黃凱聰 韓 華 趙文靜 陳 薇 俞建勇 吳德群，3

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心，上海 201620；3.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

水凝膠是一種具有環(huán)境敏感響應(yīng)性、高吸收性和緩釋性的功能高分子材料，是通過(guò)氫鍵、離子鍵和共價(jià)鍵等交聯(lián)形成的具有3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物，可吸收大量的水分又不被溶解，具有良好的吸水性和成膜性[1]。此外，水凝膠纖維還擁有纖維或纖維狀的形態(tài)[2]。這種纖維形態(tài)增大了其比表面積與長(zhǎng)徑比，不僅改善了水凝膠纖維的溶脹性能、緩釋性能與固定化能力等特性，還賦予其許多新的用途，如水凝膠纖維在組織工程、生物醫(yī)學(xué)、紡織材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

海藻酸鈉(ALG)是從棕色海藻中提取的一種天然多糖，具有易獲得、生物相容性好的特點(diǎn)[3]。魔芋葡甘聚糖(KGM)是繼淀粉、纖維素之后出現(xiàn)的一種較豐富的可再生天然高分子多糖，其因具有優(yōu)良的膠凝性、成膜性、增稠性和持水性等特性而被廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工、紡織、石油鉆探等領(lǐng)域[4]。具有優(yōu)異的生物相容性的聚六亞甲基鹽酸胍(PHMG)被認(rèn)為是目前應(yīng)用較好的一種抗菌整理劑，因?yàn)樗哂泻芎玫陌踩院湍途眯?。胍基化合物中的胍基基團(tuán)帶有很強(qiáng)的正電性，易吸引帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜，造成細(xì)胞膜破裂，從而殺死細(xì)菌。目前，胍類化合物作為一種無(wú)毒型高效廣譜抗菌劑，逐漸引起人們的重視，并被普遍應(yīng)用于水處理、醫(yī)藥、日用品等多個(gè)領(lǐng)域。

本文以ALG為聚合物網(wǎng)絡(luò)模板，過(guò)硫酸銨(APS)為反應(yīng)引發(fā)劑，甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖(KGM-MA)為交聯(lián)劑，并添加不同反應(yīng)單體，配制預(yù)聚物溶液，再通過(guò)擠出成絲工藝，使ALG在鈣離子交聯(lián)浴中交聯(lián)制得水凝膠纖維，且預(yù)聚物溶液被物理包裹在水凝膠纖維內(nèi)部[5]。然后，經(jīng)紫外光照作用，預(yù)聚物發(fā)生自由基聚合，產(chǎn)生雙鍵交聯(lián)，得到具有雙網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)的水凝膠纖維。若在纖維原料中添加抗菌性良好的甲基丙烯酸聚六亞甲基鹽酸胍(M-PHMG)，則可得到具有雙網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)的抗菌水凝膠纖維。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

KGM購(gòu)自合肥博美生物科技有限公司；ALG購(gòu)自百靈威科技有限公司；2-甲基丙烯酸酐(MA)和丙烯酸鈉(SA)購(gòu)自上海安耐吉化學(xué)有限公司；乙醇、二氯甲烷、氯化鈣、碳酸氫鈉、APS、二氧六環(huán)、二甲亞砜(DMSO)、三乙胺(TEA)和PHMG，分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸鹽緩沖液(PBS)購(gòu)自上海酶聯(lián)生物科技；瓊脂、肉湯培養(yǎng)基，生物純，購(gòu)自中國(guó)惠興生化試劑有限公司；大腸埃希菌(E.coli，ATCC 8099)和金黃色葡萄球菌(S.aureus，ATCC 6538)購(gòu)自南京便診生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SPLab02型數(shù)字注射泵，保定申辰泵業(yè)有限公司；Avance400型核磁共振波譜儀，瑞士布魯克公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾科技公司；S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立公司；ALPHAL-2型冷凍干燥機(jī)，德國(guó)克萊斯特公司；XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀，上海新纖儀器有限公司；真空干燥箱，上海坤天有限公司。

1.3 水凝膠纖維的制備

1.3.1 甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖的合成

將1 g KGM溶于100 mL的去離子水中，待完全溶解后，取25 mL于燒瓶中，用碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)其pH值至8，再加入5 mL二氧六環(huán)和5 g MA，用冰水浴攪拌反應(yīng)48 h，再將產(chǎn)物在乙醇中沉淀析出，抽濾后用真空干燥箱烘干得到產(chǎn)物KGM-MA(圖1)。

圖1 KGM-MA的合成

1.3.2 M-PHMG的合成

參照文獻(xiàn)[6]，將5 g PHMG和2 g MA溶解在20 mL DMSO中，充分?jǐn)嚢枞芙夂蠹尤? g TEA，冰水浴反應(yīng)24 h，再將產(chǎn)物用二氯甲烷沉淀析出，抽濾后采用真空干燥箱烘干，最后得到產(chǎn)物M-PHMG(圖2)。

