高壓靜電紡絲法制備植物源抗菌納米纖維膜的 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳品鴻，曹慶云，黃永欣，林若玫，謝曉琪，盧芷薇，張偉琦，倪春林，周武藝

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，生物質(zhì)3D 打印研究中心，廣東 廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州 510642）

聚乙烯醇（PVA）綠色環(huán)保，成膜性好，在醫(yī)藥、護(hù)膚、食品、過(guò)濾[1-5]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在醫(yī)藥領(lǐng)域，PVA 可用作藥物緩釋[6-9]、傷口敷料[10-13]、藥用膜[14]、手術(shù)縫合線(xiàn)、人工腎膜等；在護(hù)膚領(lǐng)域，常添加到乳液、面膜和化妝水等[15]護(hù)膚品當(dāng)中；在食品領(lǐng)域，因?yàn)镻VA 成膜性、機(jī)械性能、氣體阻隔性能良好，常用作食品包裝材料[16-18]，添加抑菌成分[19-20]，可以增長(zhǎng)食物的保存期；在紡織領(lǐng)域，PVA 可作為紡織品的上漿劑，PVA 纖維還可與其他纖維混紡制備出高檔紡織品[21-22]；在工業(yè)領(lǐng)域，PVA 的加入可增強(qiáng)制品耐磨性能以及水泥的韌性等[23-27]。苦檻藍(lán)品種單一，主要種植地分布在中國(guó)、日本、新西蘭等國(guó)家，而苦檻藍(lán)在中國(guó)主要種植于廣東、廣西、臺(tái)灣、福建等省份?？鄼懰{(lán)不僅可以觀賞，還廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域，例如作補(bǔ)藥、解毒劑，治風(fēng)濕病、頭痛、潰瘍和疤疹等疾病。研究表明，呋喃倍半萜烯有較強(qiáng)的殺蟲(chóng)活性，而苦檻藍(lán)的第1 種呋喃倍半萜烯（蒽蓋酮）在1925 年被分離出[28]，隨后20 余種被分離出[29]。據(jù)報(bào)道，苦檻藍(lán)揮發(fā)油中的主要化學(xué)成分為倍半萜類(lèi)、單萜類(lèi)、脂肪酸、醇類(lèi)、酮類(lèi)、醛類(lèi)及醚類(lèi)等，對(duì)蔬菜害蟲(chóng)、小菜蛾等具有驅(qū)避和拒食作用[30]。此外，揮發(fā)油中的苦檻藍(lán)酮能抑制菌類(lèi)生長(zhǎng)，對(duì)害蟲(chóng)有忌避作用[29]。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了以PVA 為基材，以水為溶劑、吐溫為乳化劑，添加天然產(chǎn)物苦檻藍(lán)揮發(fā)油作為抑菌成分，通過(guò)高壓靜電紡絲法制備負(fù)載天然植物抗菌藥物的復(fù)合納米纖維膜的綜合性實(shí)驗(yàn)，并對(duì)納米纖維薄膜的纖維形貌、表面接觸角、耐水性、紅外光譜、力學(xué)性能和抗菌性能等進(jìn)行了系統(tǒng)表征和研究。

1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑與儀器：PVA，廣東捷進(jìn)化工有限公司；純凈水，怡寶；吐溫-80（AR），廣州化學(xué)試劑廠(chǎng)；苦檻藍(lán)揮發(fā)油，實(shí)驗(yàn)室自制；高壓靜電紡絲機(jī)（TL-01），深圳市通力微納科技有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀（AVATAR360ESP），美國(guó)尼高力公司；數(shù)碼顯微鏡（WSB1200D），廣州微域光學(xué)儀器有限公司；萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)（UTM4204），深圳三思縱橫科技股份有限公司；接觸角測(cè)量?jī)x，上海市中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 PVA 溶液的配制

將一定量的醇解度為98%和88%的PVA 顆粒分別加入適量的去離子水中，配制成濃度為8%、10%、12%、14%、1.6%的PVA 水溶液，在90 ℃加熱攪拌2 h 至完全溶解后再放到超聲儀中超聲1 h，最后靜置24 h 脫泡后待用。

