工業(yè)大麻纖維負(fù)載納米銀復(fù)合材料制備及抗菌性評價

常麗，陳安國，李建軍，黃思齊，唐慧娟，潘根，鄧勇，張翠萍，趙立寧，李德芳

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205)

大麻(CannabissativaL.)是大麻科大麻屬一年生草本植物，最古老的作物之一[1]。大麻植株中含有致幻成癮的活性成分四氫大麻酚(THC)，20世紀(jì)90年代，為了興利避害，國際上逐步形成共識，將大麻植物中四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%(雌株花穗干物質(zhì)百分比)、不具備毒品利用價值的大麻品種稱為工業(yè)大麻。

工業(yè)大麻纖維是天然纖維中韌度最高、可自然分解的環(huán)保纖維，通過光合作用可再生，取之不盡，用之不竭，并且其廢棄物在自然界中容易降解，是大自然贈予人們最干凈的材料，亦是人類用于紡織的最早纖維之一[2]。工業(yè)大麻纖維相對于其他纖維有難以比擬的優(yōu)勢：優(yōu)良的吸濕、散濕、透氣功能，傳熱導(dǎo)熱速度快，穿著涼爽挺括、出汗不貼身，面料質(zhì)地輕、強(qiáng)力大，防蟲防霉、靜電少、消音吸波、風(fēng)格自然粗獷等[3-5]。在眾多麻纖維中，工業(yè)大麻纖維最細(xì)軟(約為苧麻的1/3，與棉纖維很接近)且末端呈鈍圓狀態(tài)，使其紡織品沒有其他麻類紡織品的尖銳刺癢感?，F(xiàn)今，工業(yè)大麻服裝正逐步受到人們的青睞，市場需求年增長也較快[6]。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究報告，工業(yè)大麻的韌皮纖維具有一定的抗菌性能[7]，這主要是由于纖維的中空多孔形態(tài)結(jié)構(gòu)可破壞厭氧霉菌生存環(huán)境，且韌皮纖維所含大麻酚類物質(zhì)具有一定的抗菌作用。然而，紡織用工業(yè)大麻纖維必須經(jīng)過脫膠處理[8]，該過程會導(dǎo)致大部分抗菌成分流失，從而造成梳理后大麻纖維的抗菌性減弱，難以充分發(fā)揮其抗菌功能。

納米銀(Silver nanoparticles,AgNPs)作為一種無機(jī)銀系納米抗菌劑，其原子排列表現(xiàn)為介于固體和分子之間的“介態(tài)”，具備極強(qiáng)抗菌能力，可以殺滅細(xì)菌、真菌、支原體和衣原體等650多種致病微生物，且納米銀顆粒對細(xì)胞是無害的，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[9-12]。納米銀主要是通過與細(xì)菌細(xì)胞膜表面的硫蛋白相互作用，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)致使細(xì)菌滅活[13]。此外，銀離子可從AgNPs釋放出來，與細(xì)菌DNA結(jié)構(gòu)中的磷以及胞內(nèi)蛋白的巰基相互作用，造成酶活受抑制，細(xì)菌無法分裂繁殖最終死亡[14]。因此，納米銀具有普通抗菌劑無法比擬的抗菌效果，并可實現(xiàn)低毒性、長效性。

納米銀與纖維材料的結(jié)合方法主要有物理法、共價鍵結(jié)合法和原位還原法3類。物理法操作簡便，納米銀顆粒負(fù)載率較高，但物理吸附是一個相對較弱的結(jié)合作用，共價鍵結(jié)合法使納米銀與纖維材料之間通過一系列作用產(chǎn)生一個共價鍵的結(jié)合，但其制備過程最為復(fù)雜，化學(xué)藥品消耗量大，成本較高；原位還原法使用還原劑使納米銀顆粒在基體纖維中緩慢生長，即銀離子半徑約為0.1 nm，可以進(jìn)入纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，待納米銀顆粒原位長大后，便會被纖維的骨架包裹住。原位還原法使抗菌納米銀在材料的表面及內(nèi)部原位合成，不會改變纖維的主體結(jié)構(gòu)，既能保持纖維原有的機(jī)械性能，又能在一定程度上提高納米銀的負(fù)載率，使其與纖維結(jié)合更加牢固，有效地提高纖維抗菌的長效性。如：Hassan M M等[15]用檸檬酸鈉原位還原銀離子為納米銀，制備了多功能聚丙烯腈纖維，具有良好的抗菌活性、防紫外線及抗靜電性能。在20次洗滌后，纖維失去輕微的抗菌活性。

