日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究_石泰.pdf

第 31 卷第 1 期 2023 年 3 月 纤 维 素 科 学 与 技 术 Journal of Cellulose Science and Technology Vol.31 No.1 Mar.2023 文章编号：1004-8405(2023)01-0042-08 DOI:10.16561/ki.xws.2023.01.04 日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究 石 泰1，卢麒麟2,3，李永贵1,2,3*，刘正江1，施宋伟4，李天源5（1.内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080；2.福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室，福建 福州 350108；3.闽江学院 服装与艺术工程学院；福建 福州 350108；4.福建长源纺织有限公司，福建 福州 350004；5.福建华峰新材料有限公司，福建 莆田 351100）摘 要：为赋予纳米纤维素抗菌功能，选用 3,3,4,4-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）作为光敏剂制备光驱动抗菌纳米纤维素，通过 BTDA 中羧基与纳米纤维素的羟基反应生成酯键，以此制备出具有日光驱动抗菌性能的抗菌纳米纤维素。考察了 BTDA 添加量、反应温度、反应时间对产物抗菌性能的影响，确定抗菌纳米纤维素的较佳制备工艺为：纳米纤维素（固含量 1.26%）10 g、BTDA 添加量 0.3 g、反应温度140、反应时间240 min。由此制备的抗菌纳米纤维素长度在200300 nm，直径在2550 nm，结晶度为 84.6%，在日光照射条件下对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率在 90%以上。纳米纤维素本身物理性能、化学性能较为优异，生物相容性好，本研究拓宽了光驱动抗菌材料的应用。关键词：抗菌纳米纤维素；BTDA；日光驱动；抗菌；光敏活性 中图分类号：TS195.2 文献标识码：A 随着科技与社会的发展，人们日益重视健康安全，受新冠疫情的影响，抗菌纤维备受关注。而抗菌纤维材料的制备离不开抗菌剂，抗菌剂品种繁多，其中一些不乏存在局限性，如稳定性差、有效期短、广谱抗菌性差易产生耐药性等1-3。以 ZnO、TiO2为代表的光驱动型抗菌剂通过光照能量产生的超氧阴离子自由基与高活性的羟基能够高效地杀死细菌、真菌等4-7。但这种光驱动型抗菌剂必须在可见光或紫外光的作用下才能起到作用，必须经专门的紫外线照射系统8-9。纤维素是一种可降解、可再生的资源，由其制得的纳米纤维素作为新兴的纳米材料具有较好的应用前景10。其不仅具有高强度、高比面积、低密度等物理性能，还具有良好的生物相容性、可生物降解的特性，将其应用于纤维材料中可以在一定程度上增强力学性能11-12。而且其表面存在大量的羟基，可以引入具有特殊功能的官能团，赋予其一定的功能性13-16。目前有研究将 3,3,4,4-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）作为光敏剂用于抗菌 PVA 膜材料的制备，通过羟基与 BTDA 接枝反应，获得了较优的日光驱动抗菌性能17。纤维素表面具有较多的羟基，为其与 BTDA 收稿日期：2023-02-21 基金项目：福建省科技创新重点项目（2021G02011）；福建省对外合作项目（2022I0045）；福建省自然科学基金（2021J011034）；南平市“揭榜挂帅”科技重大项目（N2021A004）。作者简介：石 泰（1995），男，硕士；研究方向：功能纤维。*通讯作者：李永贵（1972），男，教授；研究方向：功能纺织纤维材料。 第 1 期 石 泰等：日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究 43 反应提供了基础，为赋予纳米纤维素抗菌性能。本研究以纳米纤维素为原料，将 BTDA 与之结合，制得具有日光驱动抗菌性的纳米纤维素，通过单因素实验讨论较佳制备工艺，并对较佳工艺条件下制备的抗菌纳米纤维素进行表征，来探究该抗菌纳米纤维素的性能。研究制备出具有日光驱动抗菌性能的纳米纤维素具有较高的实用价值，可应用于多个领域，具有较好的应用前景。1 实验 1.1 抗菌纳米纤维素的制备 1.1.1 原料与试剂 纳米纤维素（TSOH-CNC，固含量：1.26%）；3,3,4,4-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA，分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；聚磷酸（PPA，含量（P2O5）%85%）、二氧六环（99.7%）、丙酮（分析纯），阿达玛斯贝塔（上海）化学试剂有限公司。1.1.2 仪器与设备 DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器，上海予捷仪器有限公司；XHF-DY 高速分散仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；SIGMA 3-15 台式高速离心机，曦玛离心机（扬州）有限公司。