TiO2-Ag/聚乳酸纳米复合纤维的制备及其抗菌性能

孙 辉， 张恒源， 咸玉龙， 周传凯， 于 斌

(浙江理工大学 材料与纺织学院、丝绸学院， 浙江 杭州 310018)

随着科技水平的不断提高，高分子纤维材料在生物医学方面的应用越来越广泛，这些材料具有修复人体组织、重建人体器官、协调器官功能、取代坏死部分等功能，为人类的身体康复和寿命延长起到了重要的推动作用，但这些材料在使用过程中直接或间接导致的感染已经成为临床上一个棘手的问题[1]。此外，一些石油基的医用高分子纤维在使用后，人体自身和环境也不能够有效地分解和清除，因此，具有抗菌性能且生物可降解的高分子纤维材料在临床医用方面的研究和应用备受关注。

聚乳酸(PLA)是一种以乳酸为主要合成原料的聚酯型生物可降解高分子材料，由于其安全无毒，生物相容性较好，力学和加工性能优良，制成纤维材料后可广泛应用于生物医学领域[2-4]。为赋予其优良的抗菌性能，研究者们通过在PLA中引入具有抑菌功能的物质或者官能团，从而使其达到杀菌的目的[5-7]。其中二氧化钛(TiO2)无机纳米粒子因在太阳能光催化作用下具有良好的长效杀菌效应，是一种理想的抗菌添加剂[8-9]，加入PLA中往往可使PLA获得抗菌性能。但TiO2纳米粒子利用率较低，比表面积相对较小，且不易与其他金属材料掺杂[5,10-11]，在杀菌应用方面受到一定限制。经过扩孔得到的TiO2纳米介孔材料具有更大的比表面积，且更易掺杂或负载其他元素而使TiO2纳米粒子的抗菌效率提高[10-11]。研究表明，与金属银(Ag)杀菌剂掺杂后，TiO2纳米粒子的抑菌性能可得到明显的提高[12-13]。

为此，本文采用经溶胶-凝胶法自制的TiO2-Ag纳米介孔微球粒子与PLA进行熔融纺丝，制备了不同配比的TiO2-Ag/PLA纳米复合初生纤维，并以一定质量配比的TiO2/PLA纳米复合纤维作为对比，研究TiO2-Ag和TiO2这2种纳米粒子的添加对PLA结构、形貌、热行为和热稳定性等的影响，并对2种纳米复合纤维的抗菌性能进行对比和评估，以期为高效抗菌的生物可降解高分子复合材料的制备提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚乳酸，密度为1.24 g/cm3，210 ℃时熔融流动指数为36.1 g/(10 min)，美国NatureWork公司；TiO2-Ag纳米介孔微球粒子和TiO2纳米粒子，分别通过溶胶-凝胶法由实验室自制[14]，其中TiO2-Ag粒径约为500 nm，TiO2粒径约为220 nm；蛋白胨、牛肉胨、琼脂粉、氯化钠和水，国药集团化学试剂有限公司；金黄色葡萄球菌(ATCC6538，格兰氏阳性菌代表)和大肠杆菌(ATCC25922，格兰氏阴性菌代表)，浙江理工大学生命科学学院。

1.2 复合母粒的制备

首先将PLA树脂粒子在80 ℃下干燥12 h。冷却后与自制的TiO2-Ag和TiO2纳米粒子按照表1中预设的质量配比在SHR型高速混合机(苏州生光塑料机械有限公司)中分别进行预混。将所得的TiO2-Ag/PLA与TiO2/PLA混合物分别喂入TSE-30A型同向双螺杆挤出机(南京瑞亚挤出机机械制造有限公司)中，在温度为180 ℃、转速为40 r/min下进行熔融共混10 min后挤出，之后将冷却的丝条喂至SCQ-200型造粒机(华冠捏合机制造有限公司)中进行造粒，制得TiO2-Ag/PLA与TiO2/PLA复合母粒。

表1 样品的不同配料比例Tab.1 Various mass ratios of samples %

1.3 纳米复合纤维的制备

将烘干的TiO2-Ag/PLA和TiO2/PLA母粒喂入RH7型毛细管流变仪的Haul-off装置(英国Rosand公司)中进行熔融纺丝。纺丝温度为185 ℃，口模直径为1 mm，挤出速率为2.5 mm/min，卷绕速度为1 m/min。

1.4 测试与表征

1.4.1纳米复合纤维化学结构测试

采用5770型红外光谱仪(FT-IR，美国NicoLe公司)对PLA及其复合纤维样品的化学结构进行分析，测试范围为3 300～550 cm-1。

1.4.2纳米复合纤维微观形貌观察

采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM，日本电子公司)观察PLA和复合纤维的断面相结构。测试前首先将待测纤维样品在液氮中冷冻后脆断，取断面进行喷金处理。

