聚丙烯腈抗菌复合纳米纤维膜的制备及其抗菌性能

贾 琳，王西贤，陶文娟，张海霞，覃小红,2

(1. 河南工程学院 纺织学院，河南 郑州 450007； 2. 东华大学 纺织学院，上海 201620)

生活环境中微生物无处不在，虽然人类能与绝大部分微生物相互依存，但也要面对细菌、病毒等病原菌对健康甚至是生命的威胁。近些年来，人们对抗生素的过分依赖和滥用，使部分病原菌产生了耐药性，导致出现了超级细菌，加重了对人类生存环境的危害[1]，所以抗菌材料的研究和应用逐渐成为学者研究的热点。与人身体紧密接触的纺织品也是其中一个重要方向，越来越多的抗菌、除臭等功能性纺织品受到人们的重视[2]。

抗菌材料是指在一定时间内能控制微生物的繁殖和生长，或是使细菌、病毒等微生物灭失活性的材料[3-4]。根据抗菌剂成分的不同，可将抗菌材料分为天然抗菌材料、有机抗菌材料和无机抗菌材料[5]。天然抗菌材料因其抗菌性能不稳定、提取成本过高等，限制了其应用范围，而有机抗菌材料和无机抗菌材料在抗菌材料市场中占绝对优势。但是，有机抗菌材料在使用过程中对人身体有一定的副作用，如青霉素、磺胺类、头孢菌素类等抗菌药物泛滥应用导致细菌的耐药性，从而使本来已控制良好的传染性疾病更为严重的暴发。近些年，更多的学者将研究方向转向了无机抗菌材料，其具有抗菌谱较广，耐气候性较好，安全系数较高等优点，目前不足之处是制造成本稍高，抗菌效果方面有一定的迟缓性。

三氯生(TCS)属于一种有机的广谱抗菌剂，被广泛应用在各个领域。二氧化钛(TiO2)是一种无机抗菌剂，属于金属氧化物半导体材料，安全无毒，其具有的光催化活性使其对多种微生物具有潜在的抗菌能力，受到了越来越多研究者的关注[6]。本文将2种抗菌剂加入到聚丙烯腈(PAN)溶液中，利用静电纺丝技术制备具有抗菌功能的PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜，对比分析了2种复合纳米纤维膜的结构和抗菌性能。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

材料：聚丙烯腈(PAN，质均分子量为85 000)，上海金山石油化工有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析纯)，天津市科密欧化学试剂有限公司；TiO2(P25)，北京上伟科林科贸有限责任公司；三氯生(TCS，纯度为99%)，百灵威科技有限公司；营养琼脂培养基(NA)、营养肉汤培养基(NB)，杭州微生物试剂有限公司；大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，苏州大学生命科学学院。

仪器：Quanta 250型扫描电子显微镜，捷克FEI公司；Nicolet6700型傅里叶红外光谱分析仪，美国ThermoFisher公司；LDZX-50FBS型试管振荡器，上海一恒科学仪器有限公司；SPX-80B-II型恒温培养箱，上海贺德实验室设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 抗菌纳米纤维膜的制备

首先将PAN粉末溶解在DMF中配制成质量分数为12%的纯PAN溶液，然后分别在纯PAN溶液中加入质量分数为0.5%、1.0%的TCS和TiO2，将 5种溶液放在磁力搅拌器上搅拌24 h至完全溶解，消泡后待用。由于纳米TiO2不能溶解在DMF中，因此，PAN/TiO2为悬浮溶液，而PAN/TCS 为澄清透明的均匀溶液。

利用静电纺丝技术制备纳米纤维膜，静电纺丝装置为自制。实验参数为：纺丝溶液流速1.0 mL/h；正极电压18 kV；接收距离20 cm。最后将制备的纯PAN、PAN/TCS(TCS质量分数为0.5%和1.0%)、PAN/TiO2(TiO2质量分数为0.5%和1.0%)纳米纤维膜分别记为1#、2#、3#、4#、5#样品。

