生物降解材料的制备和抗菌性能研究

王辉 郭旭 樊江平

摘 要：为解决生物降解材料使用过程中容易被腐蚀、使用寿命短等问题，研究以生物降解基Zntrs复合材料为例，通过抗菌剂的添加，与高分子材料聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）熔融共混加工，制备了生物可降解材料，实践证实其能够对大肠杆菌产生良好的抑制，抗菌作用强，拥有广阔的发展前景。

关键词：生物降解材料;制备;抗菌性能;贴膜法;平板培养基法

中图分类号：TQ324.8       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0061-04

Study on the preparation and antibacterial properties of biodegradable materials

WANG Hui，GUO Xu，FAN Jiangping

（Baoding Center for Disease Control and Prevention，Baoding 071000，Hebei China）

Abstract：In order to solve the problems of easy corrosion and short service life of biodegradable materials during use，the study took biodegradable Zntrs composite materials as an example through the addition of antibacterial agents，melt blending with polymer materials PLA and PBS to prepare biodegradable materials.Practice has proved that it can produce good inhibition to E.coli，has strong antibacterial effect，and has broad development prospects.

Key words：biodegradable materials;preparation;antibacterial properties;film method;plate culture method

生物降解聚酯在食品包装、医疗器械及生活用品等多个领域有着广泛应用，其具有较好的生物相容性与降解性，未来将可能替代聚烯烃成为绿色环保材料。研究发现，生物降解聚酯材料容易受到细菌、病毒等微生物的污染，人接触后增加了感染发生率及患病率，影响身心健康，因此其在包装材料、玩具等中的应用受到了一定的限制[1]。随着国家对于环保的重视程度不断提升，“限塑令”以及“雙碳目标”等新政陆续出台，各省市也积极响应国策号召，纷纷出台具体意见和行动方案，加快推广可降解塑料、纸质包装等塑料的可替代产品是我国塑料污染治理的关键措施，亦给生物降解材料领域带来发展机遇。在这一背景下有学者提出开发具有抗菌性能的生物降解材料，通过抑菌组分熔融共混或接枝共聚技术，能够使得高分子材料具备抑菌性能，成为学者关注的热点话题[2]。作为完全生物降解材料，聚乳酸材料在商业化领域有着广泛的应用，主要包括包装、骨组织固定及化肥等，随着近年来人们对健康质量要求的提高，研究具有抗菌性能的聚乳酸（PLA）制品成为一个必不可挡的趋势，同时也为未来食品包装材料发展提供了新的方向。目前越来越多生物降解天然高分子材料得到了开发应用，常见包括PLA、聚丁二酸丁二醇酯（PBS），此次研究以生物降解基Zntrs复合材料为例，将Zntrs配合物作为抗菌剂，熔融共混PLA、PBS等生物降解高分子材料进行加工，制备复合材料，并对其抑菌性能进行研究，将研究结果予以如下汇报。

1 实验材料与方法

1.1 材料与仪器

研究所用Zntrs由天津市雄冠科技发展有限公司提供;PLA购自山东鸿达生物科技有限公司;PBS购自东莞晟东塑胶原料有限公司;聚乙烯（PE）购自西安基美科技有限公司;磷酸氢二钠七水合物购自盼得（上海）国际贸易有限公司;磷酸二氢钾由济南众杰化工有限公司提供;无水乙醇由济南涵百化工有限公司提供;牛肉提取物购自陕西夏州生物科技有限公司;蛋白胨 P 购自北京索莱宝科技有限公司;琼脂购自湖南聚硕生物科技有限公司;氯化钠购自山东绪财生物科技有限公司;大肠埃希氏杆菌由上海抚生实业有限公司提供。

am消毒器由北京迈博润环保技术有限公司提供;无菌酸性苯酚消毒剂购自深圳欣博盛生物科技有限公司;EHG恒温培养箱购自常州蒙特仪器制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 Zntrs配合物合成