1.4.3纳米复合纤维热行为测试

利用DSC8000型差示扫描量热仪(DSC，美国Perkin Elmer公司)测试样品的熔融热行为。取约 8 mg的样品，在氮气保护下，首先从室温升至 200 ℃，升温速度为20 ℃/min，然后在200 ℃停留 3 min以消除热历史，并以10 ℃/min的速度降至 20 ℃；之后再以10 ℃/min的速度升温至200 ℃，记录样品的第2次升温曲线。样品的相对结晶度利用下式进行计算：

1.4.4纳米复合纤维热稳定性测试

利用PYRIS 1型热重分析仪(TG，美国Perkin Elmer公司)测试样品的热稳定性。取约8 mg的样品，在氮气保护下从室温升温至600 ℃，升温速度为10 ℃/min，记录样品的TG曲线。

1.4.5纳米复合纤维结晶结构测试

采用ARL XTRA型X射线衍射仪(XRD，瑞士Thermo ARL公司)对样品进行结晶结构测试，测试范围为5°～50°，扫描速度为4 (°)/min。

1.4.6纳米复合纤维抗菌性能测试

采用振荡法测试样品对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能。对接种后的培养基置于光照(普通可见光源)培养箱中，根据GB 15979—2002《一次性使用卫生用品卫生标准》，在温度为37 ℃下培养24 h后，通过下式计算样品的抑菌率：

×100%

式中：Xs为抑菌率，%；A和B分别为样品振荡前后的平均菌落数。

图2 纯PLA及其纳米复合纤维断面的扫描电镜照片Fig.2 SEM fracture images of pure PLA and nano-composite fibers

2 结果与讨论

2.1 纳米复合纤维的化学结构分析

图1 纯PLA及其纳米复合纤维的红外谱图Fig.1 FT-IR spectra of pure PLA and nano-composite fibers

2.2 纳米复合纤维的形貌分析

图2示出纯PLA及其纳米复合纤维截面的扫描电镜照片。

由图2(a)可以看出，纯PLA的截面成单一均相结构。当混入不同质量分数的TiO2-Ag和质量分数为3%的TiO2纳米粒子后，样品的截面呈现典型的海-岛结构，2种纳米粒子在PLA基体中以颗粒状存在，在少量添加(质量分数小于等于3%)的情况下，2种粒子在基体中分布较均匀。当TiO2-Ag粒子质量分数超过3%时，其在基体中开始有聚集现象(见图2(d)中圆圈所示)出现。

2.3 纳米复合纤维的热行为分析

图3示出纯PLA及其纳米复合纤维的DSC 第2次升温曲线，相关热性能参数列于表2中。从图3可知，PLA及其纳米复合纤维的第2次升温曲线均出现3个吸热峰和1个放热峰，分别对应于样品在2次升温过程中的玻璃化转变、2个熔融和1个结晶行为。从表2可知，纯PLA纤维的玻璃化转变温度(Tg)约为62.4 ℃，加入不同质量分数的TiO2-Ag和质量分数为3%的TiO2纳米粒子后，复合纤维的Tg没有发生明显变化，这说明在研究范围内，2种纳米粒子的添加基本没有改变PLA分子链段的运动能力。随着温度的升高，在所有样品的DSC曲线上出现了结晶放热峰，其中：纯PLA的结晶峰温度(Tc)约为117.4 ℃；对于复合纤维，TiO2-Ag纳米粒子的添加对PLA的Tc几乎没有影响，而质量分数为3%的TiO2纳米粒子的加入，使得PLA的Tc略有下降。

图3 纯PLA及其纳米复合纤维的DSC曲线Fig.3 DSC curves of pure PLA and nano-composite fibers

表2 PLA及其纳米复合纤维的热性能参数Tab.2 Thermal parameters of pure PLA and nano-composite fibers℃

注：T5%为样品的初始分解温度；T95%为样品的终止分解温度。

由图3还可知，在纯PLA和复合纤维的DSC曲线上均出现了2个熔融峰，其中低温小熔融峰的形成是由于PLA结晶速率较慢，经过1次升温冷却后，形成了一些不完善的晶体结构，再次加热时由于这些不完善结构分子链较为松散，出现了先熔融现象；而高温熔融峰则对应的是PLA的主熔融行为。由表2可知，PLA的低温小熔融峰对应的温度(Tm1)约为154.4 ℃，高温主熔融峰温度(Tm2)约为166.4 ℃。随着TiO2-Ag纳米粒子质量分数的增加与TiO2粒子的加入，复合纤维的Tm2都有所降低。这可能是因为少量纳米无机粒子的添加增加了大分子链之间的距离，使其相互之间的作用力有所下降。由表2还可知，纯PLA的Xc值为32.6%，加入2种纳米粒子后，PLA的相对结晶度并未出现明显改变。可以看出，在添加范围内，2种纳米粒子并未显著影响PLA纤维的结晶行为。

