纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠的制備及抗菌性能研究

楊嶸晟, 朱俊芳, 馮樹波

(1.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 新疆 庫爾勒 841000; 2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院, 河北 石家莊 050018)

大量微生物存在人類生活環(huán)境中，如日常用的家用電器、纖維服裝、衛(wèi)生陶瓷制品、塑料薄膜到建筑用的鋼材、涂料以及飲用水等[1]，它們在適宜溫度及養(yǎng)分下會迅速繁殖，導(dǎo)致物質(zhì)的變質(zhì)、腐敗、發(fā)霉以及傷口化膿感染等，嚴(yán)重威脅人類健康。這就使得抗菌材料成為當(dāng)今新材料研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一[2]。超細(xì)無機(jī)抗菌材料是一種新型抗菌材料，與有機(jī)抗菌材料相比，具有廣譜、耐久、安全等特點(diǎn)[3]。隨著人們對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，無機(jī)抗菌材料具有廣闊的市場前景。超細(xì)氧化鋅作為無機(jī)抗菌材料之一，被廣泛應(yīng)用。學(xué)者對氧化鋅抗菌性能的研究表明其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都具有很好的抗菌效果，而且對耐熱、耐抗菌劑能力很強(qiáng)的枯草芽抱桿菌的孢子也具有較強(qiáng)作用，是一種廣譜抗菌劑[4]。而單純的超細(xì)氧化鋅具有易團(tuán)聚、難回收等缺點(diǎn)，為解決這一問題，許多研究者將超細(xì)無機(jī)物與有機(jī)物進(jìn)行復(fù)合[5-6]，這樣不僅可以節(jié)約超細(xì)無機(jī)物的用量成本，還可以將超細(xì)無機(jī)物進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)多次利用。

纖維素是地球上最豐富的天然產(chǎn)物，具有許多優(yōu)異的性能，如可再生、生物相容性、高強(qiáng)度等[7-9]。纖維素氣凝膠是將纖維素水凝膠冷凍干燥得到的多孔材料，具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)[10-11]，可作為許多無機(jī)物載體。將金屬氧化物負(fù)載在氣凝膠上，可以增加無機(jī)物的比表面積，而且有利于其回收，從而實(shí)現(xiàn)超細(xì)無機(jī)材料的再生利用。

本研究以醫(yī)用脫脂棉為原料，通過交聯(lián)法和冷凍干燥法制備了纖維素氣凝膠，并將此作為支撐材料，通過溶劑熱法制備超細(xì)氧化鋅。利用超細(xì)氧化鋅的抗菌性能和纖維素氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)，制備具有抗菌性能的復(fù)合氣凝膠，利用抑菌圈法和抗菌率研究復(fù)合氣凝膠的抗菌性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

醫(yī)用脫脂棉，河南飄安集團(tuán)有限公司；NaOH、尿素、環(huán)氧氯丙烷、無水乙醇、醋酸鋅、乙二醇均為市售分析純。菌種為大腸桿菌，康斯普瑞動物藥業(yè)有限公司;培養(yǎng)基為瓊脂培養(yǎng)基。

JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡，日本電子公司；D8-Advance型X射線衍射(XRD)儀，德國Bruker公司；元素能量散射(EDS)儀，勞雷工業(yè)公司；Centriguge-5810 R高速冷凍離心機(jī)，德國Eppendorf公司。

1.2 樣品制備

1.2.1纖維素多孔氣凝膠的制備 參考文獻(xiàn)[12]制備方法，稱取2 g脫脂棉，浸泡在100 g 7% NaOH和12%尿素混合水溶液中，在-12 ℃下強(qiáng)力攪拌8 h，得到澄清的纖維素溶液。取纖維素溶液20 mL，加入2 mL環(huán)氧氯丙烷作為交聯(lián)劑并攪拌均勻，將此纖維素溶液倒入模具中，保持溶液厚度為0.5 cm，密封后放入烘箱，50 ℃下交聯(lián)反應(yīng)1 h得到纖維素水凝膠。取出后水洗至溶液為中性，最后在-50 ℃下冷凍干燥24 h得到纖維素氣凝膠。

1.2.2超細(xì)氧化鋅的制備 取2.195 g Zn(CH3COO)2·2H2O置于250 mL燒杯中，加入100 mL乙二醇，油浴加熱，冷凝回流，控制反應(yīng)溫度195 ℃，升溫速率4 ℃/min，反應(yīng)1.5 h。將得到的乳白色膠體以6 500 r/min離心20 min。離心后棄去上層液體，并用乙醇清洗沉淀。充分振蕩后再次離心。棄去上層液體，剩余物在70 ℃干燥12 h，然后研磨成粉即得超細(xì)氧化鋅。

1.2.3纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠的制備 分別取超細(xì)氧化鋅0.005、 0.010、 0.015、 0.020 g分散到20 mL乙醇中，稱取纖維素氣凝膠各0.01 g分別放入上述不同質(zhì)量濃度梯度的乙醇分散液中，攪拌24 h后取出。烘干后得到4種纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠。依次命名為CE/ZnO- 005、 CE/ZnO- 010、CE/ZnO- 015和CE/ZnO- 020。