2.2 醇解度及濃度對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

用10 mL 的注射器吸取適量的紡絲液后將注射器固定在高壓靜電紡絲機(jī)中，調(diào)節(jié)至合適的參數(shù)，對(duì)醇解度和濃度不同的PVA 水溶液分別進(jìn)行靜電紡絲。在電壓為25 kV，紡絲速率為0.3 mL/h，接收距離為14 cm 的條件下對(duì)不同濃度的醇解度為98%的PVA 紡絲液進(jìn)行靜電紡絲；在電壓為20 kV，紡絲速率為0.5 mL/h，接收距離為14 cm 的條件下對(duì)不同濃度的醇解度為88%的PVA 紡絲液進(jìn)行靜電紡絲。

2.3 紡絲電壓對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

在紡絲速率為0.5 mL/h，接收距離為14 cm 的條件下，調(diào)節(jié)紡絲電壓為16、18、20、22 kV，分別對(duì)濃度為12%的醇解度為88%的PVA 溶液進(jìn)行靜電紡絲。

2.4 添加苦檻藍(lán)揮發(fā)油的PVA 紡絲液的配制及紡絲

在含有2 g 吐溫-80、10 mL 去離子水的吐溫水溶液中加入1 g 苦檻藍(lán)揮發(fā)油，攪拌至溶液澄清。添加一定量的含苦檻藍(lán)揮發(fā)油的吐溫水溶液到已經(jīng)加熱溶解且降到室溫的PVA 水溶液里，配制成含1%、2%的苦檻藍(lán)揮發(fā)油的PVA 濃度為12%的PVA 紡絲液，常溫下攪拌24 h，超聲1 h，靜置脫泡。脫泡后，對(duì)上述紡絲液進(jìn)行靜電紡絲，調(diào)節(jié)接收距離為14 cm，設(shè)置電壓為20 kV、紡絲速率為0.5 mL/h。

2.5 戊二醛蒸氣交聯(lián)

往培養(yǎng)皿中加入20 mL 濃度為25%的戊二醛溶液，然后將它放入裝有變色硅膠的干燥器隔板的下端，上端放置苦檻藍(lán)揮發(fā)油/PVA 納米纖維膜。在室溫、密閉的條件下交聯(lián)48 h 后取出，干燥24 h 后將樣品保存好。

3 結(jié)果與討論

3.1 醇解度及濃度對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

圖1 是電壓為25 kV，紡絲速率為0.3 mL/h，接收距離為14 cm，濃度分別為10%、12%、14%、1.6%的醇解度為98%的PVA 納米纖維形貌。從圖1 可知，隨著PVA 的濃度上升，纖維數(shù)量逐漸增加，但是珠狀液滴仍不能消除，即使調(diào)節(jié)電壓、速率、接收距離仍無(wú)法消除。這是因?yàn)榇冀舛雀叩腜VA 制備過(guò)程反應(yīng)副產(chǎn)物醋酸鈉多，其電導(dǎo)率和表面張力過(guò)大，可紡性差，不適用于靜電紡絲。在紡絲過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，濃度為10%的PVA 針頭噴液滴，不能形成射流；濃度為10%～14%的能形成射流；濃度為16%時(shí)由于濃度過(guò)大易堵住針頭。因此，醇解度為98%的PVA 水溶液沒(méi)有合適的濃度進(jìn)行靜電紡絲。

圖1 不同濃度的醇解度為98%的PVA 的光學(xué)顯微鏡圖（455X）

圖2 不同濃度的醇解度為88%的PVA 的 光學(xué)顯微鏡圖（455X）

圖3 不同電壓對(duì)PVA 纖維結(jié)構(gòu)影響的 光學(xué)顯微鏡圖（455X）

圖2 是電壓為20 kV，不同濃度的醇解度為88%的PVA 納米纖維形貌。從圖2 可知，濃度為6%的PVA 納米纖維幾乎全為串珠；濃度為8%的PVA 納米 纖維串珠數(shù)量大量減少，纖維增多；濃度為10%的PVA 納米纖維串珠消失，纖維形貌較好，但纖維直徑較??；濃度為12%的PVA 納米纖維無(wú)串珠，形貌均一，纖維直徑粗細(xì)均勻。濃度為14%的PVA 納米纖維由于濃度過(guò)大，易堵住針頭，無(wú)法進(jìn)行靜電紡絲。因此，濃度為12%，醇解度為88%的PVA 納米纖維制備的薄膜可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 紡絲電壓對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