圖2 M-PHMG的合成

1.3.3 水凝膠纖維的制備

按表1的投料比，將制備水凝膠纖維的不同原料(除ALG外)分別溶解在2 mL水中，加入30 mg APS，攪拌至其完全溶解，配制預(yù)聚物溶液。將所得預(yù)聚物溶液與ALG溶液混合均勻(其中，1#水凝膠纖維試樣的制備不添加預(yù)聚物溶液)后，通過(guò)注射泵以4 mL/min的速度將其注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氯化鈣凝固浴中，進(jìn)行離子交聯(lián)。再將收集的纖維在紫外燈下輻照10 min以進(jìn)行二次交聯(lián)，所得纖維在去離子水中浸泡3 d，期間不斷更換去離子水以除去雜質(zhì)。水凝膠纖維的制備機(jī)制示意如圖3所示。由試驗(yàn)可以看出，所得水凝膠纖維呈透明狀，纖維邊緣光滑，且除采用純ALG溶液擠出成絲的1#試樣外，其余水凝膠纖維均呈雙網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)。

表1 水凝膠纖維的投料比

圖3 水凝膠纖維的制備機(jī)制示意

1.4 分析與測(cè)試

1.4.1 核磁共振氫譜測(cè)試

為確認(rèn)制備的合成單體的結(jié)構(gòu)，分別取5 mg KGM-MA和5 mg M-PHMG溶解在1 mL的氘代水中，采用核磁共振儀進(jìn)行氫譜掃描。

1.4.2 傅里葉紅外光譜測(cè)試

將單體和凍干的水凝膠纖維磨成粉末后置于紅外光譜儀的測(cè)試臺(tái)上，壓緊探測(cè)頭，記錄水凝膠纖維試樣在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的紅外光譜值。

1.4.3 表面形貌測(cè)試

將凍干的水凝膠纖維試樣用液氮脆斷，采用SEM觀察纖維的表面和截面形貌。

1.4.4 力學(xué)性能測(cè)試

將不同投料比的水凝膠纖維切成長(zhǎng)度相同(長(zhǎng)約20 mm)的試樣，將纖維試樣的兩端黏在蓋玻片上以防滑移[7]。采用纖維強(qiáng)伸度儀測(cè)試水凝膠纖維的力學(xué)性能，設(shè)置拉伸速度為5 mm/min，夾持距離為10 mm。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算水凝膠纖維試樣的彈性模量。

1.4.5 溶脹性能測(cè)試

將制備的水凝膠纖維置于去離子水中溶脹數(shù)天以達(dá)到溶脹平衡，然后將水凝膠纖維轉(zhuǎn)移至液氮中冷凍，凍干24 h。取一定質(zhì)量的凍干水凝膠纖維，室溫下將其放入PBS緩沖液中進(jìn)行溶脹，每隔一定時(shí)間后取出，用濾紙擦拭多余水分，記錄此時(shí)水凝膠纖維的質(zhì)量。水凝膠纖維的溶脹倍數(shù)按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：k——水凝膠纖維的溶脹倍數(shù)；

m0——凍干水凝膠纖維的初始質(zhì)量，g；

mt——溶脹一定時(shí)間后水凝膠纖維的質(zhì)量，g。

1.4.6 抗菌性能測(cè)試

參考GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分：振蕩法》，選用大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌為試驗(yàn)菌種，定量測(cè)試水凝膠纖維的抗菌性能。水凝膠纖維試樣的抑菌率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Y——試樣的抑菌率；

W——對(duì)照樣與試驗(yàn)菌種振蕩接觸后培養(yǎng)基菌落數(shù)的平均值；

Q——抗菌試樣與試驗(yàn)菌種振蕩接觸后培養(yǎng)基菌落數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成單體的結(jié)構(gòu)表征

圖4 KGM-MA的核磁共振譜和紅外光譜

對(duì)合成的M-PHMG進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，其核磁共振譜和紅外光譜如圖5所示。圖5a)中，化學(xué)位移為5.5～6.0處的峰a為接枝在PHMG上的MA碳碳雙鍵上氫的吸收峰，這表明MA已成功與PHMG發(fā)生反應(yīng)；化學(xué)位移為1.8處的峰b為末端甲基上氫的吸收峰。圖5b)中，沒(méi)有明顯的酰胺鍵的峰出現(xiàn)，推測(cè)是被1 610 cm-1處的尖峰覆蓋。

