性蠶絲織物承載與緩釋出更多的仙人掌提取物，具有良好的藥物緩釋效果。

2.7 OCSMCF材料抗菌活性

表2 示出不同質(zhì)量增加率的改性蠶絲材料對(duì)革蘭氏陰性菌和陽(yáng)性菌的抑菌率。可以看出，質(zhì)量增加率分別為4.34%和9.17%的OCSMSF織物均對(duì)金黃色葡萄球菌(S.aureus)及大腸桿菌(E.coli)具有較強(qiáng)的抗菌效果，尤其是高接枝率(9.17%)的改性蠶絲材料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率分別高達(dá)99.46%和94.08%，且經(jīng)30次水洗后，對(duì)2種測(cè)試細(xì)菌的抑菌率仍大于90.75%，這說明OCSMSF材料表現(xiàn)出良好的抑菌活性及抗菌耐洗滌性能。同時(shí)從表2可看出，不同質(zhì)量增加率的OCSMSF材料對(duì)大腸桿菌的抑制作用低于金黃色葡萄球菌，可能是大腸桿菌細(xì)胞壁含有較厚網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的肽聚糖和磷壁酸，且比革蘭氏陽(yáng)性菌致密，一定程度上減弱了抗菌劑的影響[18]，從而使OCSMSF對(duì)大腸桿菌的抑菌性能較差。

表1 SFF和OCSMSF材料控釋仙人掌提取物的吸光度Tab. 1 Absorbance of controlled release cactus extract from SFF and OCSMSF materials

表2 羧基殼聚糖交聯(lián)蠶絲材料的抑菌率Tab.2 Antibacterial ratio of OCSMSF and SFF samples

3 結(jié) 論

通過HNO3/H3PO4-NaNO2體系選擇性氧化原殼聚糖制得水溶性氧化殼聚糖，氧化殼聚糖在無(wú)交聯(lián)劑條件下酰胺接枝蠶絲得到OCSMSF抗菌材料，研究了氧化殼聚糖接枝蠶絲的反應(yīng)參數(shù)，表征測(cè)試了氧化殼聚糖改性蠶絲材料的結(jié)構(gòu)及性能，得到如下結(jié)論。

1)氧化殼聚糖與蠶絲的酰胺交聯(lián)反應(yīng)具有較好的可控性，通過改變反應(yīng)參數(shù)可改變氧化殼聚糖在蠶絲表面的接枝量。當(dāng)氧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，反應(yīng)溫度和時(shí)間為60 ℃和2 h，處理液pH值為4.5時(shí)，氧化殼聚糖改性蠶絲材料的質(zhì)量增加率可達(dá)9.17%，且材料的強(qiáng)力保持率為93.92%，吸濕性增加42.92%。

2)氧化殼聚糖與蠶絲發(fā)生了酰胺化學(xué)反應(yīng)，證明了氧化殼聚糖通過酰胺化學(xué)鍵與蠶絲交聯(lián)結(jié)合，且氧化殼聚糖交聯(lián)反應(yīng)沒有影響蠶絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

3)質(zhì)量增加率9.17%的改性蠶絲抑菌率超過94%，洗滌30次后的抗菌率仍達(dá)90.75%，且改性蠶絲對(duì)仙人掌黃酮類提取物的緩釋功效良好，這是普通蠶絲不具備的特性，氧化殼聚糖改性蠶絲織物在抗菌材料及釋藥載體等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛力。