1.1.3 实验方法 将 BDTA、PPA、纳米纤维素、二氧六环加入圆底烧瓶中，置于油浴锅中反应一段时间。反应结束后用丙酮洗涤三次，用离心机离心，倒去上层清液，最后加入 20 mL 去离子水分散，获得抗菌纳米纤维素悬浊液。其中 PPA 与二氧六环作为催化剂与溶剂不做因素分析，纳米纤维素作为基质添加量不变，对 BTDA添加量、反应温度、反应时间进行单因素实验，详细参数设计如表 1 所示。表 1 实验参数 序号 BTDA 添加量/g PPA 添加量/g 纳米纤维素添加量/g 二氧六环添加量/mL 反应温度/反应时间/min 1-1 0.1 0.2 10 20 80 120 1-2 0.2 1-3 0.3 1-4 0.4 2-1 0.2 0.2 10 20 80 120 2-2 100 2-3 120 2-4 140 3-1 0.2 0.2 10 20 140 120 3-2 240 3-3 360 3-4 480 1.2 抗菌试验 1.2.1 原料与试剂 纳米纤维素（自制）；金黄色葡萄球菌（SHBCC D18030），大肠杆菌 DH5（SHBCC D24944），上海 44 纤 维 素 科 学 与 技 术 第31卷 保藏生物技术中心；蛋白胨（生物试剂），北京奥博星生物技术有限责任公司；酵母浸粉（生物试剂），琼脂粉（生物试剂），南京全隆生物技术有限公司；氯化钠（分析纯），西陇科学股份有限公司。1.2.2 仪器与设备 BSC-1100A3-X 生物安全柜，山东鑫贝西生物技术有限公司；8XM-30R 立式压力蒸汽灭菌器，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；JQ-SHP160 生物培养箱，河北清洁环保科技有限公司；THZ-98C 恒温震荡器，上海一恒科学仪器有限公司。1.2.3 实验方法 1.2.3.1 实验准备 1）实验菌种 大肠杆菌与金黄色葡萄球菌经培养繁殖后保存在 30%甘油中备用。2）LB 液体培养基配置 按照 5 g/L 酵母浸粉、10 g/L 蛋白胨、10 g/L 氯化钠的比例加去离子水于广口瓶中，并用 NaOH 调节pH 至 7.00.2，制备适量 LB 液体培养基，在高压灭菌锅中用 121高压蒸汽灭菌 30 min，冷却后备用。3）LB 固体培养基配置 按照 5 g/L 酵母浸粉、10 g/L 蛋白胨、10 g/L 氯化钠、16 g/L 琼脂粉的比例加去离子水与广口瓶中，并用 NaOH 调节 pH 至 7.00.2，制备 LB 适量固体培养基，在高压灭菌锅中用 121高压蒸汽灭菌 30 min。4）平板培养基的制备 待 LB 固体培养基灭菌结束后，趁热取 10 mL 左右固体培养基加入一次性培养皿中，摇匀后冷却，用封口膜密封置于冰箱保存。1.2.3.2 日光驱动抗菌实验 取 5 mL 液体培养基于试管中，分为两组，其中 a 组加入 50 L 金黄色葡萄球菌，b 组加入 50 L 大肠杆菌。每组试管加入不同制备条件的抗菌纳米纤维素悬浊液 1 mL，并设置加入 1 mL 去离子水的空白组与加入 1 mL 未处理的纳米纤维素悬浊液的对照组，将所有试管震荡后置于日光条件 240 min。结束后将所有试管置于 220 r/min 的转速 37恒温震荡器中恒温培养 1824 h。培养结束后用去离子水进行稀释涂布平板法稀释 6 次，每次浓度稀释 10 倍，选第 4、5、6 次进行涂布，各涂布三个培养皿，将涂好的板置于生物培养箱中，以 37的温度恒温培养 24 h 后观察。在相同条件下选 1-2 的制备工艺条件设置一组避光处理实验组，验证其日光驱动抗菌性能。利用公式计算抑菌率，具体公式如式（1）所示。抑菌率/%空白组中菌落数实验组中菌落数空白组中菌落数100 （1）1.3 性能表征 1.3.1 场发射透射电子显微镜（TEM）将抗菌纳米纤维素悬浊液与未纳米纤维素悬浊液超声分散 30 min 后滴于铜网上，用滤纸吸干样品液滴，待样品即干时用 2%磷钨酸负染，再用滤纸吸干余液，晾干后用日立 H-7650 透射电子显微镜在 200 kV 电压下进行观察18。1.3.2 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）将抗菌纳米纤维素悬浊液进行冷冻干燥处理后，用 IS50 傅里叶红外光谱仪进行测试。以 32 次/s 的频率在 4004000 cm-1的范围内进行扫描，获得 FT-IR 图谱并进行分析。第 1 期 石 泰等：日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究 45 1.3.3 X-rad 射线衍射（XRD）将抗菌纳米纤维素悬浊液进行冷冻干燥处理后，用 SmartLabX-射线粉末衍射仪进行结晶度分析。在 2（580）的范围内获得 X-射线的衍射图谱并进行分析。结晶度计算公式如式（2）所示19。CrI/%（I200Iam）I200100 （2）式中：Cr为 2 的结晶度指数；200为 2（2223）的衍射强度，表示结晶区；am为 2（1819）的衍射强度，表示非结晶区。1.3.4 热性能分析（TG）将冷冻干燥后的抗菌纳米纤维素称重后放入坩埚中，通过 TP209F3 热重分析仪对其进行热性能分析，以 N2作保护气，以 10 K/min 的升温速率从10升温至 600，获得 TG 图像表征其热性能。2 结果与讨论 2.1 形貌分析 图 1 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 TEM 图。