2.4 纳米复合纤维的热稳定性分析

图4示出纯PLA及其纳米复合纤维的TG曲线，相关数据列于表2中。结合图4和表2可以看出，纯PLA的起始分解温度(T5%)约为337.7 ℃，终止分解温度(T95%)约为386.3 ℃，其热分解主要是由于PLA基体的分子链断裂造成的。加入TiO2-Ag和TiO2纳米粒子后，复合纤维的T5%和T95%较纯PLA降低；并且在加热过程中，相对于纯PLA(0#)，1#～4#复合纤维的热分解曲线均向低温方向偏移。有研究表明，纳米粒子比表面积大，易吸附水分子，添加后会导致PLA纤维在加热过程中更易降解，使PLA热稳定性下降[16]。

图4 纯PLA及其纳米复合纤维的TG曲线Fig.4 TG curves of pure PLA and nano-composite fibers

2.5 纳米复合纤维的结晶结构分析

图5示出纯PLA及其纳米复合材料的XRD谱图。可以看出，对于纯PLA来说，其谱图在2θ为16.5°和19.1°处出现了2个小的衍射尖峰，分别对应于PLA熔融结晶时形成的α晶型的(200)、(110)和(203)晶面的衍射峰[17]，表明了PLA纤维的可结晶性，这与DSC中的分析一致。加入少量TiO2-Ag和TiO2纳米粒子后，PLA的结晶结构并未发生改变，而1#～4#复合材料的XRD谱图中2θ为25.1°处，出现了1个小的衍射尖峰，此峰归属于锐钛矿型TiO2的(101)晶面衍射峰，这也证实了红外谱图中的分析，说明含TiO2成分的纳米粒子的确存在于PLA基复合纤维中。

图5 纯PLA及其纳米复合纤维的XRD谱图Fig.5 XRD spectra of pure PLA and nano-composite fibers

2.6 纳米复合纤维的抗菌性能分析

PLA及其纳米复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率测试结果如表3所示。

表3 PLA及其纳米复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率Tab.3 Antibacterial ratio to Staphylococcus aureus and Escherichia coil of pure PLA and nano-composites fibers %

由表3可以看出，相对于纯PLA，1#～4#复合纤维样品的抑菌率均达到70%以上，说明TiO2-Ag/PLA和TiO2/PLA 这2种复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均产生了抑制效果。对于均添加质量分数为3%纳米粒子的复合纤维来说，相比于 4#(TiO2/PLA 复合纤维)，2#(TiO2-Ag/PLA复合纤维)对2个菌种的抑菌率分别增加了23.3%和31.2%。由此可见，在TiO2纳米介孔微球粒子表面接枝Ag以后，制备的复合纤维材料表现出更好的抗菌效果。一般认为，TiO2纳米粒子在太阳光的光催化作用下即可杀菌，其主要通过TiO2的光生电子和空穴直接与细胞质、细胞膜或细胞内组分进行反应而直接杀菌，也可在光的作用下生成高活性自由基，再与细胞发生生化反应而间接杀菌[18-19]。但因TiO2纳米粒子对可见光的吸收率较低，往往会影响其抗菌效果[11, 20]。若经过扩孔生成介孔粒子后，TiO2纳米粒子不但比表面积增加，增强了细菌的吸附率，而且经表面接枝Ag后，Ag+可通过干扰细菌细胞中色素的结构阻碍细胞的呼吸，还可改变细胞膜上的电位，使其不能正常代谢，此外，Ag的引入也提高了TiO2纳米粒子对可见光的吸收率[20-21]，因此，TiO2-Ag纳米粒子加入后，PLA复合材料的抑菌率明显增加。

3 结 论

1)通过熔融共混造粒并纺丝，TiO2-Ag纳米介孔微球粒子和TiO2纳米粒子成功地混入PLA基体中。当添加质量分数不超过3%时，2种纳米粒子可在PLA基体中较均匀地分散，但当TiO2-Ag纳米粒子质量分数达到5%时，在基体中出现了聚集现象。

2)TiO2-Ag纳米粒子的添加，并未改变PLA的玻璃化转变温度、结晶温度和相对结晶度，而质量分数为3%的TiO2纳米粒子的加入，使PLA复合纤维的结晶温度略有降低；随着TiO2-Ag纳米粒子质量分数的增加和TiO2纳米粒子的加入，PLA纳米复合纤维的熔融温度降低，热稳定性下降；2种纳米粒子的存在并未改变PLA的晶型结构。

3)TiO2-Ag和TiO2纳米复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均产生抑菌效果。随着TiO2-Ag纳米粒子质量分数的增加，TiO2-Ag/PLA复合纤维的抑菌率不断增加。当添加的2种纳米粒子质量分数同为3%时，相比于TiO2/PLA，TiO2-Ag/PLA复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有更高的抑菌率。