圖5 M-PHMG的核磁共振譜和紅外光譜

2.2 水凝膠纖維的化學(xué)官能團(tuán)表征

4種不同投料比的雙網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)水凝膠纖維的紅外光譜如圖6所示。

圖6 不同投料比的水凝膠纖維的紅外光譜

2.3 水凝膠纖維的表面形貌

將達(dá)到溶脹平衡的水凝膠纖維凍干，通過(guò)SEM觀察水凝膠纖維的表面和截面形貌，結(jié)果如圖7所示。圖7a)為1#纖維試樣的表面形貌，可測(cè)得凍干后水凝膠纖維的直徑為(400±10)μm，且純ALG在鈣離子沉淀浴中交聯(lián)得到的纖維表面存在溝槽結(jié)構(gòu)，這種溝槽結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞的黏附與增值[8]。圖7b)為2#纖維試樣的表面形貌，可以看出，2#纖維表面保留了1#纖維的溝槽結(jié)構(gòu)，同時(shí)KGM-MA組分引入后，通過(guò)紫外光照引發(fā)雙鍵交聯(lián)，在纖維的表面形成了另一層交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即KGM-MA通過(guò)共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入纖維基體中。圖7c)和d)分別為1#和2#纖維試樣的截面形貌，可以看出，兩種纖維截面均呈多孔狀，且2#纖維試樣的截面孔洞中出現(xiàn)了KGM-MA的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，表明KGM-MA形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分布于整個(gè)纖維基體中。

圖7 水凝膠纖維試樣的表面和截面SEM照片

2.4 水凝膠纖維的力學(xué)性能

良好的力學(xué)性能是水凝膠纖維實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要的因素[9]。若纖維較脆弱，則其很容易在應(yīng)用時(shí)被破壞。不同投料比制備的4種水凝膠纖維的彈性模量(5#試樣彈性模量較小，未能測(cè)試出)如圖8所示。由圖8可以看出，引入KGM-MA組分后，纖維的彈性模量有所下降；且隨著ALG組分占比的減少，纖維的彈性模量下降明顯。故從纖維的彈性模量方面考慮，宜選用2#水凝膠纖維所采用的投料比，此時(shí)纖維的彈性模量為0.27 MPa。

圖8 不同投料比水凝膠纖維的彈性模量

2.5 水凝膠纖維的溶脹性能

將凍干后的水凝膠纖維在PBS溶液中溶脹。不同投料比的雙網(wǎng)絡(luò)3D結(jié)構(gòu)水凝膠纖維的溶脹倍數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，隨著ALG組分占比的減少，水凝膠纖維的溶脹倍數(shù)呈上升趨勢(shì)，這是由于ALG組分的減少使得水凝膠纖維的交聯(lián)密度減小，從而使溶脹倍數(shù)增大。5#纖維試樣中SA組分的引入進(jìn)一步提高了纖維的溶脹倍數(shù)(達(dá)10)，而未添加SA組分的水凝膠纖維的溶脹倍數(shù)最高約為6。

圖9 不同投料比的水凝膠纖維在不同溶脹時(shí)間下的溶脹倍數(shù)

2.6 水凝膠纖維的抗菌性能

將M-PHMG組分引入水凝膠纖維中，可賦予水凝膠纖維以抗菌性能。本文以5#纖維為抗菌試樣，2#纖維為對(duì)照樣進(jìn)行抗菌性能試驗(yàn)。圖10為瓊脂培養(yǎng)基菌落數(shù)圖，按照國(guó)標(biāo)計(jì)數(shù)并代入式(2)后計(jì)算可得，5#纖維試樣表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能，對(duì)大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達(dá)99.54%和99.97%。

圖10 瓊脂培養(yǎng)基菌落數(shù)

3 結(jié)論

本文通過(guò)在海藻酸離子交聯(lián)纖維基體中引入甲基丙烯酸魔芋葡甘聚糖(KGM-MA)、丙烯酸鈉(SA)和甲基丙烯酸聚六亞甲基鹽酸胍(M-PHMG)組分，形成共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再經(jīng)紫外光照作用，制備出具有優(yōu)異抗菌性能且溶脹倍數(shù)高的雙網(wǎng)絡(luò)3D水凝膠纖維。研究結(jié)果表明：所得水凝膠纖維呈透明狀，凍干后的水凝膠纖維直徑為(400±10)μm，溶脹倍數(shù)可達(dá)10；引入KGM-MA組分后，纖維的力學(xué)性能有所下降，且隨著ALG組分占比的減少，水凝膠纖維的力學(xué)性能下降明顯；引入M-PHMG的5#水凝膠纖維試樣具有良好的抗菌性能，對(duì)大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均超過(guò)99.00%。本文的水凝膠纖維制備方法操作簡(jiǎn)單、原料來(lái)源廣泛，所得水凝膠纖維在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。