研究首先在适量高纯水中加入丁二酸（5.8 g：0.05 mol）、六水硝酸锌（7.4 g：0.025 mL）与1，2，4-三氮唑（3.45 g：0.05 mol），在硝酸锌溶液中加入1，2，4-三氮唑溶液与丁二酸溶液，采用磁力搅拌器进行混合均匀搅拌处理;在混合液中加入1 mol/L NaOH溶液，将pH值控制在4～5，然后再次进行搅拌，充分反应4 h。将旋转蒸发仪温度调整为60 ℃，获得白色粉末粗产品，经过提纯处理，将其保存于真空干燥箱中进行烘干处理，温度以100 ℃为宜;获得的Zntrs配合物，其主要成分为1，2，4-三氮唑、丁二酸，熔点进行实验测定为258～260 ℃。

1.2.2 生物降解基Zntrs材料的制备

将Zntrs配合物置于真空干燥箱中进行烘干处理，并采用研钵进行研磨使其成为细末状，在对PLA、PBS进行烘干处理时，先将其置于真空干燥箱中，温度设置为60 ℃;将PLA加工温度调整为150 ℃;当加工PBS与PE时温度调整为135 ℃。将适量聚合物基体加入双锟混炼机中，确保聚合物熔融后，将不同配比Zntrs配合物加入其中，在常温状态下静置一定时间后，采用平板硫化机进行热压成型，冷却到室温后，将其制为方片试样，规格为4 cm×4 cm[3]。

1.2.3 贴膜法测生物降解基Zntrs材料抑菌性能

严格按照《抗菌塑料的抗菌性能试验方法》进行测定，首先取大肠杆菌，在营养琼脂培养基斜面上进行种植，将温度设置为37 ℃，培养时间为24 h。在进行实验时，将经过24 h培养的新鲜细菌取出，将其制为菌悬液，浓度以1×106cfu/mL为宜;在待测抑菌试片与空白试片上涂抹适量菌悬液，在试片中央贴上PE覆盖膜（规格为30 mm×30 mm），采用灭菌培养皿对试片予以保存。设置培养箱温度为37 ℃，将相对湿度调整为90%以上，进行24 h培养。将培养后的样品取出，加入含有20 mL生理盐水的洗脱液中，对样品、覆盖膜进行反复清洗，震荡处理悬浊液使其充分摇匀，精密称取0.1 mL，在营养琼脂培养基上进行接种，设置温度为37 ℃，进行24 h培养;对活菌计数，生物降解材料抗菌率计算方法为R=c（A-B）/A×100%，其中抑菌率采用R表示，A、B分别表示的是空白对照试样与抗菌塑料试样的回收菌落平均数[4]。

1.2.4 平板培养基法测定生物降解基Zntrs材料抑菌性能

将生物降解基Zntrs材料制作成为试样，形状为圆柱形，直径以0.9 mm为宜，厚度为4 mm，将其在大肠杆菌液培养基中进行均匀涂抹，在平板上进行24 h培养，对试样的抑菌情况进行分析。

2 结果与分析

2.2.1 贴膜法试验结果分析

由试验结果可知，101型号聚乳酸加工温度最低为150 ℃，当熔融温度设置为150 ℃时，Zntrs配合物得到分解但出现明显变质，可闻到刺激性气味，试验以失败告终。当PBS熔融温度控制在105～140 ℃，PE为140 ℃时，可以发现Zntrs配合物未发生分解变质，获得试验成功，并成功制备了Zntrs/PBS与Zntrs/PE材料。

如表1所示，其展示的是Zntrs生物降解材料抑制大肠杆菌的性能，可以发现生物降解材料抑菌效果会随着Zntrs质量分数增加呈现出增强趋势，当质量分数达到10.0%，其抗菌率为92.82%，提示其抑菌作用强。

2.2.2 平板法试验结果分析

不同Zntrs添量Zntrs/PBS生物降解材料中培养24 h大肠杆菌的结果如图1所示。从图1（a）可以发现，大肠杆菌的生长需要对PBS试样进行依附;从图2（b）中可见。大肠杆菌未对生物降解材料试样进行依附，抑菌作用不强;从图1（c）中可以发现，试样周围存在抑菌圈，但作用相对微弱，直径在1 mm以下;图1（d）显示Zntrs质量分数为5%时，可见周围有明显抑菌圈，平均直径为4 mm;从图1（e）可以发现，试样周围有较大的抑菌圈，直径在5 mm左右;从图1（f）中可以发现，Zntrs质量分数为10%时，試样均表现出明显的抑菌作用。不难发现，两种试验方法获得的结果具有较高的一致性，均提示随着抑菌剂含量的增加，生物降解材料在抑制大肠杆菌方面作用越强，抑菌性能越强。