1.2.2 抗菌纳米纤维膜微观形态观察及直径测试

利用碳导电胶将样品贴在样品台上，并作好标记，对样品进行喷金处理后，采用扫描电子显微镜(SEM)对纳米纤维膜表面形貌进行观察分析。然后根据纳米纤维的SEM照片，利用Image J软件随机测量100根纳米纤维的直径，计算PAN抗菌复合纳米纤维的直径平均值和标准差。

1.2.3 抗菌纳米纤维膜的化学结构测试

将纯PAN纳米纤维膜和抗菌复合纳米纤维膜从铝箔表面剥离下来，取一小块样品并剪碎后放入玛瑙研钵中，使纳米纤维膜与溴化钾充分混合均匀，使用压片装置制成透明薄片，放入傅里叶变换红外光谱仪中扫描测试样品的化学结构。

1.2.4 抗菌纳米纤维膜的拉伸力学性能测试

将纯PAN纳米纤维膜和抗菌复合纳米纤维膜从铝箔上剥离下来，利用模板将纤维膜制备成5 mm×20 mm 的长方形试样，然后放置在纤维强力测试仪的上、下夹持器中，夹持距离为20 mm，下夹持器的运动速度为20 mm/min，测试抗菌纳米纤维膜的拉伸力学性能。

1.2.5 纳米纤维膜抗菌性能的测试

参照GB/T 20944.1—2007《纺织品 抗菌性能的评价 第1部分：琼脂平皿扩散法》、GB/T 20944.3—2008 《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》对PAN/TCS、PAN/TiO2纳米纤维膜的抗菌性能进行定性和定量的测试。同时，为证明TCS、TiO2的抗菌能力，排除干扰，将铝箔和纯PAN纳米纤维膜作为空白样进行抗菌定性测试。为保证实验结果中对比数据的科学性，实验所测的所有试样必须在相同的实验条件下，且尽可能减小操作的时间差[7]。

因为TiO2是半导体光催化抗菌材料，所以本文将PAN/TiO2纳米纤维膜在500 lx的光照强度下照射12 h，达到激活其光催化功能的目的(使其在光作用下产生大量的羟基和氧自由基，与微生物发生有机物质氧化反应，从而杀灭细菌)，再做抗菌性能实验。

根据纳米纤维膜的定性抗菌测试结果，按照下式计算抑菌圈宽度

式中：W为抑菌圈平均宽度，mm；D为抑菌圈外圈直径，mm；d为测试样品直径，mm。

纳米纤维膜抗菌性能的定量测试中，将空白培养皿作为对照样进行细菌的培养，振荡培养18 h后，根据三角瓶中对照样与试样的活菌浓度差，按照下式计算样品的抑菌率

式中：R为测试样品的抑菌率，%；Ct为对照样活菌浓度的平均值，CFU/mL；St为试样活菌浓度的平均值，CFU/mL。

2 结果与分析

2.1 PAN抗菌纳米纤维膜的微观形貌分析

纯PAN、PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜的SEM照片如图1所示。可知，1#纯PAN纳米纤维与PAN/TCS 复合纳米纤维(2#、3#)的表面圆润光滑，纤维交叉排列，直径粗细相对均匀，无黏连现象的出现；而PAN/TiO2复合纳米纤维(4#和5#)的表面出现了纳米颗粒团聚现象，且随着TiO2质量分数的增加，纳米纤维表面负载更严重，团聚更明显。这是因为TCS是有机抗菌剂，相似相溶原理使TCS能更好地与PAN溶液混合溶解，通过静电纺丝过程TCS可进入到PAN纳米纤维内部[8]；由于TiO2纳米粒子拥有很高的表面能，且表面原子本位缺失等，表现出优异的表面效应和小尺寸效应，所以具有很高的化学活性，导致部分颗粒在纤维表面相互聚集发生团聚现象[9]。

