静电纺丝法制备季铵盐抗菌薄膜材料综合实验设计

李 婷, 刘 维, 张春梅, 周家容, 周武艺, 倪春林

(华南农业大学 材料与能源学院 生物化工与制药实验教学示范中心, 广东 广州 510642)

静电纺丝技术具有工艺简单、操作方便、适用范围广等特点,可以用于制备纳米纤维和薄膜材料,在生物医药、催化、能源、食品工程和日用化妆品的领域具有广泛的应用前景[1-2]。季铵盐化合物因以其具有高效广谱的抗菌性能,并且水溶性好、性质稳定、安全低毒、价格便宜和使用范围广等诸多优点，广泛应用于在农业生产、医疗卫生、日常生活等诸多领域[3-4]。综合性实验在培养具有创新精神和实践能力的应用型人才方面具有重要作用[5-6]。为此，根据广东省珠三角地区对制药工程人才需求,在实验教学体系中增开了相关专业的综合实验。本课题组在取代苄基季铵盐的合成、有机复合抗菌材料的研究和静电纺丝技术的应用等方面开展了系列工作,并取得一些进展[7-9],特别是将取代苄基吡啶类季铵盐用于有机-无机杂化材料的制备,以获得系列光学、磁学和催化性能优良的功能材料[10-12]。有机季铵盐一般采用加热回流的方法合成,耗时较长[7]。本实验以科研工作为基础,先以苄基溴和4-二甲氨基吡啶为原料,通过超声合成溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐,用元素分析、红外光谱和电子喷雾质谱对其进行了组成分析和结构表征；然后采用静电纺丝法制备了聚丙烯腈纤维为载体的复合抗菌薄膜材料,利用平板法测定了复合抗菌薄膜材料对金葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能。

1 试剂与仪器

试剂：苄基溴，4-N, N′-二甲氨基吡啶，聚丙烯腈(PAN)，二甲亚砜(DMSO)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和无水乙醇等试剂均为市售分析纯试剂,未经处理直接使用；丙酮经干燥处理。

仪器：元素分析仪(Perkin-Elmer 240 C),红外光谱仪(Nicolet Acvatar 360 FT-IR),紫外-可见分光光谱仪(Shimadzu UV-Vis 2550),液相色谱串联质谱联用仪(新加坡AB Sciex API 3200 LC/MS/MS System),高压静电纺丝装置, 超声波清洗仪,电导率仪,电子分析天平,分光光度计,恒温恒湿培养箱,洁净工作台,蒸汽灭菌锅。

2 实验

2.1 目标产物的合成路线

以苄基溴和4-N, N′-二甲氨基吡啶为原料,在丙酮中加热回流反应,得到目标产物——溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐(以下简称季铵盐),如图1所示。

图1 溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐的合成路线

2.2 目标产物的合成步骤

称取 0.01 mol的苄基溴和 0.011 mol的4-二甲氨基吡啶于30 mL丙酮中超声反应1 h，冷却抽滤, 用少量丙酮和乙醚洗涤, 再用甲醇和丙酮重结晶, 真空干燥得白色粉状溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐固体,产率86.8%。

2.3 目标产物样品的表征

用元素分析测定溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐样品中C、H、N含量,以傅里叶变换红外光谱仪测定样品中官能团的主要振动频率(KBr压片)；电子喷雾质谱测定季铵盐样品中阳离子的式量(甲醇为溶剂)；电导率仪确定季铵盐电解质类型(甲醇为溶剂)；以紫外-可见光谱测定样品的电子吸收光谱,用分光光度法测定季铵盐薄膜的缓释性能。

2.4 聚丙烯腈/季铵盐薄膜的制备

称取1.5 g的聚丙烯腈溶入质量比为1∶1的二甲亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液中,配置成质量分数为15%的PAN纺丝原液；然后在纺丝原液分别加入0.075、0.150、0.300 g的溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐,在800C恒温条件下搅拌至完全溶解,静置消泡；放入静电纺丝装置的注射器中,打开静电纺丝装置电源,进行纺丝,制备聚丙烯腈/季铵盐薄膜。静电纺丝装置图如图2所示。纺丝条件：纺丝电压16 kV, 接收距离为5 cm, 纺丝速率1.0 mL/h, 环境温度25 ℃,相对湿度40%～70%。

图2 静电纺丝装置

2.5 抗菌薄膜缓释性测定

以紫外-可见光谱仪测定样品的电子吸收光谱,准确称取溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐，并用蒸馏水配制成不同浓度的系列溶液,用分光光度计在最大吸收波长处测定吸光度,绘制溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐的标准曲线。