图 1 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 TEM 图 由图 1 可以看出，抗菌纳米纤维素其微观形貌与纳米纤维素相比并未出现明显的变化，长度基本保持在 200300 nm，直径在 2550 nm。由于纳米纤维素本身具有较多的羟基，使其产生团聚现象，分散不均匀20。2.2 红外光谱分析 光敏剂 BTDA、纳米纤维素及抗菌纳米纤维素的红外光谱如图 2 所示。在光敏剂 BTDA 的谱线中，3093 cm-1附近有一个由于苯环上碳的不饱和拉伸振动峰形成的吸收峰；在 1777 cm-1处是 BTDA 中羧基的伸缩振动峰。在纳米纤维素和抗菌纳米纤维素的谱线中 31323500 cm-1处的吸收峰为羟基的 O-H 的伸缩振动吸收；2900 cm-1和 2865 cm-1两处的吸收峰为纤维素结构中 C-H 伸缩振动吸收；1645 cm-1处的吸收峰为纤维素结构中 H-O-H 的伸缩振动；1430 cm-1处的吸收峰为纤维素饱和 C-H 弯曲振动吸收21-22。光敏剂BTDA 与羟基发生酯化反应新生成的酯键应显示在 1722 cm-1处，但酯基峰与羰基峰十分接近，导致双峰合并所以在 1732 cm-1处的振动峰峰面积向右变宽23。46 纤 维 素 科 学 与 技 术 第31卷 4000320024001600800波数/cm-1-OH2900286530931777164511621430纳米纤维素抗菌纳米纤维素BTDA 010203040506070802/()强度/(a.u.)纳米纤维素抗菌纳米纤维素 图 2 纳米纤维素、抗菌纳米纤维素及 BTDA 红外光谱图 图 3 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 XRD 图谱 2.3 X-射线衍射图谱分析 图 3 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 XRD 图谱。由图可以看出，纯纳米纤维素的主要衍射峰在 15.1、22.5、34.6，而改性纳米纤维素其衍射峰位置接近，二者都是纤维素型结构，表明在改性过程中没有改变纤维素的晶型。根据计算得纳米纤维素的结晶度为 73.2%，抗菌纳米纤维素的结晶度为 84.6%，说明在反应中无序排列的晶体结构被破坏，结晶区规整度增加，从而使结晶度提高。2.4 光驱动抗菌性能 图 4 是制备条件为 1-2 的抗菌纳米纤维素在光照与避光条件下的抗菌效果图。由图 4 可以看出，在光照条件下，细菌本身有一定的减少，但减少的数量并不明显，在加入抗菌纳米纤维素后，金黄色葡萄球菌与大肠杆菌有明显的减少。对照组细菌未减少，表面未改性的纳米纤维素对上述两种菌基本没有抗菌性。a.金黄色葡萄球菌；b.大肠杆菌 图 4 制备条件为 1-2 的抗菌纳米纤维素在光照与避光条件下的抗菌效果图 2.5 单因素实验分析 图 5 为不同工艺参数下抗菌纳米纤维素抑菌率曲线。第 1 期 石 泰等：日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究 47 0.10.20.30.460708090100抑菌率/%BTDA添加量/g 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌a 80100120140708090100抑菌率/%反应温度/金黄色葡萄球菌 大肠杆菌b 12024036048080859095100抑菌率/%反应时间/min 金黄色葡萄球菌 大肠杆菌 图 5 不同工艺参数下抗菌纳米纤维素抑菌率 由图 5a 可以看出，随着 BTDA 添加量的增多，抗菌纳米纤维素的抗菌性越强，当添加量大于 0.3 g 时，抗菌效果无明显提升，可能是 BTDA 与纳米纤维素反应完全，BTDA 有剩余，与纳米纤维素产生物理吸附，故制备该抗菌纳米纤维素最佳 BTDA 添加量为 0.3 g。由图 5b 可以看出，随着反应温度的升高，抗菌纳米纤维素的抗菌性越强，当达到 140后已获得较优的抗菌性，抑菌率95%，故制备该抗菌纳米纤维素最佳反应温度为 140。由图 5c 可以看出，随着反应时间为 240 min 所制备的抗菌纳米纤维素抗菌效果最好，当反应时间继续增加后，高温条件下酯键不稳定，发生一定的分解，导致抗菌效果变差。故制备该抗菌纳米纤维素最佳反应时间为 240 min。综上所述，最终确定该抗菌纳米纤维素的最佳制备工艺为：0.3 g BTDA、0.2 g PPA、10 g 纳米纤维素、20 mL 二氧六环，反应温度为 140，反应时间为 240 min。2.6 热重分析 图 6 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 TG 图。10020030040050060020406080100重量/%T/抗菌纳米纤维素纳米纤维素 图 6 纳米纤维素及抗菌纳米纤维素 TG 图 由图 6 可知，二者在 0100区域间产生较小的质量损失，原因是自由水的挥发。之后抗菌纳米纤维素分解温度提前，在 180左右开始分解，原因是接枝生成酯键对热更为敏感，受热更容易分解。温度达到 280后失重速率变快，原因是纤维素本身开始分解，纤维素链断裂，逐渐转化为 CO2及其他挥发性碳氢化合物。当温度达到 380后，被认为是焦炭的氧化分解过程。48 纤 维 素 科 学 与 技 术 第31卷 3 结论 以纳米纤维素为原料，BTDA 为光敏剂，PPA、二氧六环分别为催化剂与溶剂共同反应制备了具有日光驱动抗菌性能的纳米纤维素。