1.3 樣品表征

1.3.1纖維素氣凝膠的表征 采用掃描電子顯微鏡對纖維素氣凝膠、超細(xì)氧化鋅、纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠進(jìn)行觀察，掃描電壓15 kV，工作間距8 mm;通過EDS分析復(fù)合氣凝膠表面樣品組成成分及各元素的比例關(guān)系，操作條件為20 kV，2 000倍放大，15 mm 的工作間距;采用X射線衍射儀對纖維素氣凝膠、超細(xì)氧化鋅和復(fù)合氣凝膠的晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，操作條件為電壓40 kV，電流100 mA，掃描范圍10°～90°。

1.3.2復(fù)合氣凝膠抗菌性能研究 將滅菌后的瓊脂培養(yǎng)基倒入已滅菌的培養(yǎng)皿中，制成平板，然后取混合菌液(在瓊脂培養(yǎng)基中添加5×10-5CFU/mL的懸浮細(xì)菌培養(yǎng)物50 μL)0.3 mL置于平板上，用刮刀涂布均勻。分別將純纖維素氣凝膠和4種不同的復(fù)合氣凝膠，用刀切割，制成片劑(直徑5 mm、厚度2 mm)，置于平板中央，再將培養(yǎng)皿置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，24 h后測定試樣周圍抑菌圈的大小，以抑菌圈直徑作為評價(jià)材料抗菌性能的依據(jù)，定性地表征材料的抗菌性。

為了定量地測出復(fù)合氣凝膠的滅菌率，采用菌落計(jì)數(shù)法[13]進(jìn)行測定。以0.5 mL初始大腸桿菌菌懸液作為參比液，測出其中細(xì)菌的初始數(shù)量。然后在裝有100 mL無菌水的錐形瓶中加入抗菌材料和0.5 mL的初始混合菌液，30 ℃恒溫?fù)u床培養(yǎng)12 h后，測量剩余的菌落數(shù)目，進(jìn)而推斷出活細(xì)菌總數(shù)，用滅菌率作為指標(biāo)來定量評價(jià)材料的抗菌性能，滅菌率(R)[13]按式(1)計(jì)算。

R=(W0-Wt)/W0×100%

(1)

式中:W0—最初的大腸桿菌數(shù)量，個(gè)；Wt—滅菌后剩余的大腸桿菌數(shù)量，個(gè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析表征

圖1是 CE、 ZnO和CE/ZnO氣凝膠的XRD圖譜，從圖中可以看出，纖維素在2θ=22.9°有明顯的衍射峰，這是纖維素的特征衍射峰，氧化鋅的7個(gè)主要特征衍射峰在圖中都有顯示(2θ=30.9°、 34.70°、 36.53°、 47.86°、 56.87°、 63.07°、 68.26°)[14]，并且峰形尖銳，說明結(jié)晶性良好。CE/ZnO復(fù)合氣凝膠的XRD衍射峰除了具有氧化鋅的7個(gè)明顯的特征衍射峰外，在2θ=22.9°處也有纖維素的特征衍射峰，說明纖維素和氧化鋅成功復(fù)合。

2.2 形貌分析

纖維素氣凝膠的宏觀形貌如圖2所示，從圖2(b)中可以看出氣凝膠基底可彎曲，具有柔韌性。

圖1 XRD圖譜

a.平鋪tiled; b.彎曲bended

超細(xì)氧化鋅和纖維素氣凝膠分別通過溶劑熱法和冷凍干燥法制備，圖3為超細(xì)氧化鋅、纖維素氣凝膠以及復(fù)合氣凝膠的掃描電鏡圖。

a.ZnO, ×20 000; b.纖維素氣凝膠CE aerogel, ×100; c.纖維素氣凝膠表面surface of the CE aerogel, ×5 000; d.復(fù)合氣凝膠表面surface of the CE/ZnO aerogel, ×5 000

圖4 復(fù)合氣凝膠元素能量散射圖

由圖3(a)可以看出，超細(xì)氧化鋅直徑大約為500 nm，呈球形結(jié)構(gòu)，球形可以增加氧化鋅的比表面積，使其能充分地與細(xì)菌接觸。圖3(b)為纖維素氣凝膠結(jié)構(gòu)，可以看出氣凝膠內(nèi)部呈三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)能提供更多的空間，有利于更多的超細(xì)氧化鋅附著，從而更好地發(fā)揮超細(xì)氧化鋅的抗菌效果。圖3(c)為纖維素氣凝膠表面放大圖，由圖可知純纖維素氣凝膠內(nèi)部光滑，沒有任何的顆粒附著在上面。圖3(d)為纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠表面放大圖，從圖中可以看出氣凝膠上有許多的納米顆粒。在制備超細(xì)氧化鋅時(shí)，使用乙二醇作為分散劑，使得超細(xì)氧化鋅表面含有豐富的羥基，而纖維素分子結(jié)構(gòu)中也有羥基的存在，纖維素和超細(xì)氧化鋅就可以通過氫鍵進(jìn)行復(fù)合。再結(jié)合元素能量散射圖(圖4)分析，這些顆粒主要為鋅和氧元素，說明了ZnO的存在，圖譜中也有碳元素的存在，說明是纖維素上的碳。再次證實(shí)了纖維素和氧化鋅的成功復(fù)合。