目前，國內(nèi)外對大麻纖維抗菌功能改性的研究較少，主要是針對苧麻、黃麻、劍麻等麻類纖維進(jìn)行改性，一般是針對其柔軟度、染色性、機(jī)械強(qiáng)度、吸附性能等[16-19]。本研究以工業(yè)大麻纖維為基體材料，通過化學(xué)預(yù)改性，選擇性地使大麻纖維結(jié)構(gòu)中的部分羥基轉(zhuǎn)化為醛基，并利用纖維上羥基和醛基與銀源先驅(qū)體硝酸銀發(fā)生氧化還原反應(yīng)，原位合成納米銀顆粒，制備工業(yè)大麻纖維負(fù)載納米銀的復(fù)合功能材料，并對該復(fù)合材料的抗菌性能及耐洗滌性進(jìn)行測試，以期研制開發(fā)一種制備方法簡單、抗菌性能優(yōu)異且機(jī)械性能良好的新型抗菌工業(yè)大麻纖維材料，為我國抗菌材料市場提供良好的基材，能用于各種抗菌功能紡織品的開發(fā)及工業(yè)、民用水的殺菌消毒，減少細(xì)菌、真菌等微生物給人類帶來的健康危害及巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

工業(yè)大麻纖維(主體長度20.8 mm，支數(shù)1568 Nm，強(qiáng)度2.41 CN/tex)由湖南華升集團(tuán)有限公司提供。高碘酸鈉購自上海麥克林生化科技有限公司，硝酸銀、鹽酸羥胺購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，百里香酚蘭購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，氫氧化鈉、甲醇等購自湖南匯虹試劑有限公司，試驗用水為超純水，實驗室自制。

掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7500F，日本電子公司)、透射電子顯微鏡(TEM，F(xiàn)EI Tecnai G2，美國FEI公司)、X射線光電子能譜(Escalab 250Xi，Thermo Fisher Scientific公司)、XRD(Bruker D8、德國布魯克公司)、恒溫振蕩器(THZ-98C，上海一恒儀器有限公司)、鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9203A，上海精宏實驗設(shè)備有限公司)。

1.2 工業(yè)大麻纖維負(fù)載納米銀的制備

稱取1 g干燥平衡后的工業(yè)大麻纖維，放入18% NaOH溶液中，室溫下浸泡1 h，取出纖維，蒸餾水洗滌至中性，置于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重；再稱取0.5 g上述纖維，放入1.5% NaIO4溶液中，50 ℃ 避光180 r/min恒溫震蕩1 h，取出纖維，浸泡在0.1 mol/L丙三醇溶液中30 min，再用蒸餾水洗滌干凈，放置于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，測定纖維中醛基的含量；取0.3 g氧化纖維放入40 mL 0.01 mol/L的硝酸銀溶液中，在70 ℃下振蕩反應(yīng)6 h，取出纖維用蒸餾水洗凈，置于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重。

1.3 醛基含量測定

向250 mL錐形瓶中加入50 mL質(zhì)量濃度為20 g/L的鹽酸羥胺/甲醇溶液和4滴百里香酚蘭指示劑，此時溶液應(yīng)呈現(xiàn)黃色，若為紅色，則應(yīng)用0.03 mol/L氫氧化鈉/甲醇標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至黃色，不計所用氫氧化鈉溶液的體積；然后向錐形瓶中加入0.1500 g纖維樣品，室溫振蕩30 min，撈出纖維，用0.03 mol/L的氫氧化鈉甲醇溶液滴定至黃色，并且在30 s內(nèi)不褪變?yōu)榉奂t色，否則應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行滴定。按公式(1)計算胺基含量：

(1)

式中：

C—醛基含量，μmol/g；

V—滴定時消耗的0.03 mol/L氫氧化鈉/甲醇溶液的體積，mL；

W—纖維的質(zhì)量，g。

1.4 材料的表征

取適量纖維樣品粘在導(dǎo)電膠上，噴金測試，電壓15 kV，分辨率1.4 nm，采用電子顯微鏡觀察纖維微觀形貌；

將纖維切薄片，使用透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察；

將纖維材料充分打磨成粉末狀，在X射線光電子能譜儀上進(jìn)行復(fù)合物表面元素分析，以Al Ka作為X-射線激發(fā)源，測試壓力低于10-7Pa；

纖維樣品充分打磨成粉末狀后進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)檢測，測定條件為：Cu靶，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描角度2θ角(Bragg angle)自5°到90°變化，步距0.02。