1）通过单因素实验分析了 BTDA 添加量、反应温度、反应时间三个因素对最终产物抗菌性能的影响，得出该抗菌纳米纤维素的最佳制备工艺条件为 10 g 纳米纤维素、0.3 g BTDA、0.2 g PPA、反应温度为 140、反应时间为 240 min，此条件下得到的抗菌纳米纤维素对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率达到 90%以上。2）对纳米纤维素及抗菌纳米纤维素进行分析及表征，TEM 表明反应过程对纳米纤维素形貌特征未产生明显改变，长度在 200300 nm，直径在 2550 nm 范围；XRD 谱图与 FT-IR 谱图表明反应过程也未改变纳米纤维素原本的化学结构，但抗菌纳米纤维素的结晶度有一定提高由 73.2%提高到 84.6%；TG 图表明抗菌纳米纤维素的热稳定性有所下降。参考文献：1 刘姝瑞,谭艳君,张明宇,等.抗菌材料的研究进展J.纺织科学与工程学报,2022,39(1):90-98.2 Riduan S N,Zhang Y G.Recent advances of zinc-based antimicrobial materials.J.Chemistry,an Asian Journal,2021,16(18):2588-2595.3 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王朋洋.日光驱动型抗菌薄膜的制备及其对冷鲜羊肉和奶豆腐品质的影响D.呼和浩特:内蒙古农业大学,2021.Preparation and Properties of Sunlight-Driven Antibacterial Nanocellulose SHI Tai1,LU Qi-lin2,3,LI Yong-gui1,2,3*,LIU Zheng-jiang1,SHI Song-wei4,LI Tian-yuan5（1.College of Textile and Light Industry,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080,China;2.Fujian Key Laboratory of New Novel Functional Textile Fibers and Materials,Fuzhou 350108,China;3.Clothiing and Design Faculty,Minjiang University,Fuzhou 350108,China;4.Fujian Changyuan Textile Co.,Ltd.,Fuzhou 350004,China;5.Fujian Huafeng New Material Co.,Ltd.,Putian 351100,China）Abstract：In order to endow nanocellulose with antibacterial function,benzophenone-3,3,4,4-tetracarboxylic dianhydride(BTDA)was used as a photosensitizer to prepare light-driven antibacterial nanocellulose.The ester bond was formed by the reaction of carboxyl group in BTDA with the hydroxyl group of nanocellulose to prepare antibacterial nanocellulose with sunlight-driven antibacterial properties.The effects of BTDA addition,reaction temperature and reaction time on the antibacterial properties of the product were investigated.The rational preparation process of antibacterial nanocellulose was determined as follows:Nanocellulose(solid content 1.26%)10 g,BTDA addition 0.3 g,reaction temperature 140 and reaction time 240 min.The prepared antibacterial nanocellulose has a length of 200300 nm,a diameter of 2550 nm,and the crystallinity of 84.6%.The antibacterial rate of Staphylococcus aureus and Escherichia coli was more than 90%under sunlight irradiation.Nanocellulose has excellent physical and chemical properties and good biocompatibility.This study broadens the application of light-driven antibacterial materials.Key words:antibacterial nanocellulose;BTDA;sunlight drive;antibacterial;photosensitivity