圖3 為不同電壓下濃度為12%，醇解度為88%的PVA 纖維形貌。從圖3 中可知，當(dāng)電壓為12 kV 時(shí)，纖維有少量串珠狀存在；當(dāng)電壓為16 kV 時(shí)，串珠消失，纖維形貌較為均一；當(dāng)電壓為20 kV 時(shí)，纖維形貌良好，粗細(xì)均勻，無(wú)黏連且連續(xù)；當(dāng)電壓為24 kV時(shí)，纖維形貌受到影響，纖維黏連嚴(yán)重，出現(xiàn)彎曲，纖維間互相纏繞。這主要是由于電壓較低時(shí)，射流受到的電場(chǎng)力小于表面張力，無(wú)法完全拉伸；電壓增大時(shí)，射流所受電場(chǎng)力足以克服表面張力，從而進(jìn)行充分拉伸，形成均一光滑的納米纖維；但是電壓過(guò)高易造成射流不穩(wěn)定，導(dǎo)致纖維間纏繞嚴(yán)重。因此，20 kV為最佳靜電紡絲電壓。

3.3 苦檻藍(lán)揮發(fā)油濃度對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

圖4 為不同濃度的苦檻藍(lán)揮發(fā)油對(duì)纖維形貌影響的光學(xué)顯微鏡圖。從圖4 中可知，添加1%苦檻藍(lán)揮發(fā)油對(duì)纖維形貌影響不大，但隨著提取液的濃度增加，形貌逐漸彎曲，纖維間纏繞程度增加。這是由于隨著提取液的濃度增加，紡絲液溶質(zhì)濃度增加，黏度增加，在最佳紡絲條件下，纖維無(wú)法充分被拉伸，導(dǎo)致形貌不均一。綜合考慮實(shí)際應(yīng)用的成本，苦檻藍(lán)揮發(fā)油最佳添加量為1%。

圖4 添加不同濃度苦檻藍(lán)揮發(fā)油對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響（455X）

3.4 戊二醛蒸氣交聯(lián)對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響

圖5 為戊二醛蒸氣交聯(lián)對(duì)PVA 納米纖維形貌影響的光學(xué)顯微鏡圖。從圖5 可知，戊二醛蒸氣交聯(lián)前后，并沒(méi)有對(duì)PVA 納米纖維的形貌結(jié)構(gòu)造成明顯的改變，如圖5(b)，交聯(lián)后PVA 納米纖維形貌仍保持良好，纖維直徑分布均勻。

圖5 戊二醛蒸氣交聯(lián)對(duì)PVA 納米纖維形貌的影響（455X）

3.5 纖維膜表面親水性分析

圖6 為樣品纖維膜的表面接觸角測(cè)試圖。從圖6可知，吐溫-80 和苦檻藍(lán)揮發(fā)油的加入對(duì)纖維膜的接觸角改變較小，戊二醛蒸氣交聯(lián)后的纖維膜接觸角稍增大。交聯(lián)后接觸角并沒(méi)有明顯增大，這可能是因?yàn)闆](méi)有完全交聯(lián)，纖維膜中還有羥基剩余；而且改性后的纖維膜上可能有未進(jìn)行反應(yīng)的醛基，羥基和醛基的親水性導(dǎo)致接觸角沒(méi)有明顯增大。

圖6 纖維膜與水的接觸角

3.6 纖維膜的耐水性分析

表1 為不同樣品的纖維膜在水中全部溶解所需要的時(shí)間。由表1 可知，吐溫-80 和苦檻藍(lán)揮發(fā)油的加入使PVA 抗溶解性得到一定增強(qiáng)，但并不明顯。戊二醛蒸氣交聯(lián)后耐水性得到較為明顯的增強(qiáng)，其耐水性得到提高的主要原因是在交聯(lián)過(guò)程中，消耗了纖維膜中的大量羥基基團(tuán)，從而提高了抗溶解能力。

