负载Cu2O/MOF-5微晶纤维素基水凝胶的抗菌性能研究

张美云， 赵梦雅， 谭蕉君， 宋顺喜,， 解宏滨,， 罗延薇， 鲁 鹏

(1.陕西科技大学 中国轻工业纸基功能材料重点实验室 轻化工程国家级实验教学示范中心 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021； 2.广西大学 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

微晶纤维素作为一种新型、多功能天然高分子，随着研究者们对微晶纤维素制备方法、性质、结构研究的不断深入，独特的理化特性使其在食品、医药及化妆品等行业中受到越来越多的关注[1].微晶纤维素水凝胶具有良好的生物可降解性和生物适应性[2]，且资源丰富、比表面积大，但微晶纤维素并不具备抗菌性，大大限制了应用领域，因此亟需发展微晶纤维素的抗菌改性和修饰方法.

与通用的银系抗菌助剂相比，铜系抗菌助剂因其优异的抗菌性能和低廉的成本而逐渐引起科研工作者的重视[3]，在生物医学等领域展现出很好的应用前景.Cu2O是一种重要的铜系化合物，与其它铜源相比有如下优势：生物活性高、吸收率高、抗氧化性能高、安全性高、免疫调节能力强、环境污染小[4].MOF-5是由[Zn4O]6+与[O2C-C6H4-CO2]2-以八面体形式连接而行成的三维立体刚性骨架结构[5]，小粒径和高比表面积使其能快速吸附在细菌的细胞膜的表面，显著改变细菌的正常生理功能，如渗透性和呼吸功能，导致细菌死亡[6,7].与传统抗菌剂相比，MOF-5抗菌剂解决了传统抗菌剂抗菌选择性低、抗菌范围受限的问题，具有来源丰富、选择性高、协同抗菌能力强等优异性能[8,9].目前已有大量文献针对上述两种抗菌剂的生物活性、抗菌性、选择性进行研究，但鲜有引入两种抗菌剂制备复合材料并对其增强抗菌性能的报道.

基于上述背景，本研究利用微晶纤维素水凝胶和Cu2O、MOF-5金属有机骨架化合物各自优势，制备出具有生物可降解性和抗菌性优异的复合材料.首先以流动性强、比表面积大的MCC制备水凝胶，并以此为基体原位负载Cu2O和MOF-5制备具有不同复配比例的Cu2O/MOF-5/MCC三元复合材料.以大肠杆菌为试验菌种，考察Cu2O/MOF-5/MCC三元复合材料的抗菌性能，并探究Cu2O和MOF-5的最佳配比.

1 实验部分

1.1 实验原料及药品

微晶纤维素(MCC)，购于美国FLC公司；六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、对苯二甲酸(H2BDC)、五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)、抗坏血酸、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、过硫酸铵、丙烯酰胺、氯化钠(NaCl)、氢氧化钠(NaOH)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇(EtOH),均为AR，购于天津市大茂化学试剂厂；N,N-亚甲基双丙烯酰胺(AR)，购于阿拉丁试剂有限公司；琼脂(生物试剂)、蛋白胨(生物试剂)、牛肉膏(生物试剂)，均购于北京奥博星生物试剂有限责任公司；革兰氏阴性大肠杆菌(Escherichia Coli,E.Coli)，购于百灵威试剂有限公司.

1.2 实验仪器

VEGA-3-SBH,Czech场发射扫描电镜(捷克TESCAN公司)；Victory-22型傅里叶红外光谱仪(德国Bruker公司)；D8/max2200PC型X射线衍射仪(日本理学公司).

1.3 实验方法

1.3.1 微晶纤维素水凝胶的制备

准确称取4 g绝干MCC分散在100 mL去离子水中，先超声分散均匀，再加入0.4 g过硫酸铵，在室温下超声溶解，接着将20 mL 丙烯酸、4 g丙烯酰胺和0.12 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加至上述混合液中，然后在70 ℃下反应2 h，待冷却至室温，用去离子水和无水乙醇洗涤几次至中性，烘干.

1.3.2 Cu2O/MCC水凝胶复合材料的制备

称取1.5 g上述微晶纤维素水凝胶，加入到72 mL 0.1mol/L CTAB溶液中，加入50 mL 0.1 mol/L CuSO4·5H2O溶液，超声分散均匀，再加入10 mL 0.1mol/L抗坏血酸水溶液，将上述混合体系进行搅拌升温至55 ℃，55 ℃下反应10 min，再加入4 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，继续反应10 min，待冷却至室温，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，制得Cu2O/MCC水凝胶复合材料，简称cy1.然后将上述产物加入到72 mL 0.1mol/L CTAB溶液中，加入5 mL 0.1 mol/L CuSO4溶液，超声分散均匀.再加入10 mL 0.1mol/L 抗坏血酸，将上述混合体系在搅拌下从室温升至55 ℃，反应10 min，再加入4 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，保温10 min，待冷却至室温，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，制得Cu2O/MCC水凝胶复合材料，简称cy2.依次制备cy3-cy9，其中数字代表负载Cu2O的次数.