2.2.3 对比试验结果分析

将生物降解聚酯材料与Zntrs进行共混，可以发现生物降解聚酯材料被赋予了抑菌性能，此次研究选择塑料聚乙烯作为非生物降解材料，对比了其与Zntrs抑菌剂制备复合材料在抑菌方面的作用。如图2所示其呈现的是添加不同Zntrs量所获得的Zntrs复合材料的抑菌作用结果。从图2（a）中可以发现，经过24 h培养，纯PE试样自薄膜转移后，可见培养基上的大肠杆菌呈现稠密的菌斑。该研究结果提示，大肠杆菌接触PE后大部分菌种均成活，培养过程中各菌落形成了激烈的竞争关系，细菌生长受到一定程度的限制;且影响了养分的吸收，难以形成大的菌落[5]。

由图3（b）～（f）可以发现，复合材料上转移的菌液所能够培养的菌落会随着抗菌剂的增加而出现降低趋势;说明活菌在菌液中的数量分布有一定程度的减少，强化了复合材料的抑菌效果[6～7]。表2所示为Zntrs/PE复合材料在抑制大肠杆菌方面的效果，可以发现抑菌效果在抑菌剂质量分数达到5%后有明显的表现;当添加抑菌剂质量分数为7%时，测量其抑菌直径在4 mm，抗菌效果达到93.64%;当抑菌剂质量分数增加至10%时，对细菌的抑制能力达到95.69%，提示其具有极强的抗细菌效果。

采用平板培养基法对Zntrs/PE复合材料抑菌情况进行测定，从图3可以发现其与贴膜法存在较高的一致性。当Zntrs抗菌剂含量增多时，复合材料的抑菌性能提升，表现为抑菌率的提升，当Zntrs抗菌剂质量分数达到10%后，其抑菌圈覆盖4 mm直径范围，体现出较高的抑菌强度。

研究对生物降解聚酯与常规的塑料聚乙烯抗菌能力进行对比分析，可以发现这两类塑料中加入Zntrs抗菌剂均具有极强的可行性，其能够使得塑料具备抗菌作用。当Zntrs抗菌剂含量增多后，塑料的抑菌效果也会发生一定的变化，抑菌效果不断增强。PBS塑料在Zntrs抗菌剂质量分数为1%～5%时，其对大肠杆菌生长及繁殖的抑制作用优于PE;若继续增加Zntrs抗菌剂含量，增加至质量分数为7%～10%时，可以发现常规塑料PE抗菌率得到了进一步提升，分别为93.82%、95.67%，显现了极强的抑菌效果[8]。但添加质量分数为9%的Zntrs抑菌剂于PBS后，可以发现复合材料抑菌率仅为92.89%;这与常规塑料相比，其抑菌效果相对较差，抑菌率低。

3 结语

研究所用抑菌剂为自制Zntrs，按照流程制备了Zntrs/PLA、Zntrs/PBS抗菌复合材料，对各复合材料的抗菌效果进行分析;对常规塑料PE在添加Zntrs复合材料的情况下抑菌性能作出了分析，得出了如下结论：

（1）对PLA、Zntrs配合物进行熔融处理时，填充过程中可以发现颜色变黄，产生刺激性气味，经过复合材料制备对其抑菌性能进行分析可以发现抑菌率均为0，提示未能产生抑菌作用。这是因为抑菌剂经过高温作用加工后会出现分解现象，导致失效;

（2）大肠杆菌会受到Zntrs复合材料的影响，对其生长繁殖产生一定的作用，可以发现复合材料抑菌效果会随着Zntrs抑菌剂含量的升高呈现出增强趋势。复合材料抑菌性能在Zntrs抑菌剂质量分数为10%时，能够达到更强的抗菌效果;

（3）研究比较了常规塑料PE与Zntrs抑菌剂填充后的性能，可以发现常规塑料在加入Zntrs抑菌剂后能够发挥抗菌效果，在较少Zntrs含量状态下，生物降解聚酯塑料抑菌效果更好;当Zntrs抑菌剂质量分数达7%～10%后，常规塑料抑菌效果更好。

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