本文虽然利用物理混合方法配制了PAN/TCS 和PAN/TiO2溶液，并制备了PAN/TCS 和PAN/TiO2复合纳米纤维膜，但通过纤维的SEM照片可知，TCS已进入PAN纳米纤维膜内部；当TiO2的质量分数为1.0%时，虽然部分TiO2附着在纤维表面，但由于纤维的杂乱无取向排列，TiO2纳米颗粒依然分散在纳米纤维膜内部。由此可知，2种抗菌剂TCS和TiO2都不会从纤维膜表面脱落下来，其抗菌性也将会比较稳定、持久。

图1 PAN抗菌复合纳米纤维膜的扫描电镜照片(×10 000)Fig.1 SEM images of PAN antibacterial composite nanofibers(×10 000)

为进一步研究抗菌剂的种类和质量分数对纳米纤维直径的影响，本文测试了纯PAN和抗菌复合纳米纤维的直径，结果如表1所示。

表1 PAN抗菌复合纳米纤维的直径平均值和标准差Tab.1 Average diameter and standard deviation of PAN antibacterial composite nanofibers nm

可知：PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维直径与纯PAN相比都有显著的减小，减小幅度为39% ～71%；且随着抗菌剂质量分数的增加而呈现不同的趋势，PAN/TCS 复合纳米纤维的直径随着TCS质量分数的增加而减小，而PAN/TiO2复合纳米纤维直径随着TiO2质量分数的增加而增大。这主要是因为随着TCS质量分数的增加，溶液的电导率增大，在同等实验条件下，电场作用在泰勒锥表面的电场力会增大，使射流在鞭动过程中，随着牵伸力的增大而加速沉积在收集装置上，从而使纳米纤维的直径变小，且纤维直径也变得更加均匀；而TiO2作为无机纳米颗粒，虽然也可有效地增加PAN/TiO2溶液的导电率，但随着TiO2纳米颗粒含量的增加，纳米纤维表面负载更严重，团聚现象更为突出，致使纺制的纳米纤维直径增大，标准差增加[10]。

2.2 抗菌复合纳米纤维膜的化学结构分析

纯PAN、PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜的红外光谱图如图2所示。

图2 PAN抗菌复合纳米纤维膜的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of PAN antibacterial composite nanofibers

2.3 复合纳米纤维膜的拉伸性能

纳米纤维膜的拉伸性能是其主要力学性能之一，影响纤维膜的应用范围。纯PAN纳米纤维膜和PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜的拉伸曲线如图3所示。

图3 静电纺抗菌复合纳米纤维膜的拉伸曲线Fig.3 Stress-strain curves of electrospun antibacterial composite nanofibrous membranes

由图3可知，纯PAN纳米纤维膜的初始模量较低，断裂强度(为4.92 MPa)较小，抗菌剂TCS和TiO2的加入均有效地增加了抗菌复合纳米纤维膜的断裂强度，但断裂伸长率减小。特别是PAN/TCS 复合纳米纤维膜，添加TCS质量分数为0.5%和1.0%时断裂强度分别为8.48和9.24 MPa，比纯PAN纳米纤维膜增加了72.4%和87.8%，这主要是因为TCS的加入有效地减小了PAN/TCS 复合纳米纤维的直径和直径标准差，纤维直径越小，直径分布越均匀，越多的纤维承受拉伸力的作用，所以PAN/TCS 纳米纤维膜的断裂强度增加。无机抗菌剂TiO2的加入虽然也减小了纳米纤维的直径，但直径分布不均匀，且部分TiO2纳米颗粒聚集在PAN纤维表面(见图1(e))，导致PAN/TiO2纳米纤维膜的断裂伸长率(为41.6%和35.7%)较小，断裂强度比纯PAN纳米纤维膜增加了12.0%和26.1%，增幅较小。

2.4 复合纳米纤维膜的抗菌性能分析

2.4.1 复合纳米纤维膜的抗菌性能定性检测分析

铝箔、纯PAN及PAN复合抗菌纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌定性测试结果如图4所示。

