以豌豆叶片为模板的高分子膜抑菌性研究

纪丁琪 房岩 金丹丹 关琳 蓝蓝 孙刚

摘 要：选用国产豌豆（Pisum sativumL.）和进口麻豌豆（Pisum sativum var. saccharatum）为材料，利用扫描电镜观察叶片及PDMS仿生膜微观结构，使用接触角测量仪测定叶片及PDMS仿生膜表面接触角，使用红外光谱测量仪分析叶片化学组成。以叶片为模板，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材，用软刻蚀法制备高分子仿生膜。结果表明，豌豆叶片表面具有明显的粗糙微观结构。豌豆叶片表面及仿生膜接触角均大于151.8°，均具有较高的疏水性。叶片化学成分主要包括烃基、酯类等疏水性基团。PDMS仿生膜复制叶片表面的微观结构，具有较强的疏水性和抗菌性。

关键词：豌豆叶片;疏水性;抑菌性;仿生

中图分类号：S-3

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190815001

表面润湿性是固体表面的重要特性之一，由表面的化学组成和微观结构2方面因素共同决定[1-3]。人们通过研究动植物表面结构与其特殊湿润性的关系，不断发展基本润湿模型及方程，构建具有更多功能的超疏水表面[4-6]。随着科技的发展，仿生学越来越多地渗透到工农业生产、国防、交通和日常生活中，涉及集水、储油、抗菌、抗凝、防水、防污染和防氧化等众多领域[7]。本文以叶片为模板，将分级微纳米结构复制到高分子材料表面，研究细菌在仿生高分子材料表面的抑制效应，为新型抗粘附、抗感染功能材料的构建提供新的思路和启发。

1 实验材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 实验材料

国产豌豆（Pisum sativumL.）和进口麻豌豆（Pisum sativum var. saccharatum），枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。

1.1.2 主要试剂及仪器

PDMS（道康宁184，美国）;扫描电子显微镜（SU8010，日本日立）;光学法接触角仪（C50，上海梭伦）;傅立叶红外光谱分析仪（NICOLET-380，美国Thermo Electron）。

1.2 方法

1.2.1 叶片及仿生膜微观结构观察

将叶片和PDMS仿生膜切成4mm×4mm片段，用导电胶带固定于铜柱上，喷金处理，扫描电子显微镜下观察并拍照。

1.2.2 叶片红外光谱分析

取新鲜叶片，用75%酒精清洗，烘箱80℃干燥4h。取1g干燥叶片，与10g纯KBr混合研磨，压成薄片，用红外光谱仪分析叶片化学成分。

1.2.3 叶片及仿生膜接触角测量

将叶片及仿生膜剪成1.5 cm×1.5 cm正方形。液滴体积为6μL，测试5次，取平均值。

1.2.4 仿生膜制备

取3g PVA与27mL无菌水混匀，静置30min，90℃恒温水浴锅加热，磁力搅拌器搅拌1h（常温，转速1000rpm/min），静置除气泡。将PVA水溶液均匀涂在叶片表面，室温存放24h，将PVA膜揭下备用。

取PDMS主剂与固化剂按10：1比例混合，磁力搅拌器搅拌均匀，静置1h至无气泡。涂至PVA膜表面，烘箱120℃干燥2h，将PDMS膜揭下备用。

1.2.5 抗菌性检测

将枯草芽孢杆菌放入恒温震荡培养箱活化48h，置于4℃医用冷藏箱保存备用。配制牛肉膏蛋白胨固体和液体培养基。采用平板涂布法，将350μL枯草芽孢杆菌菌液接种在固体培养基中，置入PDMS仿生膜。在液体培养基中，将接种350μL菌液的PDMS仿生膜培养18h、24h、48h和72h，于λ=660 nm处测量菌液OD值。实验设置5组，分别为对照组和2种叶片正、反面的PDMS仿生膜。

2 结果与分析

2.1 叶片及仿生膜表面微观结构

在体视显微镜下，豌豆叶片表面较平整，细胞均匀且紧密排列（图1）。在扫描电镜下，叶片表面粗糙，表皮毛丰富，可见气孔结构和保卫细胞。PDMS仿生膜表面较好地复制了叶片表面的微观结构，类似气孔结构和保卫细胞的粗糙形貌及尺寸与叶片表面相似（圖2）。

