银纳米微粒接枝木纤维的制备及抗菌性能研究

冯晓燕， 陈 莹， 王春鹏， 储富祥

(中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室；江苏省 生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042)

·研究报告——生物质材料·

银纳米微粒接枝木纤维的制备及抗菌性能研究

冯晓燕， 陈 莹*， 王春鹏， 储富祥

(中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业局 林产化学工程重点开放性实验室；江苏省 生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042)

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂和分散剂，硼氢化钠为还原剂制备了聚乙烯吡咯烷酮-银纳米微粒(PVP-Ag NPs)，并将其通过硅烷偶联剂接枝到木纤维上，得到了具有抗菌活性的木纤维。利用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶-红外光谱(FT-IR)对PVP-Ag NPs接枝的木纤维进行了结构形貌的表征，并且通过热重分析仪(TG)分析其热稳定性能。结果表明，PVP-Ag NPs接枝木纤维的最佳反应条件是硅烷偶联剂用量4%、偶合时间5 h及接枝时间10 h，此条件下得到PVP-Ag NPs接枝木纤维的接枝率为5.8%；PVP-Ag NPs接枝的木纤维对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌、蜡状芽疱杆菌、革兰氏阴性菌大肠埃希氏菌以及耐药性细菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌这4种菌种的抑菌率均大于95%，此外，PVP-Ag NPs接枝到木纤维板上的抗菌效果也较好。

银纳米微粒；抗菌；木纤维板

木纤维是一种储量丰富的天然高分子混合物，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，它具有价格低廉、密度低、比强度高、可生物降解等优点，在汽车内部装饰件、室内装修材料、建筑结构部件等领域得到了广泛的应用[1-3]。然而木纤维具有大量不规则空隙，使其有较强的吸水性，并容易吸附细菌、真菌等微生物，从而限制了木纤维的应用。传统的抗菌防腐剂如油类防腐剂[4-5]、油载防腐剂[6]和水载防腐剂[7-10]等虽然对抑制微生物的生长是有效的，但大部分都具有毒性，并且在使用过程中抗流失性较差，对人体健康和环境都有不利的影响[11-12]。因此，开发新型、低毒、高效的木纤维抗菌防腐剂成为近年来木材防腐的研究新热点。将无机纳米材料应用到木材抗菌防腐方面是其中的一个重要研究方向[13-15]。银纳米材料由于本身特有的物理化学特性和纳米尺寸效应，在光学、电学、生物材料等领域具有广泛的应用前景[16-17]。在抗菌方面，相关研究表明经改性得到的水溶性银纳米材料具有抗菌广谱性、安全无毒性及不产生耐药性等优点[18-19],但将银纳米材料应用到板材抗菌方面的文献报道较少。本研究以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂和稳定剂，制备了PVP-银纳米微粒(PVP-Ag NPs)，并将其接枝到木纤维上，探讨了工艺条件对接枝反应的影响并进一步研究了PVP-Ag NPs接枝的木纤维的抗菌性能，考察了经PVP-Ag NPs表面处理的木纤维板的抗菌情况。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)、硝酸银、三水合柠檬酸钠(Na3C6H5O7·3H2O)、硼氢化钠、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)，均为分析纯；木纤维、木纤维板为工业级；金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，CICC 10384)、蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus，CICC 10352)、大肠埃希氏菌(Escherichiacoli，CICC 10354)购自中国工业微生物菌种保藏管理中心；耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus，MRSA)由南京市鼓楼医院提供；细菌培养基采用牛肉膏蛋白胨培养基和琼脂培养基，使用前灭菌处理。

傅里叶-红外光谱(FT-IR)Nicolet IS10；酶标仪ChroMat4300；扫描电子显微镜(SEM)S-3400N；热重分析仪(TG)NETZSCH 209F；超净工作台SJ-CJ-1CQ；摇床/振荡器THZ-320。

1.2 PVP-Ag NPs的制备

40 ℃及磁力搅拌条件下，12.5 mL硝酸银溶液(2 mmol/L)与12.5 mL三水合柠檬酸钠溶液(4 mmol/L)混合，10 min后，加入25 mL PVP溶液(2 g/L)，反应15 min左右，逐滴加入300 μL硼氢化钠溶液(0.1 mol/L)，溶液颜色逐渐由无色变为橙黄色，待颜色稳定后，即得到PVP-Ag NPs溶液。

1.3 PVP-Ag NPs接枝木纤维的制备

MPTS与甲苯按照一定的体积比配制不同浓度的硅烷偶联剂溶液各10 mL，分别加入2 g左右的木纤维，50 ℃恒温偶合反应一定时间，无水乙醇洗涤，120 ℃烘干，然后分别浸入10 mL PVP-Ag NPs溶液中，50 ℃条件下接枝反应一定时间，二次蒸馏水洗涤并120 ℃烘干，称其质量，并按以下公式计算接枝率：

