木浆纤维素/聚丙烯腈/硝酸银抗菌纤维的制备及性能

宋 俊，邵程浩，李君炜，石宇飞

（天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387）

随着生活节奏的不断加快，人们不得不使用更短的时间来治疗伤口，传统的纱布类敷料制备方法简单，价格便宜，在皮肤创伤中有着广泛的应用，但其无法保持伤口湿润，并且容易发生细菌交叉感染[1-2]，因而需要对医用敷料作进一步的探索研究。静电纺丝技术是一种生产纳米纤维的简易方法[3]，通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜不仅具有较高的孔隙率，而且具有大的比表面积和良好的物化性能[4-5]，在医用敷料制备领域具有广阔的应用前景[6]。有研究发现，银离子是一种抑菌杀菌活性极强的金属离子，对真菌、细菌和病毒有着广谱杀菌作用，且不会对人体的健康造成损害，将其引入纳米纤维中可以显著提高该纤维的抗菌性能[7-10]。

相比于单一材料的静电纺纳米纤维，复合纤维能够同时满足多种需求，可以为伤口提供更好的愈合环境[11]。基于此，本文以N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）/氯化锂（LiCl）为溶剂，溶解生物相容性良好的木浆纤维素和物理化学性质稳定的聚丙烯腈（PAN），后加入抗菌组分硝酸银（AgNO3），通过静电纺丝技术制备出复合抗菌纤维。然后对抗菌纤维的微观形貌、元素组成、结晶性、化学结构、热性能及抗菌性能进行探究，以期为制备功能性纳米复合纤维提供借鉴。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

原料与试剂：木浆纤维素，聚合度为750，山东海龙股份有限公司产品；PAN，Mn=150 000，上海麦克林生化科技有限公司产品；AgNO3，分析纯，天津市赢达稀贵化学试剂厂产品；牛肉膏、蛋白胨、琼脂粉，均为生化试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司产品；DMAc、无水LiCl、NaCl、NaOH、Na2HPO4·12H2O、KH2PO4，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；大肠杆菌（ATCC 8739）、金黄色葡萄球菌（ATCC 6538），天津医科大学提供；去离子水，天津工业大学自制。

仪器：DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华英峪仪器厂产品；PerkinElmer 型紫外分光光度计，日本Olympus 公司产品；HNY-200B 型恒温培养振荡器，天津市欧诺仪器仪表有限公司产品；LDZX-75KBS 型立式压力蒸汽灭菌器，上海茸研仪器有限公司产品；SW-CJ-2FD 型双人超净工作台，上海康路仪器设备有限公司产品；TENSOR37 型傅里叶红外光谱仪（FTIR），德国Bruker 公司产品；D/MAX-2500 型X射线衍射仪（XRD），日本Rigaku 公司产品；SU3500 型扫描电子显微镜（SEM），日本Hitachi 公司产品；TGA Q5000 型热重分析仪（TG），美国TA instruments 公司产品；静电纺丝机，天津工业大学自制。

1.2 木浆纤维素/聚丙烯腈抗菌纳米纤维的制备

首先采用LiCl 质量分数为8%的LiCl/DMAc 溶剂体系来溶解木浆纤维素。先称取一定量的木浆纤维素和DMAc 于三口烧瓶中，在130 ℃油浴条件下通氮气搅拌活化2 h。活化完成后停止加热使溶液温度降至100 ℃，再加入定量的无水LiCl，继续搅拌使纤维素溶解至显现出凝胶状，停止加热，持续搅拌12 h 得到质量分数为2.4%的纤维素溶液。再以DMAc 为溶剂在60 ℃条件下溶解3 h 制备质量分数为13%的聚丙烯腈溶液。将木浆纤维素溶液和聚丙烯腈溶液按照1 ∶9的溶质质量比混合均匀，然后称取一定质量（分别占溶质总质量的1%、2%、3%、4%）的硝酸银经磁力搅拌将其分散于共混纺丝液中，最终用自制静电纺丝设备进行静电纺丝，并按照AgNO3比例分别将所得纤维素/PAN/ AgNO3纤维样品命名为1#、2#、3#、4#。纺丝参数为纺丝电压18 kV、接收距离15 cm、纺丝速率1 mL/h。为了便于对比，同等条件下制备不添加AgNO3的纤维素/PAN 纤维样品，命名为0#。制备流程图如图1 所示。