表1 纖維膜完全溶解的時(shí)間 單位：min

3.7 纖維膜的紅外光譜圖分析

圖7 為交聯(lián)反應(yīng)前后的苦檻藍(lán)揮發(fā)油/PVA 納米纖維膜的紅外光譜圖。從圖中可知，3 408 cm–1的特征吸收峰為羥基的伸縮振動(dòng)，說(shuō)明戊二醛蒸氣交聯(lián)后仍存在羥基，這是因?yàn)樵诳s醛反應(yīng)中是隨機(jī)選擇羥基反應(yīng)，羥基沒(méi)有完全反應(yīng)。而交聯(lián)后的納米纖維膜在1 027 cm–1處多了一個(gè)吸收峰，這可能是由交聯(lián)后生成的C—O—C 鍵引起的。這是由于PVA 和戊二醛反應(yīng)可能生成醚鍵或縮醛基，交聯(lián)后消耗了一定量的羥基。

圖7 納米纖維膜的紅外譜圖

3.8 纖維膜的拉伸性能分析

圖8 為納米纖維膜樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，表2 為其對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)。由圖8 可知，吐溫-80 的加入使PVA 納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度由13.72 MPa 上升到16.68 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率由45.20%上升到49.60%?？鄼懰{(lán)揮發(fā)油的加入使納米纖維膜拉伸強(qiáng)度由16.68 MPa下降到 15.08 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率由 49.60%下降到46.77%。戊二醛蒸氣交聯(lián)后的納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度由15.08 MPa 上升到16.89 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率由46.77%上升到61.88%。這可能是因?yàn)橥聹?80 的加入增強(qiáng)了PVA 納米纖維膜的力學(xué)性能；而苦檻藍(lán)揮發(fā)油的加入使原有的結(jié)構(gòu)破壞，其力學(xué)性能降低；戊二醛蒸氣交聯(lián)后的纖維膜力學(xué)性能得到加強(qiáng)是因?yàn)榻宦?lián)過(guò)程中，分子間鍵合形成體型結(jié)構(gòu)，在拉伸時(shí)需破壞分子內(nèi)和交聯(lián)過(guò)程中形成的分子鍵。

圖8 纖維膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表2 納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

3.9 抗菌性能分析

圖9 為不同纖維膜抑菌實(shí)驗(yàn)的抑菌圖，表3 為不同纖維膜的抑菌活性。由表3 可知純PVA 薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都沒(méi)有抑菌性；吐溫-80 的加入使得纖維膜有少量抑菌性；苦檻藍(lán)揮發(fā)油明顯地增強(qiáng)了纖維膜的抑菌性，隨著添加量增大抗菌效果更明顯。研究發(fā)現(xiàn)戊二醛蒸氣交聯(lián)改性后的納米薄膜與改性前的抑菌性沒(méi)有變化，這說(shuō)明改性不影響纖維膜的抑菌性。

圖9 纖維膜的抑菌性能

表3 纖維膜的抑菌活性 單位：cm

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以聚乙烯醇作為基材，以水為溶劑、吐溫為乳化劑，添加苦檻藍(lán)揮發(fā)油作為抑菌成分，采用高壓靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維薄膜的綜合實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行戊二醛蒸氣交聯(lián)有效地改善了PVA 的耐水性。通過(guò)對(duì)納米纖維膜的纖維形貌、表面接觸角、力學(xué)性能和抗菌性能等進(jìn)行表征，得出以下結(jié)論：

（1）醇解度為99%的PVA 不適用于靜電紡絲；醇解度為88%的PVA 在濃度為12%時(shí)，可制備形貌均一的納米纖維。以吐溫-80 為乳化劑，添加1%的苦檻藍(lán)揮發(fā)油對(duì)PVA 納米纖維的形貌影響不大，最佳制備條件為：電壓20 kV，接收距離14 cm，紡絲速率0.5 mL/h，制備的納米纖維無(wú)黏連，無(wú)串珠，形貌均一。

（2）戊二醛蒸氣交聯(lián)48 h 不會(huì)明顯影響苦檻藍(lán)揮發(fā)油/PVA 納米纖維的形貌，但可改善其耐水性和力學(xué)性能。抑菌實(shí)驗(yàn)表明，苦檻藍(lán)揮發(fā)油/PVA 納米纖維具有較好的抑菌性。