接枝率=(接枝后木纤维质量-木纤维质量)/木纤维质量×100%

1.4 分析与测试

微观形貌采用SEM表征，干燥后表面喷金备用；接枝后木纤维的结构分析利用FT-IR进行表征，测试范围为500～4000 cm-1；样品的TG-DTG曲线由热重分析仪分析，具体实验条件如下：空气流，升温速度为10 K/min，温度范围为室温到800 ℃。

1.5 PVP-Ag NPs接枝木纤维的抗菌实验

配置新鲜测试菌(MRSA、S.aureus、B.cereus和E.coli)液各2 mL，调节其浓度为105CFU/mL，分别加入0.05 g左右的PVP-Ag NPs接枝的木纤维和未处理的木纤维，混合均匀后在37 ℃恒温培养4 h，取出木纤维，洗脱细菌，并配一系列稀释的菌液，分别取0.5 mL稀释后的菌液均匀涂布到琼脂板上，37 ℃恒温培养24 h后数菌落。PVP-Ag NPs接枝的木纤维的抗菌活性用抑菌率(R)表示：

R=(B-A)/B×100%

式中： B—实验组菌落数； A—对照组菌落数。

1.6 PVP-Ag NPs表面处理的木纤维板的抗菌实验

将木纤维板裁成6 cm×6 cm大小，用体积分数为4%的MPTS甲苯溶液(2 mL)对其表面处理，120 ℃烘干，再经过PVP-Ag NPs溶液(3 mL)处理，120 ℃烘干，待用。以未表面处理的木纤维板为对照组，将其与PVP-Ag NPs处理的木纤维板分别置于温度为30 ℃的潮湿环境下，一段时间后，观察木纤维板表面的细菌生长情况。

2 结果与讨论

2.1 反应原理

以PVP为稳定剂和分散剂，制备了银纳米微粒(PVP-Ag NPs)[20]，并将其通过偶联剂接枝到木纤维表面，具体接枝过程如图1所示。首先，50 ℃条件下，将木纤维浸泡在硅烷偶联剂的甲苯溶液中，硅烷偶联剂上的硅氧烷基(—SiOCH3)与木纤维组分中的羟基(—OH)发生反应[21]，使偶联剂接枝于木纤维表面；之后，将表面接枝硅氧偶联剂的木纤维浸泡于PVP-Ag NPs溶液中，由于硅烷偶联剂另一端为巯基(—SH)，能够比较容易与溶液中的银纳米微粒结合[22]，经过一定时间的反应后，制备得到具有抗菌活性的PVP-Ag NPs接枝的木纤维。

图1 PVP-Ag NPs接枝的木纤维的制备示意图

2.2 PVP-Ag NPs接枝木纤维的表征

2.2.2 SEM 利用扫描电子显微镜对PVP-Ag NPs接枝前后的木纤维的表面形貌进行表征，如图 3所示，与未处理的木纤维相比，经过 PVP-Ag NPs复合的木纤维表面比较粗糙，凹凸不平并有部分团簇现象，这是由于PVP-Ag NPs与木纤维发生了化学反应，导致木纤维表面结构发生改变。

图2 PVP-Ag NPs接枝前后的

木纤维红外光谱对比

Fig.2 FT-IR spectra of xylon before and after it was grafted with PVP-Ag NPs 图3 PVP-Ag NPs处理前后木纤维的扫描电镜对比图

Fig.3 SEM images of xylon before and after it was grafted with PVP-Ag NPs

2.2.3 PVP-Ag NPs接枝木纤维的热稳定性 如图4所示，木纤维的失重分为3个阶段： 1)室温至210 ℃，失重主要是由于木纤维中的吸附水蒸发，随着温度的升高，部分结晶水析出，失重率约为3.4%，木纤维失去水分后，在温度升高到210 ℃的过程中，其质量基本保持不变； 2)210～470 ℃，热分解明显加快，纤维素和半纤维素大部分分解，失重率约为90%； 3)470～800 ℃为第三阶段，木纤维的质量基本保持不变，接近800 ℃时的固体残留率为2.25%。PVP-Ag NPs接枝后的木纤维与木纤维相比，开始热解的温度略微提前，但是热解速率低于未处理的木纤维，最后的固体残留率为10.75%，可能是接枝的银纳米微粒残留使固体残留量增加，表明经PVP-AgNPs处理的木纤维的热稳定性基本未受接枝过程的影响。

图4 PVP-Ag NPs接枝前后的木纤维的热重图

2.3 PVP-Ag NPs木纤维接枝的工艺条件

为了获得最优的制备工艺参数，分别研究了硅烷偶联剂的用量、偶合时间及接枝时间等因素对接枝率的影响。首先，保持偶合时间与接枝时间不变，研究了MPTS的用量对PVP-Ag NPs接枝木纤维的接枝率的影响，实验结果如图5(a)所示。从图中可以看出，随着硅烷偶联剂在甲苯溶液中体积比的增加，促使木纤维上的巯基增加，因此木纤维上接枝的PVP-Ag NPs也增加，当MPTS在甲苯溶液中的体积分数达到4%后，继续增加硅烷偶联剂的用量，木纤维上的PVP-Ag NPs接枝率无明显增加。同样方法考察了偶合时间和接枝时间对接枝率的影响结果，如图5(b)和(c)所示。由此得到制备PVP-Ag NPs接枝木纤维的最佳实验条件为：硅烷偶联剂的用量为4%，偶合时间与接枝时间分别为5 和10 h，接枝率约为5.8%。