图1 木浆纤维素/聚丙烯腈抗菌纤维制备流程示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation process of wood pulp cellulose/polyacrylonitrile antibacterial fibers

1.3 测试与表征

1.3.1 SEM 测试

采用SU3500 型场发射扫描电子显微镜观察纤维的表面形貌。样品经真空喷金处理，在10 kV 电压下对纤维形貌进行观察，放大倍数为5 000 倍。

1.3.2 表面元素测试

采用SU3500 型场发射扫描电子显微镜配套EDX能谱仪对抗菌纤维的表面元素信息进行检测。检测时，首先将样品贴在涂有导电胶的样品台上进行喷金处理，然后选取合适的放大倍率，对纤维表面元素进行分析。

1.3.3 XRD 测试

采用D/MAX-2500 型X 射线衍射仪分析纤维素/PAN/AgNO3的结晶情况，Cu Kα 射线，加速电压和电流分别为40 kV 和150 mA，扫描速率为5°/min，扫描范围为2θ=5°～45°。

1.3.4 FT-IR 测试

采用TENSOR37 型傅里叶变换红外光谱仪对纤维素/PAN/AgNO3纤维进行表征。扫描范围为4 000 ～500 cm-1，分辨率优于0.09 cm-1。

1.3.5 热性能测试

采用TGA Q5000 型热重分析仪在N2气氛下对纤维素/PAN/AgNO3纤维的热稳定性进行测试分析。温度范围为室温～800 ℃，扫描速率为10°C/min。

1.3.6 抗菌性能测试

通过菌落计数法测试纤维素/PAN/AgNO3纤维的抗菌性能。首先以牛肉膏5 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、蒸馏水1 L 的比例配制细菌培养液，灭菌处理后接种细菌进行培养，第1 代和第2 代细菌分别在37 ℃的恒温培养振荡器中培养24 h 和12 h。之后用细菌培养液和PBS 缓冲液对培养好的菌液进行稀释处理，准确称取0.1 g 样品置于超净台上经紫外灭菌后将其和目标菌液共同放置到50 mL 锥形瓶中，在恒温培养振荡器中振荡处理18～24 h。最后使用高压灭菌处理的蒸馏水对接种样品的菌液再进行一次稀释处理，加入到固体培养基中涂布均匀，放入37 ℃恒温培养箱中培养24 ～48 h，最后统计菌落数量，对每个样品取3 次平行实验的平均值。可通过式（1）计算抑菌率R：

式中：NB和NA分别为对照组和样品组上的菌落数量。

2 结果与讨论

2.1 电纺纤维的表面形貌

图2 所示为不同纤维素/PAN/AgNO3纳米纤维的微观SEM 图，图3 为其直径分布图。

图2 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维的SEM 图Fig.2 SEM images of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

图3 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维的直径分布图Fig.3 Diameter distribution images of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

由图2 和图3 可知，当AgNO3的质量分数（即AgNO3质量占纺丝液中溶质总质量的百分比，下同）为1%时，纤维直径分布较为分散，粗细不均匀，可以看到在纤维表面分布着少量的白色颗粒。当AgNO3的质量分数为2%时，白色颗粒能够在纤维表面均匀附着，纤维直径集中分布在200 ～600 nm，整体形貌良好。当AgNO3的质量分数超过2%时，纤维直径分散在0 ～800 nm 范围内，纤维表面出现了较多的白色颗粒，颗粒粒径有所增大，并且出现部分团聚现象。由此说明，硝酸银的质量分数为2%最为合适。

2.2 表面元素分析

为了确认抗菌纤维的物质组成，对2# 纤维素/PAN/AgNO3纤维样品进行EDX 扫描，结果如图4 所示。由图4 可以看出，复合纤维中含有C、N、O、Cl 和Ag 元素，在3.0 keV 附近出现了银元素的特征峰，证实了硝酸银在纳米纤维中的成功引入。

图4 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维EDX 图Fig.4 EDX diagrams of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

2.3 结晶性能分析

图5为硝酸银改性前后纤维素/PAN 复合纤维的XRD 谱图。

图5 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维XRD 谱图Fig.5 XRD patterns of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

