异氰酸酯抗菌改性纤维素无纺布的制备及其性能

郑云波

(海西纺织新材料工业技术晋江研究院，福建 晋江 362200)

前言

人类健康易受微生物污染和细菌性疾病的威胁，因而市场对医疗卫生品的抗菌性能提出了更高要求。再生纤维素水刺无纺布是一种纤维素基材料，因其柔软、舒适、亲肤、透气、保水、毛羽少、对尘埃过滤性高等优点而备受青睐[1]。研究表明：再生纤维素水刺无纺布可使空气中悬浮的尘埃数量减少近一半，细菌穿透力大大下降，使得伤口感染率和败血症发生率也随之减小，所以医疗卫生是目前再生纤维素水刺无纺布重要的应用领域之一[2]。

纤维素作为再生纤维素水刺无纺布聚合物组成单元，其结构是由脱水葡萄糖首尾相连而成的多糖聚合物，极易遭受细菌微生物的侵蚀降解，从而导致产品性能降低、使用寿命缩短。因此，对再生纤维素水刺无纺布进行抗菌改性，一方面可以满足抗降解的性能需求，另一方面也是满足医疗卫生领域的内在需求[3-5]。近年来，研究人员通过物理或化学改性开发出一系列抗菌纤维素衍生物[6-8]，或向其中加入高效抗菌因子制备纤维素复合材料，以实现纤维素基无纺布材料抗菌性能的提高[9]。俞娟、徐俊华等研究发现，含有氨基基团的化合物通常表现出良好的抗菌活性[10]，如壳聚糖具有天然抗菌性，其抗菌性能的关键是分子表面带有丰富的氨基。

异氰酸酯可与纤维素中的羟基发生高效的化学反应，实现纤维素的定向改性，并赋予纤维素分子氨基基团。高振华、顾继友等研究异氰酸酯与纤维素的反应动力学，发现异氰酸酯与水和异氰酸酯与纤维素活性点的反应是一对竞争反应，异氰酸酯与绝干纤维素的反应机理是相界面反应机理，即异氰酸酯主要分布于纤维素颗粒表面而难以进入结晶结构内部[11]。

受此启发，文章选择异氰酸酯作为改性试剂，通过接枝改性的方法，在温和条件下完成对再生纤维素水刺无纺布的抗菌改性。通过调控反应时间，制得系列改性抗菌再生纤维素水刺无纺布样品，并讨论反应时间与再生纤维素水刺无纺布接枝率的关系。采用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分别评价该样品的形态和结构，通过机械性能评估该化学反应对再生纤维素水刺无纺布拉伸强度的影响，利用抗菌测试方法测定该样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能。

1 实验部分

1.1 实验试剂

再生纤维素水刺无纺布，克重为80g/cm2；间甲苯异氰酸酯，试剂级，购自广东翁江化学试剂有限公司；乙酸乙酯和无水乙醇，分析纯，购自天津市北辰方正试剂厂；氯化钠，分析纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；牛肉膏和蛋白胨购自北京奥博星生物技术有限责任公司；所用蒸馏水为实验室自制。

1.2 实验原理

间甲苯异氰酸酯与再生纤维素水刺无纺布上的活性点可形成强有力的化学键结合，故在间甲苯异氰酸酯改性再生纤维素水刺无纺布时，能以较低水平的反应当量赋予再生纤维素水刺无纺布良好的抗菌活性。间甲苯异氰酸酯与再生纤维素水刺无纺布反应的本质是间甲苯异氰酸酯与纤维素醇羟基反应生成氨基甲酸酯，其过程如图1 所示。需要说明的是，纤维素固体上的羟基运动受到束缚，其反应活性要比一般化合物的羟基小得多，反应程度要比一般的反应低得多，延长反应时间可以使反应程度增加。

1.3 再生纤维素水刺无纺布的抗菌改性

（1）将再生纤维素水刺无纺布用乙醇充分洗涤后烘干至恒重，然后裁剪、称量并均分成6 等份；

（2）依次称取2.0 g 间甲苯异氰酸酯和18.0 g 乙酸乙酯，配置成10 wt%的间甲苯异氰酸酯溶液；取6 份再生纤维素水刺无纺布，其中1 份作为对照组，其余5 份浸渍于10 wt%的间甲苯异氰酸酯溶液中，随后置于气浴振荡器中，55℃下分别改性2 h，3 h，4 h，5 h 和6 h；