图4 铝箔和PAN抗菌纳米纤维膜对大肠杆菌和 金黄色葡萄球菌的定性检测结果Fig.4 Qualitative test results of aluminum foil and PAN antibacterial nanofibers on Escherichia coli (a) and Staphylococcus aureus(b)

按照实验结果计算出不同复合纳米纤维膜的抑菌圈宽度，结果如表2所示。

由图4可以看出，铝箔和纯PAN纳米纤维膜试样没有抑菌圈形成，且测试样下面有大量细菌繁殖，说明铝箔和纯PAN纳米纤维膜没有抗菌能力，可排除其干扰的可能性。

表2 抗菌复合纳米纤维膜对大肠杆菌 和金黄色葡萄球菌的抑菌圈宽度Tab.2 Width of antibacterial composite nanofibers on Escherichia coli and Staphylococcus aureus mm

由图4及表2可知，PAN/TCS 纳米纤维膜(2#和3#试样)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有明显的抑菌圈，且抑菌圈宽度均大于1 mm，试样下面未发现细菌的繁殖。依据GB/T 20944.1—2007中抗菌效果的评价认为：PAN/TCS 纳米纤维膜具有较好的抗菌效果；且随着TCS质量分数的增加，抑菌圈宽度也在增加，说明TCS质量分数越高，形成的抑菌圈越宽，抑菌效果越好。对比TCS对2种菌种形成的抑菌圈宽度发现，在TCS同等质量分数时，PAN/TCS 复合纳米纤维膜在大肠杆菌上产生的抑菌圈宽度略小于在金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈宽度，说明其对大肠杆菌的抗菌性能要弱于对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

PAN/TiO2复合纳米纤维膜(4#和5#)均未出现明显的抑菌圈，且试样底部无繁殖的细菌，根据GB/T 20944.1—2007 的10.3中抗菌效果的评价：没有繁殖，即使没有抑菌带，也可认为抗菌效果好，因为活性物质的低扩散阻止了抑菌带的形成。可认为PAN/TiO2复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的抗菌能力。造成这种现象的原因可能是：TiO2纳米颗粒均匀分布在纳米纤维膜的内部或表面，与纳米纤维结合得比较紧密，属于非溶出型抗菌剂，不适合用定性的方法进行测试表征。

抗菌定性测试证明了PAN/TCS 复合纳米纤维膜抗菌能力效果好，但并不能直观反映PAN/TiO2复合纳米纤维膜的抗菌性能。这是因为定性实验不能定量测定抗菌活性，测试结果不够准确，所以本文又利用振荡法对样品的抗菌性能做了定量测试分析。

2.4.2 PAN复合纳米纤维膜抗菌性能定量分析

PAN抗菌复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌性定量检测结果如图5、6所示。

图5 PAN复合纳米纤维膜对大肠杆菌 抗菌性能定量检测结果Fig.5 Quantitative test results of PAN antibacterial nanofibers on Escherichia coli. (a) 2#; (b) 3#; (c) 4#; (d) 5#; (e) Controlled sample

图6 PAN复合纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌 抗菌性能定量检测结果Fig.6 Quantitative test results of PAN antibacterial nanofibers on Staphylococcus aureus. (a) 2#; (b) 3#; (c) 4#; (d) 5#; (e) Controlled sample

根据实验测试结果，计算纳米纤维膜对应不同菌种的抑菌率，结果如表3所示。

表3 PAN复合纳米纤维膜对大肠杆菌 和金黄色葡萄球菌的抑菌率Tab.3 Inhibition rate of PAN composite nanofibers on Escherichia coli and Staphylococcus aureus %