由图5 可以看出：未采用AgNO3改性的纤维在2θ=22.0°处有明显的突出峰，属于Ⅱ型纤维素的特征衍射峰[12-13]，在16.8°和27.2°处有2 个明显的PAN 衍射峰[14]。经过AgNO3改性后纤维特征峰的形状和位置基本没有发生变化，只有少数几个位置多出了较微弱的峰。2#纤维的谱图在27.2°和32.6°附近出现了特征峰，在0°～45°范围内，2θ = 27.8°（111）、32.2°（200）是属于AgCl 晶体的XRD 特征衍射峰[15-16]，由此证明了AgCl 在纤维中的存在。同时在38.1°和44.5°处也观察到了微弱的峰，这是属于Ag 单质的XRD 特征衍射峰，分别对应Ag 的（111）、（200）晶面[17]，这应该是由于生成的AgCl 性质不稳定，在可见光照的作用下让少部分的Ag+还原成为了Ag 单质。

2.4 红外光谱分析

采用FT-IR 对硝酸银改性前后纤维素/PAN 复合纤维的表面化学结构进行表征，结果如图6 所示。

图6 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维FT-IR 谱图Fig.6 FT-IR spectrums of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

由图6 可以看出，改性前纤维素/PAN 复合纤维的红外谱图中2 240、1 730 cm-1处的吸收峰分别对应于氰基和羰基的伸缩振动峰，属于聚丙烯腈组分的特征衍射峰。而属于纤维素组分的特征峰为：3 340 cm-1处为羟基的特征吸收峰，2 890 cm-1处为—C—H 的特征吸收峰，1 350 cm-1处为—C—H 的弯曲振动吸收峰，1 020 cm-1处为C—O—C 的特征吸收峰[18]。AgNO3改性纤维与未改性纤维的红外谱图相似，唯一不同的一点在于经过改性后羟基的位置轻微地向较低波数移动，这是由于纤维素和AgCl 颗粒表面都含有羟基，它们之间存在一定的相互作用[19]。

2.5 热性能

图7 所示为纤维素/PAN/AgNO3纤维的TG 谱图。

图7 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维的TG 谱图Fig.7 TG spectrums of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

由图7 可以看出，不同AgNO3含量的复合纤维具有相似的热降解过程，都在260～400 ℃之间发生了明显的失重。随着AgNO3含量的增多，纤维的初始热分解温度有了一定的减小，即其热稳定性有所降低。这可能是由于AgCl 表面羟基与纤维素羟基之间存在一定的相互作用力，从而削弱了纤维素羟基之间的相互作用[20]。随着AgNO3含量增加，其质量损失率下降得更加缓慢，最终残留量也逐渐增多。

2.6 抗菌性能

图8 所示为所制备抗菌纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果图，图9 为抗菌纤维的抑菌率柱状图。

图8 接种纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落生长分布图Fig.8 Colony growth distribution of E.coli and S.aureus after inoculation with cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

图9 纤维素/PAN/AgNO3 复合纤维的抑菌率Fig.9 Bacteriostatic rate of cellulose/PAN/AgNO3 composite fibers

由图8 可以观察到，纤维素/PAN/AgNO3纳米纤维对应的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数都远远低于对照组，表现出了优异的抗菌性能，固体培养基上极少甚至没有细菌的存在。由图9 可以看出，1#—4#样品的抑菌率均接近100%，对大肠杆菌的抑菌率为98.8%～99.9%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为99.5%～99.9%。目前关于银离子的抗菌机理尚未得到证实，可能的抗菌机理有2 种[21]：①AgCl 溶出的Ag+破坏了细胞合成酶的活性从而达到抗菌的效果；②AgCl 溶出的Ag+在可见光作用下生成了活性氧，细菌在强烈的氧化还原作用下被杀死。

3 结 论

将木浆纤维素和PAN 在DMAc/LiCl 溶剂体系中溶解，并以AgNO3作为抗菌组分，利用静电纺丝技术制备出纤维素/PAN/AgNO3抗菌纤维，对纤维的性能进行分析，结果表明：

（1）纤维素/PAN/AgNO3（DMAc/LiCl）纺丝溶液在AgNO3质量分数为2%时，经过静电纺丝过程可以得到形貌较为理想的抗菌纤维。

（2）改性后纤维中的抗菌组分主要是AgCl，且AgCl 与木浆纤维素之间存在一定的氢键作用。

（3）AgNO3改性复合纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抑制作用，抑菌率最大均达到了99.9%，为功能复合纳米纤维材料的开发研究提供了一种新的思路。