图5 不同参量对PVP-Ag NPs复合木纤维接枝率的影响

2.4 PVP-Ag NPs接枝木纤维的抗菌实验

为了探讨PVP-Ag NPs接枝木纤维的抗菌效果，以耐药性菌MRSA，革兰氏阳性菌S.aureus、B.cereus和革兰氏阴性菌E.coli为测试模型，研究了PVP-Ag NPs接枝木纤维对这4种菌的抗菌效果。如图6所示，PVP-Ag NPs接枝的木纤维对实验中的4种菌种，包括耐药性细菌MRSA均有较好的抗菌效果。利用数菌落的方法，统计了PVP-Ag NPs接枝木纤维的抑菌率，PVP-Ag NPs接枝的木纤维对上述4种菌种的抑制率分别为95.9%、99.5%、99.0%和99.0%，都大于95%。由此可见， PVP-Ag NPs接枝的木纤维具有抗菌高效性和广谱性。其可能的抗菌机理为：经PVP-Ag NPs接枝的木纤维表面有大量的银纳米微粒存在，由于银纳米微粒具有较大的比表面积，容易接触到细菌，在此过程中，银纳米微粒与细菌的细胞膜发生反应，并会渗透到细菌体内，从而与细菌内的酶蛋白反应，致使酶失活，并且银纳米微粒在细菌体内也会释放银离子，导致细菌死亡[23-24]。

图6 抗菌实验对比图

2.5 PVP-Ag NPs接枝的木纤维板的抗菌实验

按1.6节处理方法将PVP-Ag NPs直接接枝到木纤维板表面，研究了PVP-Ag NPs对木纤维板的抗菌性能的影响。将未经处理的与PVP-Ag NPs处理的木纤维板置于温度为30 ℃的潮湿环境下4 d，实验结果如图 7所示。对比两图可以看出，4 d后未接枝的木纤维板多处长出菌落，而PVP-Ag NPs接枝的木纤维板表面几乎没有观察到菌落。由此可见，PVP-Ag NPs表面接枝处理同样能够有效增强木纤维板的抗菌性能。

图7 PVP-Ag NPs表面处理前后木纤维板的抗菌对比图

3 结 论

3.1 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂和分散剂制备了聚乙烯吡咯烷酮-银纳米微粒(PVP-Ag NPs)并将其通过硅烷偶联剂接枝到木纤维上。研究表明PVP-Ag NPs接枝木纤维的最佳实验条件是硅烷偶联剂用量为4%，偶合时间和接枝时间分别为5和10 h，接枝率约为5.8%。

3.2 PVP-Ag NPs接枝的木纤维对革兰氏阳性菌S.aureus、B.cereus、革兰氏阴性菌E.coli以及耐药性细菌MRSA的抑菌率都大于95%，具有较好的抑菌效果；经过PVP-Ag NPs表面处理的木纤维板具有较好的抗菌性能。

3.3 由于银纳米微粒接枝的木纤维抗菌效果较好并且不会产生二次污染，它的进一步研究可能会为木纤维的抗菌防腐问题提供新的解决方法。

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Preparation and Antibacterial Activity of Xylon Grafted with Ag Nanoparticles

FENG Xiao-yan, CHEN Ying, WANG Chun-peng, CHU Fu-xiang

(Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)

Polyvinylpyrrolidone-Ag nanoparticles (PVP-Ag NPs) were prepared with PVP as stabilizing and dispersing agent and sodium borohydride as reducing agent. Then the PVP-Ag NPs were grafted on xylon via the coupling effect of silane coupling agent to obtain the xylon with antibacterial activity. The structure and morphology as well as the thermal stability of PVP-Ag NPs grafted xylon were characterized by FT-IR, scanning electron microscope and thermal gravity analysis. The results indicated that the optimum reaction conditions of PVP-Ag NPs grafted on the xylon were the dosage of the coupling agent 4%, the coupling time 5 h and the grafting time 10 h. The grafting rate was about 5.8% under these conditions. The inhibitory rates of PVP-Ag NPs grafted xylon against gram-positiveStaphylococcusaureus,Bacilluscereus, gram-negativeEscherichiacoliandMethicillin-resistantStaphylococcusaureus(MRSA) were all more than 95%. Furthermore, the PVP-Ag NPs grafted on wood fiber board possessed excellent antibacterial activity.

Ag nanoparticles; antibacterial activity; wood fiber board

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.001

2015- 05- 15

江苏省自然科学基金资助项目(BK20131071)

冯晓燕(1987—),女,山东潍坊人，硕士生，主要从事抗菌材料的研究工作

*通讯作者：陈 莹，硕士生导师，主要从事天然高分子纳米材料的合成、表征和性能研究；E-mail:yingchencaf@gmail.com。

TQ351

A

1673-5854(2015)05- 0001- 06