由表3可知，PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率都达到91.98%以上，说明PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜具有较好的抗菌效果；且随着抗菌剂TCS、TiO2质量分数的增加，复合纳米纤维膜的抑菌率提高。由图5、6及表3可知，在TCS、TiO2相同质量分数时，PAN/TCS 和PAN/TiO2复合纳米纤维膜对大肠杆菌的抑菌率要微弱于对金黄色葡萄球菌的抑菌率。这是因为金黄色葡萄球菌属于革兰氏阳性菌，大肠杆菌属于革兰氏阴性菌。有研究表明TCS对革兰氏阳性菌较革兰氏阴性菌更有效[13]。因为 2种细菌具有不同的细胞壁结构，革兰氏阳性菌细胞壁含大量的肽聚糖，独含磷壁酸，不含脂多糖；革兰氏阴性菌含极少肽聚糖，独含脂多糖，不含磷壁酸[14]。TCS的抑菌机制是先吸附于细菌细胞壁上，进而穿透细胞壁，与细胞质中的脂质、蛋白质反应，导致蛋白质变性，进而杀死细菌。而TiO2纳米颗粒作为光催化抗菌剂，其本身对微生物和细胞无毒性，其抗菌机制是光激发TiO2与细胞的间接反应，即光生电子或光生空穴与水或水中的溶解氧反应，形成氢氧自由基和过氧化氢自由基等活性氧类，并通过氧化还原反应，产生化学性质活泼的活性羟基、超阳离子等。活性羟基、超阳离子等都可与生物大分子如脂类、蛋白质、酶类等反应，直接损坏或通过一系列氧化链式反应而对细菌等生物细胞结构引起破坏[10]，因此，本文在抗菌实验前先对PAN/TiO2纳米纤维膜进行了紫外光照射，激发其抗菌性能；也可对PAN/TiO2溶液进行紫外光照射，激活TiO2的光催化功能达到其抗菌效果，这与朱孝明等[15]的实验结果相似。金黄色葡萄球菌作为典型的革兰氏阳性菌，其细胞壁结构较简单，更易被TCS和TiO2侵入穿透，导致细胞新陈代谢失衡，使细菌逐渐失去活性。所以TCS和TiO2对金黄色葡萄球菌的抑菌率更高。

横向对比PAN/TCS 与PAN/TiO2复合纳米纤维膜的抑菌率可以看出：2种抗菌剂在同等质量分数时，PAN/TCS 复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率要比PAN/TiO2复合纳米纤维膜的抑菌率更高。这是因为TCS是一种有机广谱抗菌剂，可直接侵入穿透细胞壁，与细胞质中的脂质、蛋白质反应导致蛋白质变性，进而杀死细菌；而TiO2是利用其催化活性间接损坏细胞结构，抑菌率稍低于TCS。

抗菌实验结果说明：TCS、TiO2的加入可使PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜具备优异的抗菌能力；当TCS、TiO2质量分数在0.5%时，其复合纳米纤维膜具有相对光滑的表面、较小的纤维直径和优异的抗菌性能，可用于开发功能性的抗菌纳米纤维纺织品。

3 结 论

本文利用静电纺丝技术纺制了聚丙烯腈/三氯生(PAN/TCS)、PAN/TiO2复合纳米纤维膜，对其微观结构、拉伸性能、抗菌性能等进行分析，得到以下结论。

1)相对于纯PAN纳米纤维膜，PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维的直径减少了39%～71%，断裂强度增加了12%～88%。PAN/TCS 和PAN/TiO2复合纳米纤维膜的红外光谱图表明，TCS、TiO2加入到PAN溶液当中，只是物理混合，并未发生化学反应。

2)定性抗菌测试显示：PAN/TCS 复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑菌圈且大于1 mm，说明其抗菌效果好；因TiO2属于非溶出型抗菌剂，PAN/TiO2复合纳米纤维膜未发现抑菌圈的形成。

3)定量抗菌结果显示：PAN/TCS、PAN/TiO2复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率都达到91.98%以上，且2种抗菌剂对金黄色葡萄球菌的抑菌率要高于大肠杆菌；当2种抗菌剂质量分数相同时，PAN/TCS 复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率要高于PAN/TiO2复合纳米纤维膜。