分别称取含有不同浓度溴化苄基-4-二甲氨基吡啶的季铵盐0.2 g 置于盛有500 mL纯水的烧杯中，于25 ℃下恒温振动,每隔10 min取出2 mL溶液,同时向烧杯中补充纯水,确保烧杯中溶液的体积不变；准确量取该溶液1 mL，置于10 mL容量瓶中，并用纯水稀释至刻度,用分光光度计在最大吸光度处测定吸光度A,通过标准曲线计算出药物浓度和释药量,最后计算出药物累积溶出的百分率,绘制累积药物溶出曲线。

2.6 抗菌性能测试

通过灭菌、培养基的制备、菌种的培养等过程,根据文献[13]方法,采用平板滤纸法测定溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐膜样品对金葡萄球菌和大肠杆菌抑菌圈大小,平行3次。

3 结果与讨论

3.1 样品的组成

用有机元素分析仪测得溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐中各元素的质量分数分别为:C为57.26%， H为5.95%， N为9.46%; 通过季铵盐的化学式(C14H17N2Br)计算，得到各元素的质量分数分别：C为57.35%， H为5.84%， N为9.55%。实验数据与计算值基本符合。

溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐电子喷雾(ESI-MS)图谱见图3,可以得知,其最大分子离子峰测量值(相对量)为212.6,理论值为213.3,实测值与理论值接近。

图3 溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐ESI-MS图

将溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐配制成浓度为1.00×10-3mol/L的甲醇溶液,在常温下用电导率仪测得的电导率为0.105 ms/cm,计算的摩尔电导率为数据105 S·cm2/mol,表明所合成的样品属于1∶1型电解质[14]。

3.2 样品的紫外光谱和红外光谱

如图4所示,溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐样品在291 nm处有最大吸收,归属于—N(CH3)2基团中氮原子和吡啶环之间的n→π*跃迁[15]。将适量季鏻盐固体样品和KBr混匀,研磨成细粉，并用液压压片机压成透明薄片,然后用Acvatar 360 FT-IR红外光谱仪扫描化合物400～4 000 cm-1的红外光谱。由图5可知, 所制备的样品中苯环的 C—H伸缩振动峰位于3 037 cm-1处,甲基和亚甲基的C—H伸缩振动峰分别为2 956和2 887 cm-1, 苯环和吡啶环中的CC和CN的伸缩振动出现在1 645 cm-1、1 572 cm-1和1 448 cm-1处, 816 cm-1归属于吡啶环上的 C—H面外弯曲振动,771 cm-1和723 cm-1归属于苯环上的 C—H面外弯曲振动[15]。

图4 样品的紫外光谱

图5 样品的红外光谱

3.3 聚丙烯腈/取代苄基季铵盐薄膜的缓释性

由图6中可以看出,所制备的纤维膜在120 min 内的释药可以分为二个阶段:(1)在60 min 内,季铵盐的释放速率较快,其原因可能是超细纤维表面的溴化苄基-4-二甲氨基吡啶盐经缓冲溶液的冲刷,扩散阻力小,很容易从PAN纤维表面释放,同时纤维表面溴吡啶季铵盐的溶解释放为纤维内部季铵盐的释放提供了通道；(2) 在60～120 min 时间范围,季铵盐的释放速率较缓慢,原因是纤维表面的吡啶季铵盐已经基本释放完全,而纤维内部的吡啶季铵盐则需要过扩散的方式从纤维内部释放,降低了释放的速率。

图6 不同质量分数季铵盐纤维膜的缓释性能

3.4 抗菌性能

表1列出了3种含不同质量分数的季铵盐薄膜材料对金葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径,可以看出聚丙烯腈/溴化苄基-4-二甲氨基吡啶季铵盐纤维薄膜有明显的抗菌作用, 对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径随薄膜材料中添加吡啶季铵盐量的增加而增大,抗菌作用越好。

表1 3种不同浓度的季铵盐薄膜抑菌圈直径

4 结论

该实验项目将季铵盐的制备、超声合成、组成和结构分析、静电纺丝技术的应用和抗菌活性的测定等内容有机结合,涵盖多个学科的知识点,及多项基本操作技术和多种现代化仪器的应用,综合性强。通过实验,可以拓展学生的视野,培养学生科研兴趣,提高学生分析问题和解决问题的能力。