（3）反应结束后，关闭气浴振荡器，将抗菌改性后的再生纤维素水刺无纺布取出，先用乙酸乙酯溶剂洗去未反应的试剂，再用无水乙醇清洗残留有机物，最后用蒸馏水反复清洗，最后将洗净的抗菌再生纤维素水刺无纺布置于玻璃皿中铺平，置于50 ℃烘箱内烘干至质量不变，称重。

1.4 结构表征与性能测试

采用日本株式会社生产的JSM-6700F 型扫描电子显微镜（SEM）对抗菌改性前后再生纤维素水刺无纺布的形貌结构进行观察，测试工作电压为10 kV，选择300 倍的倍率对无纺布进行观察拍照。

采用Nicollet NEXUS-670 型傅里叶变换红外光谱仪通过全反射测试法（ATR-FTIR）对不同样品的化学结构进行分析，以检测样品官能团的变化。具体测试条件为：以4cm-1的分辨率在4000-500cm-1范围内扫描32 次。

采用万能力学试验机检测再生纤维素水刺无纺布改性前后的机械性能，测试条件：拉伸速率10.0 mm/min，夹距10 mm，每个样品测试5 次取平均值，记录拉伸强度和断裂伸长率。

通过测定改性前后再生纤维素水刺无纺布样品对大肠杆菌（E.coil）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌情况来评价其抗菌活性。具体为：将培养好的高活性目标菌种依次通过培养液和PBS 缓冲液稀释，得到浓度为106～107 CFU/mL的菌液。将样品经灭菌处理后加入菌液，震荡培养18 h。然后，对每一组样品的细菌液进行梯度稀释，分别取每一个梯度的稀释菌液100 μL 涂覆在经灭菌处理的固体（琼脂）培养基上并置于37 ℃的恒温培养箱中培养24～48 h，根据菌落数判断相对抑菌情况。

2 结果与讨论

2.1 质量变化分析

利用电子天平对抗菌改性前后再生纤维素水刺无纺布进行称重，得到质量变化，然后计算接枝率。从表1 不同反应时间抗菌再生纤维素水刺无纺布的质量变化情况表可知，抗菌改性后的再生纤维素水刺无纺布质量都增加，且随着反应时间由2h 增加至6h，抗菌再生纤维素水刺无纺布的接枝率由0.22%增加至0.75%，这证明了再生纤维素水刺无纺布与间甲苯异氰酸酯反生了反应，即成功将具有抗菌性质的氨基键合到再生纤维素水刺无纺布的分子链上，完成了对再生纤维素水刺无纺布的抗菌改性。但由于再生纤维素水刺无纺布与间甲苯异氰酸酯的化学反应为非均相反应，再生纤维素水刺无纺布分子链-OH反应活性不高，抗菌再生纤维素水刺无纺布的接枝率都较低，且当反应时间由4h 增加至6h 时，抗菌再生纤维素水刺无纺布的接枝率增加的幅度逐渐减弱。

表1 不同反应时间抗菌再生纤维素水刺无纺布的质量变化情况表

2.2 化学结构分析

图2 为纯再生纤维素水刺无纺布和反应时间为2h 和5h 抗菌再生纤维素水刺无纺布红外光谱图。其中纯再生纤维素水刺无纺布典型的特征峰分别为：3400cm-1为-OH 的伸缩振动峰，2910cm-1为C-H 的伸缩振动峰，1650cm-1为吸收水振动峰，1432cm-1为C-H 在平面的弯曲振动峰，1056cm-1为C-O-C 吡喃糖环骨架振动峰[13]。与纯再生纤维素水刺无纺布的特征峰相比，抗菌再生纤维素水刺无纺布出现了一些新的特征峰，即1630 cm-1为C=O的振动峰，1550 cm-1为N-H 的振动峰，1610cm-1、1590cm-1、750cm-1为苯环的特征峰，这说明间甲苯异氰酸酯已经接枝到再生纤维素水刺无纺布分子的骨架上了。此外，从图2 可知，抗菌再生纤维素水刺无纺布C=O 振动峰的强度随着接枝率的提高逐渐增加[14]。