2.2 叶片化学成分分析

叶片在3362、2907、2848、2025、1620、1385、1067、548、417cm-1处有吸收峰。3362cm-1处的吸收带由醇类、酚类或羧酸的O-H、N-H基伸缩振动引起，2025、548cm-1处的吸收带表明叶片具有非饱和脂肪烃，2907cm-1处的吸收带表明叶片具有饱和脂肪烃，1620、1385cm-1处的吸收带表明叶片含有酰胺与硝基，1067cm-1处的吸收带是由酸酐、酰氯、酯、醛、酮、羧酸、酰胺官能团的C-O基伸缩振动引起（图3）。可见，叶片主要由长链脂肪酸、醇、蜡质晶体与蛋白质构成。疏水基团是叶片特殊浸润性的化学基础。

2.3 叶片及仿生膜表面疏水性

国产豌豆叶片正面接触角为156.6°，反面接触角为154.8°;PDMS仿生膜正、反面接触角分别为152°和156.2°。国产豌豆叶片与PDMS仿生膜疏水性进行T检验，P<0.001，差异极显著。进口麻豌豆叶片正面接触角为153.6°，反面接触角为151.8°;PDMS仿生膜正、反面接触角为154.8°和153.9°。进口麻豌豆叶片与PDMS仿生膜疏水性进行T检验，P<0.001，差异极显著。表明豌豆叶片及PDMS仿生膜均具有良好的疏水性，且仿生膜的疏水性优于叶片模板（图4）。

2.4 仿生膜抑菌性

2.4.1 荧光显微镜观察

二次培养后，荧光显微鏡观察，PDMS仿生膜实验组的枯草芽孢杆菌密度小于空白对照组，说明高分子仿生膜具有较强的抑菌作用（图5）。

2.4.2 菌液OD值分析

在24h培养期间，各组OD值变化较大，随着时间的推移呈明显升高趋势，然后趋于稳定（图6）。其中，空白对照组OD值最大，进口麻豌豆PDMS仿生膜OD值最小。2种叶片PDMS仿生膜均具有良好的抑菌性。

3 结论

豌豆叶片表面具有明显的粗糙微观结构。国产豌豆和进口麻豌豆叶片表面的接触角分别大于156.6°±1.7°和153.6°±1.7°，属于超疏水表面。

以叶片为模板，以PDMS为基材，采用二次转写技术，成功制备具有叶片表面微观结构的仿生膜。国产豌豆和进口麻豌豆叶片仿生膜的接触角分别大于154.8°±1.3°和151.8°±1.1°。仿生膜具有较强的疏水性和抗菌性。

参考文献

[1]Liu M J，Jiang L.Switchable adhesion on liquid/solid interfaces[J].Advanced Functional Materials，2010，20（21）：3753-3764.

[2] Miwa M，Nakajima A，Fujishima A.Effects of the surface roughness on sliding angle of water droplets on super-hydrophobic surface[J].Langmuir，2000，16（13）：5754-5760.

[3] 杜晨光，夏帆，王树涛，等.仿生智能浸润性表面研究的新进展[J].高等学校化学学报，2010，31（3）：421-431.

[4] 刘金秋，柏冲，徐文华，等.高黏附性超疏水表面的研究进展[J].应用化学，2013，30（7）：733-737.

[5] 房岩，孙刚，丛茜，等.蝗虫翅表面微观结构及疏水耦合机理[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（9）：419-422.

[6] 房岩，王誉茜，孙刚，等.樱桃叶片表面的特殊复合浸润性及仿生制备[J].东北师大学报（自然科学版），2016，48（4）：121-124.

[7] Patankar N A.On the modeling of hydrophobic contact angles on rough surfaces[J].Langmuir，2003，19（4）：1249-1253.

作者简介：

纪丁琪（1992-），女，硕士研究生。研究方向：功能生物学研究;

孙刚（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物材料研究。