1.5 抗菌活性測試

采用改良燒瓶振蕩法[20]，分別選用大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌為革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌代表。采用平皿計數(shù)法計算存活菌落數(shù)并按照公式(2)計算抗菌率，試驗重復(fù)3次。

(2)

1.6 耐洗滌性測試

用質(zhì)量濃度為0.1%的市售常規(guī)家用立白洗衣液，常溫洗滌纖維10次、30次后，40 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干，再按方法1.5做抗菌活性測試，計算抗菌率。

2 結(jié)果與分析

2.1 工業(yè)大麻纖維負(fù)載納米銀的制備

使用18%的氫氧化鈉溶液在室溫下浸泡纖維1 h，以釋放工業(yè)大麻纖維結(jié)構(gòu)中更多的反應(yīng)活性羥基，同時堿預(yù)處理法能夠降低纖維的結(jié)晶度，改善其可及度，有利于試劑與纖維的接觸，從而提高反應(yīng)活性[21]，反應(yīng)后纖維減重(10.08±0.58)%。隨后纖維與1.5%的NaIO4選擇性發(fā)生氧化反應(yīng)，將纖維大分子鏈上C2和C3上的羥基氧化成醛基，其過程中伴隨降解作用，主要是由于氧化反應(yīng)除了主鏈上鍵斷裂，纖維素分子鏈的還原末端還會發(fā)生“過度氧化”，導(dǎo)致高分子鏈上葡萄糖單元逐步脫落[22]。氧化降解副反應(yīng)的發(fā)生，對工業(yè)大麻纖維具有一定的侵蝕與剝離作用，導(dǎo)致纖維失重。反應(yīng)條件50 ℃，1 h，纖維減重(4.20±0.89)%，生成的醛基含量為(541.78±17.03)μmol/g。取0.3 g含醛基的大麻纖維放入40 mL 0.01 mol/L的硝酸銀溶液中，70 ℃振蕩反應(yīng)6 h，取出纖維，蒸餾水洗凈，40 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘干。得到的復(fù)合材料呈棕黃色且顏色均勻，見圖1。銀離子原位還原生長的機(jī)理為：Ag+首先被吸附在大麻纖維表面，然后被纖維上的醛基還原為 Ag，進(jìn)而聚集成核形成銀納米顆粒，而纖維由白色變?yōu)樽攸S色是因其表面等離子體振動而引起顏色變化[23]。

(a)原纖維 (b)負(fù)載納米銀纖維圖1 工業(yè)大麻纖維的形貌Fig.1 Morphology of hemp fiber

2.2 表征分析

由圖2可知，大麻原纖維的表面較為光滑，突兀不平，有明顯的豎條紋，紋絡(luò)清晰。負(fù)載納米銀的纖維表面粗糙，褶皺增多，這是由于高碘酸鈉氧化反應(yīng)造成纖維的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，有助于增加纖維的表面積，提高纖維的吸附性能。同時，纖維表面原位生長了大量尺寸均勻、圓形或近圓形的顆粒，且無明顯團(tuán)聚，尺寸約為10 nm，這些顆粒即為納米銀顆粒。

(a)工業(yè)大麻原纖維 (b)工業(yè)大麻負(fù)載納米銀纖維圖2 工業(yè)大麻纖維的SEM圖Fig.2 SEM of hemp fiber

由圖3可知，納米銀粒子基本呈現(xiàn)圓形或者近圓形，無明顯聚集現(xiàn)象，說明大麻纖維在反應(yīng)過程中不僅起到還原劑的作用，還能作為一種穩(wěn)定劑。這些顆粒的尺寸約為10～20 nm，與圖2分析結(jié)果一致。

圖3 工業(yè)大麻負(fù)載納米銀纖維的TEM圖Fig.3 TEM of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