图2 纯再生纤维素水刺无纺布和抗菌再生纤维素水刺无纺布红外光谱图

2.3 电镜形貌分析

将纯再生纤维素水刺无纺布和抗菌再生纤维素水刺无纺布分别置于扫描电子显微镜下进行观察，得到放大300倍的电镜图，结果如图3 所示。纯再生纤维素水刺无纺布具有典型的非织造结构：纯再生纤维素水刺无纺布呈单纤维分布状态，纤维杂乱、随机排列，形成无序排列结构。从图3 可看出，观察抗菌改性前后再生纤维素水刺无纺布的轮廓结构可得：改性过程不改变再生纤维素水刺无纺布的形貌结构，也不影响纤维的形貌结构。进一步地，从图4 可以看出，经间甲苯异氰酸酯改性后，再生纤维素水刺无纺布表面粗糙度有一定的增强，并出现少量的填充物质，这可能由于通过化学反应间甲苯异氰酸酯与再生纤维素水刺无纺布结合沉积在再生纤维素水刺无纺布表面。通过形貌表面分析，利用间甲苯异氰酸酯抗菌改性再生纤维素水刺无纺布不会对非织造布原始形貌结构产生破坏，不会改变后者固有的非织造结构。

图3 纯再生纤维素水刺无纺布和抗菌再生纤维素水刺无纺布电镜图

图4 反应6h 的抗菌再生纤维素水刺无纺布纤维电镜图

2.4 机械性能分析

表2 给出了纯再生纤维素水刺无纺布和抗菌再生纤维素水刺无纺布机械性能情况。从表2 中可以看出，纯再生纤维素水刺无纺布的力学强度为3.98MPa，并具有较高的断裂伸长率（100%）。与之相比，间甲苯异氰酸酯抗菌改性处理后的无纺布样品的力学强度和断裂伸长率表现出的微弱且相反的变化趋势，即拉伸强度呈现出减小的变化特征，而断裂伸长率则有所增加，这表明抗菌改性后的再生纤维素水刺无纺布的柔韧性更好。这可能是由于间甲苯异氰酸酯的引入使得再生纤维素水刺无纺布分子结晶区的规整性受到破坏，导致拉伸强度降低；但是非晶区比例的增加，则很大程度上提升了取向拉伸的潜能，从而促进断裂伸长率提高。但整体来看，改性过程对再生纤维素水刺无纺布的机械性能影响不大。

表2 纯再生纤维素水刺无纺布和抗菌再生纤维素水刺无纺布机械性能情况表

2.5 抗菌性能分析

如前文所述，微生物降解是导致纤维素基无纺布应用受限的主要原因，因此抗菌性能优劣的评价是间甲苯异氰酸酯抗菌改性再生纤维素水刺无纺布的研究重点。抗菌测试通过观察样品震荡接触细菌液中菌落残留数的多少来判断改性后抗菌再生纤维素水刺无纺布的抗菌能力。论文选取改性6h 的样品作为实验组，选取未改性的再生纤维素水刺无纺布作为对照组进行判别，测试结果如图5 所示。

图5 改性前后再生纤维素水刺无纺布样品所接触细菌稀释液菌落图

对比图5 中的照片可知，抗菌改性前后的再生纤维素水刺无纺布的抗菌性能呈现出明显的差异，与抗菌改性后再生纤维素水刺无纺布相接触的细菌液经培养基再培养后，大肠杆菌（E.coil）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）菌落数明显减少。抗菌性能测试结果表明，在再生纤维素水刺无纺布表面接枝间甲苯异氰酸酯，可以赋予再生纤维素水刺无纺布良好的抗菌性能，其在与细菌液接触过程中能够有效杀死细菌，使得涂覆在培养基上的细菌液中的细菌数量减少，从而在固体培养基上表现出较少的菌落数。

3 结论

本研究选择间甲苯异氰酸酯作为改性试剂，通过接枝改性方法，将具有抗菌性质的氨基键合到再生纤维素水刺无纺布分子链上，赋予了再生纤维素水刺无纺布较好的抗菌性能。FTIR 测试结果表明，再生纤维素水刺无纺布出现C=O 和-NH 新特征峰，说明反应完成了对再生纤维素水刺无纺布的抗菌改性。SEM 观察结果发现，改性过程对再生纤维素水刺无纺布不会造成原始形貌结构产生的破坏，间甲苯异氰酸酯通过化学结合的方式沉积在再生纤维素水刺无纺布表面。机械性能测试说明，抗菌改性对再生纤维素水刺无纺布的机械性能影响不大。抗菌测试结果分析，改性后再生纤维素水刺无纺布对大肠杆菌（E.coil）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）具有较好的抗菌性。