2.3 抗菌性能研究

為了更直觀地了解CE/ZnO復(fù)合氣凝膠的抗菌性能，本研究利用測定抑菌圈的大小來評估復(fù)合氣凝膠的抗菌效果，結(jié)果如圖5所示。圖5(a)中基本沒有明顯的抑菌圈存在，說明純的纖維素氣凝膠對大腸桿菌基本沒有抗菌性，而圖5(b)～5(e)中，可以看出明顯的抑菌圈，并且隨著氧化鋅含量的增加，抑菌圈從0.12 cm增加到0.28 cm，說明在復(fù)合氣凝膠中，氧化鋅是主要的抗菌劑，氧化鋅的用量越大越有利于抗菌。但ZnO用量過多會對纖維素氣凝膠結(jié)構(gòu)有一定影響，使纖維素氣凝膠無法負(fù)載更多的ZnO，從而影響其抗菌效果。

a.纖維素氣凝膠 CE aerogel; b.CE/ZnO- 005; c.CE/ZnO- 010; d.CE/ZnO- 015; e.CE/ZnO- 020

a.抗菌前before sterilization; b.加CE/ZnO- 020抗菌后after sterilization by CE/ZnO- 020

由圖5可知，CE/ZnO- 020復(fù)合氣凝膠的抗菌效果最為顯著，故采用菌落計(jì)數(shù)法對CE/ZnO- 020復(fù)合氣凝膠進(jìn)行滅菌率測定，用來評價(jià)復(fù)合氣凝膠的抗菌性能。圖6可以清晰地看到抗菌前后細(xì)菌數(shù)量的變化，未抗菌的細(xì)菌培養(yǎng)基上含有大量的細(xì)菌，且分布均勻，而抗菌后的只存在少量細(xì)菌，通過菌落計(jì)數(shù)法計(jì)算得到CE/ZnO- 020對大腸桿菌的滅菌率為95.25%，說明纖維素/超細(xì)氧化鋅復(fù)合氣凝膠對大腸桿菌具有很好的抗菌性。

2.4 抗菌機(jī)理研究

氧化鋅是傳統(tǒng)的無機(jī)抗菌材料之一，細(xì)菌培養(yǎng)基中含有一定量的水，氧化鋅在含水介質(zhì)中可緩慢釋放出Zn2+，細(xì)菌表面由于游離—COOH的存在而帶負(fù)電荷，Zn2+憑借庫侖引力被吸附到細(xì)菌表面，使細(xì)菌細(xì)胞膜受損，鋅離子與蛋白質(zhì)中的N和O元素絡(luò)合，破壞酶蛋白分子的空間構(gòu)象；或者是鋅離子代替了激發(fā)酶活性的金屬離子如Mg2+、Fe3+和Ca2+等，導(dǎo)致酶類變性從而達(dá)到抗菌目的[15-16]。在殺滅細(xì)菌后，鋅離子可從細(xì)胞內(nèi)游離出來，重復(fù)上述過程，這也是氧化鋅抗菌性持久的原因。超細(xì)氧化鋅除具有傳統(tǒng)氧化鋅的抗菌作用外，由于粒子粒徑達(dá)到納米級，具有納米粒子特有的表面界面效應(yīng)，體現(xiàn)在抗菌效果方面，納米粒子的表面原子數(shù)量大大多于傳統(tǒng)粒子，表面原子由于缺少鄰近的配位原子而具備很高能量，可增強(qiáng)氧化鋅與細(xì)菌的親和力，提高抗菌的效率[17]。將超細(xì)氧化鋅與纖維素氣凝膠復(fù)合，由于纖維素屬于有機(jī)天然產(chǎn)物，它能使細(xì)菌更容易與抗菌劑接觸，吸引細(xì)菌在纖維素氣凝膠附近生長，使氧化鋅能更好地接觸細(xì)菌，將其殺滅，可以更充分地發(fā)揮超細(xì)氧化鋅的抗菌性。

3 結(jié) 論

以溶液交聯(lián)法和冷凍干燥法制備的纖維素氣凝膠為載體，溶劑熱法制備的超細(xì)氧化鋅作為抗菌劑，通過浸泡法制備了纖維素/超細(xì)氧化鋅(CE/ZnO)復(fù)合氣凝膠抗菌劑，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和抗菌性能分析，XRD圖和SEM圖證明研究成功制備了CE/ZnO復(fù)合氣凝膠，且其具有很好的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)。CE/ZnO復(fù)合氣凝膠具有很好的抗菌性能，并隨著氧化鋅的含量的增加其抗菌性能也在增加，纖維素氣凝膠和超細(xì)氧化鋅質(zhì)量比1∶2制備的復(fù)合氣凝膠CE/ZnO- 020對大腸桿菌的滅菌率達(dá)到95.25%。