采用XPS對工業(yè)大麻負(fù)載納米銀纖維表面元素及其價態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知，工業(yè)大麻負(fù)載納米銀纖維主要由C、O、N和Ag組成，原子百分比分別為65.52%、31.73%、1.72%和1.04%。對Ag3d進(jìn)行高頻掃描，得到Ag3d5/2和Ag3d3/2的結(jié)合能分別為368.18、374.08 eV，這兩個峰表明大麻纖維上的銀離子被還原生成了單質(zhì)銀，沒有形成氧化銀[24]，即大麻纖維表面分布的大量納米顆粒為原位組裝生成的單質(zhì)納米銀。

(a)寬掃描圖 (b)Ag3d 高分辨率掃描圖圖4 工業(yè)大麻負(fù)載納米銀纖維的XPS圖Fig.4 XPS of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

由圖5可知，工業(yè)大麻纖維在2θ=14.8°、22.6°處有特征峰，代表了(1ˉ10)、(200)晶面峰，經(jīng)過高碘酸鈉氧化后，發(fā)生了晶型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，大麻纖維在12.1°附近出現(xiàn)一個衍射峰，在20°～22°位置出現(xiàn)兩個衍射峰，說明由纖維素Ⅰ型轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅱ型的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[25]。但XRD圖中沒有出現(xiàn)納米銀特征衍射峰，可能是纖維上負(fù)載的納米銀含量太低，超出了XRD的檢出限，或者是由于纖維上所負(fù)載的納米銀是以無定形形式存在，沒有形成結(jié)晶態(tài)。從圖中還可以看出大麻纖維負(fù)載納米銀后纖維的整體結(jié)構(gòu)未被破壞。

圖5 工業(yè)大麻纖維的XRD圖Fig.5 XRD of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

2.3 抗菌活性及耐洗性測試

通過改良振蕩燒瓶法對工業(yè)大麻原纖、吸附銀離子纖維及負(fù)載納米銀顆粒纖維進(jìn)行抗菌活性測試，并將上述纖維用立白洗衣液常溫洗滌10次、50次后，進(jìn)行耐洗滌性能測試，結(jié)果見表1～3。根據(jù)GB/T 20944.3—2008，當(dāng)纖維對革蘭氏菌和白色念珠菌的抗菌率分別高于70%和60%時，纖維具有抗菌活性。結(jié)果顯示，工業(yè)大麻原纖維對致病菌沒有抗菌活性。物理吸附銀離子的纖維在短期內(nèi)(1 h)不顯示抗菌性，24 h后顯示出優(yōu)異的抗菌性，抗菌率達(dá)99.99%以上。負(fù)載納米銀顆粒纖維1 h即表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。纖維洗滌50次后，負(fù)載納米銀顆粒纖維的抗菌性能(24 h)幾乎保持不變，仍在99.98%以上，短期內(nèi)(1 h)的抗菌率有所下降，但對細(xì)菌的抗菌率仍保持在90%以上，對真菌的抗菌率在85%以上。因此，負(fù)載納米銀顆粒的工業(yè)大麻纖維具備高效、優(yōu)異的抗菌性能和良好耐洗滌性能。

表1 工業(yè)大麻纖維對致病性大腸桿菌的抗菌活性Table 1 The antibacterial activities of hemp fibers against E.coli

表2 工業(yè)大麻纖維對金黃色葡萄球菌的抗菌活性Table 2 The antibacterial activities of hemp fibers against S.aureus

表3 工業(yè)大麻纖維對白色念珠菌的抗菌活性Table 3 The antibacterial activities of hemp fibers against

3 結(jié)論

通過高碘酸鈉氧化反應(yīng)使工業(yè)大麻纖維的纖維素大分子葡萄糖環(huán)C2—C3 鍵斷裂開，兩個仲羥基被氧化成醛基，以硝酸銀為銀源先驅(qū)體，通過硝酸銀與大麻纖維上的活性反應(yīng)基團(tuán)羥基和醛基間的氧化還原反應(yīng)原位合成納米銀顆粒，制備了工業(yè)大麻負(fù)載納米銀抗菌纖維。在制備過程中纖維發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，起還原劑和載體/基體雙重作用，在一定程度上減少了化學(xué)藥品的危害。原位還原法在一定程度上提高了納米顆粒的負(fù)載率，使其與纖維結(jié)合更加牢固，有效地提高了纖維的抗菌能力。SEM、TEM、XPS結(jié)果表明，納米銀顆粒為圓形或近圓形，平均粒徑為10～20 nm，均勻的生長在纖維表面。復(fù)合材料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率在洗滌50次后基本不變，均在99.98%以上。