1.3.3 Cu2O/MOF-5/MCC水凝胶三元复合材料的制备

取上述cy1加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH(5∶3)的混合溶液，超声分散，加入0.8 g Zn(NO3)2·6H2O，溶解后，再加入0.4 g H2BDC.将上述混合物物迅速移入25 mL Telflon反应釜中，在120 ℃下反应4 h，冷却至室温后，分别用DMF和EtOH洗涤，制得Cu2O/MOF-5/MCC水凝胶三元复合材料，简称cy1-cy1.再进行一次上述循环，制备cy1-cy2三元复合材料.依次制备cy1-cy9、cy3-cy7、cy5-cy5、cy7-cy3、cy9-cy1型Cu2O/MOF-5/MCC水凝胶三元复合材料，记为cyX-cyY，其中X代表Cu2O的负载次数，Y代表MOF-5的负载次数，以cy1-cy9为例，意为在微晶纤维素基水凝胶表面负载1次Cu2O，再负载9次MOF-5.

1.3.4 分析表征

(1)结构表征：采用Vectory-22(Bruker，德国)傅里叶红外光谱仪(FT-IR)对样品的结构进行分析，制备样品用KBr压片，波长范围为400～4 000 cm-1；XRD采用D8 Advance(Bruker，德国)X射线衍射仪对样品进行测试，射线源为Cu Kα(λ=0.154 nm)，加速电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度为0.2 °/s，扫描范围为2θ=5～60 °；使用TESCAN VEGA-3-SBH,Czech扫描电镜(SEM)对样品的微观形貌进行表征，测试前对样品进行喷金处理，扫描电压为3 kV.

(2)抗菌测试表征：按照无机抗菌材料的抗菌性能检测的抑菌圈法[10]表征所有样品的抗菌性能.试验时将营养液固化成试验平板，把材料加工成直径为5 mm的圆片，置于平板中央，在此圆片周围出现菌生长禁止区(抑菌圈)，经37 ℃培养24 h后，比较抗菌材料抑菌圈的直径，评价抗菌材料的性能.

2 结果与讨论

2.1 结构与形貌

图1为5种三元复合材料cy1-cy9、cy3-cy7、cy5-cy5、cy7-cy3、cy9-cy1的FT-IR谱图.从图1可以看出，1 800～1 600 cm-1内表现出很强的红外吸收峰，据文献报道，羧酸官能团中C=O振动主要位于这个区域[11].1 700～1 550 cm-1和1 420～1 300 cm-1为对苯二甲酸中-COOH的对称和反对称振动峰，而cy1-cy9中此峰强更明显，这是因为cy1-cy9中MOF-5含量最多.780～650 cm-1为C-H面内、面外弯曲振动峰，为MOF-5的框架结构振动峰[12].饱和-CH2-内的C-H键弯曲振动和平面摇摆振动在1 485 cm-1处出峰.β-1,4-糖苷键上C-O-C伸缩振动产生的位于1 000～1 200 cm-1处的吸收带是证明纤维素的特征吸收带.在形成三元复合材料后，由于-COOH对Cu2O的强吸引力[13]，氧化亚铜的特征峰由原来的618 cm-1迁移至668 cm-1.

图1 样品的FT-IR谱图

图2 样品的XRD谱图

为了观察是否成功形成了三元复合材料，对复合材料微观形貌进行了表征，结果如图3所示.结合FTIR、XRD图谱和图3及图4可以得出，本实验成功制备了Cu2O/MOF-5/MCC水凝胶三元复合材料，且采用原位生长法生成的MOF-5为立方体结构，这与Panella等[17]报道的结果一致，而Cu2O为柱状或片状结构；由图3(g)、图3(h)的SEM可以看出cy7-cy3复合材料在微晶纤维素水凝胶表面生成Cu2O和MOF-5的量更多；当Cu2O生成量较多时，由于小尺寸效应[18]，颗粒之间容易通过范德华力和库仑力粘结在一起，形成尺寸较大的结构.

(a)cy1-cy9×2 000 (b)cy1-cy9×5 000

(c)cy3-cy7×2 000 (d)cy3-cy7×5 000

(e)cy5-cy5×2 000 (f)cy5-cy5×5 000

(g)cy7-cy3×2 000 (h)cy7-cy3×5 000

(i)cy9-cy1×2 000 (j)cy9-cy1×5 000图3 五种样品不同放大倍数的SEM图片

图4 cy7-cy3的EDS图谱

2.2 抗菌性能分析

从图5可以明显看出，微晶纤维素水凝胶没有抗菌性，而cy1-cy9、cy3-cy7、cy5-cy5、cy7-cy3、cy9-cy1三元复合材料均出现抑菌圈，表现出抑菌效果.这是由于cy1-cy9、cy3-cy7、cy5-cy5、cy7-cy3、cy9-cy1三元复合材料中的Cu2O和MOF-5对细菌具有细胞毒性，它能快速吸附在细菌的细胞膜的表面，显著地改变细菌的正常的生理功能，如渗透性和呼吸功能，导致细菌死亡[19].

(a)微晶纤维素水凝胶 (b)cy1-cy9

(c)cy3-cy7 (d)cy5-cy5

(e)cy7-cy3 (f)cy9-cy1图5 微晶纤维素水凝胶和五种 复合材料的抗菌图片

由图6 抑菌圈直径数据可以看出，cy7-cy3三元复合材料的抗菌性更强，这是因为铜离子的抗菌能力大于锌离子，且Cu2O的粒径比MOF-5小，更容易吸附在细菌的细胞膜的表面.

图6 五种复合材料的抑菌直径

3 结论

采用原位生长法成功制备了cy1-cy9、cy3-cy7、cy5-cy5、cy7-cy3、cy9-cy1五种Cu2O/MOF-5/MCC水凝胶三元复合材料.单一的微晶纤维素水凝胶并不具备抗菌性，引入MOF-5和Cu2O后对大肠杆菌表现出优异的抗菌性.且当Cu2O与MOF-5比例为7:3，抗菌效果最佳.