加载纳米麦饭石再生丝素蛋白材料的远红外升温与抗菌性能研究

王建南, 杨高强, 裔洪根, 殷 音

(苏州大学a.现代丝绸国家工程实验室; b.纺织与服装工程学院; c.实验动物中心,江苏 苏州 215123)

研究与技术

加载纳米麦饭石再生丝素蛋白材料的远红外升温与抗菌性能研究

王建南a,b, 杨高强b, 裔洪根a, 殷 音c

(苏州大学a.现代丝绸国家工程实验室; b.纺织与服装工程学院; c.实验动物中心,江苏 苏州 215123)

基于麦饭石的功能,研究加载纳米麦饭石的再生丝素蛋白多孔材料的远红外升温与抗菌性能。研究结果表明:加载纳米麦饭石的多孔材料的升温速率均高于纯丝素多孔材料,尤以短时间升温速率更显著。在远红外灯光照射5 min时,加载10%纳米麦饭石多孔材料的升温速率比纯多孔材料的升温速率提高1倍以上,当多孔材料的温度不再变时,纯多孔材料和加载10%纳米麦饭石多孔材料的升温率分别为55.78%和83.41%。加载纳米麦饭石的多孔材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抗菌性能,抑菌率分别为95%和98%左右。

丝素; 纳米麦饭石; 多孔材料; 远红外升温速率; 抗菌性能

红外技术的迅速发展,使高辐射率材料的研究越来越受到关注。具有远红外性能的保健产品也受到了消费者的青睐,并已经在医疗及一些生产生活中得到广泛应用。在医疗领域[1-2]及在纤维与纺织品领域也正在进行着广泛的研究,并已取得了重要的进展[3-6]。

麦饭石是一种矿石,呈现出多孔状和海绵状结构,具有优良的生物活性和吸附性能,对细菌具有很好的吸附性从而抑制细菌的活性。麦饭石含有微量的抗菌性锌,能以离子键结合镁和钾等金属及其盐类,对人体具有保健功能[7]。麦饭石具有远红外线发射功能,能够发射出8～15 μm的远红外波长,在人体所能吸收的远红外线波段内,发射率高,从而显示出良好的远红外性能[8]。基于麦饭石的抗菌性和远红外功能,已经应用于纺织品功能的开发,如麦饭石纤维、麦饭石改性黏胶纤维及其织物等[9-11],麦饭石黏胶纤维织物的远红外线波段发射率达80%,而纯棉织物为75%[10]。研究指出聚丙烯-麦饭石功能纤维的抗菌率在90%以上,而且水洗50次后抗菌率基本不变,具有很好的吸附和抑菌作用[12]。

本文主要研究一种加载纳米麦饭石再生丝素蛋白多孔材料的远红外升温性能，及其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

1 试 验

1.1 材料与仪器

材料:生丝(44.4/48.9 dtex,如皋春秋丝绸有限公司),麦饭石粉末(上海沪正纳米科技有限公司),透析袋(截留相对分子质量12～14 kDa,上海西巴斯生物技术有限公司),金黄色葡萄球菌、大肠杆菌(广东环凯微生物科技有限公司),蛋白胨、酵母抽提物(宝生物工程有限公司),琼脂粉(国药集团化学试剂苏州有限公司)。

仪器:Marin Christ RC6冷冻干燥机(德国Marin Christ 公司),MO7-492低温冰箱(日本三洋电器集团),远红外灯(广东佛山飞利浦有限公司),SW-CJ-1FD超净工作台(苏州净化设备有限公司),LRH-250A生化培养箱(韶关泰宏医疗器械有限公司)。

1.2 制备及测定

1.2.1 再生丝素蛋白溶液的制备

将生丝以1︰50(w︰v)的浴比于Na2CO3水溶液中脱胶处理,重复3次,前两次Na2CO3质量分数为0.1%,第三次为0.06%。脱胶后的丝素以1︰10(w︰v)的浴比溶解于三元溶液CaCl2·CH3CH2OH·H2O(摩尔比1︰2︰8),(72±2)℃水浴搅拌使其完全溶解。将溶液装入透析袋置于去离子水中4 ℃透析3 d,得再生丝素蛋白水溶液。最后浓缩、称重法测定丝素蛋白溶液浓度。

1.2.2 丝素多孔材料制备

将4 g麦饭石粉末放入46 mL的水中,连续搅拌均匀配制8%的纳米麦饭石悬液,以丝素蛋白与麦饭石以50︰0、49︰1、48︰2、47︰3、46︰4和45︰5的质量比加入纳米麦饭石悬液,连续搅拌、均匀混合,再加入丝素质量30%的甘油搅拌均匀。量取10 mL混合溶液移入直径9 cm的培养皿中,去除表面液泡,快速放入-80 ℃冰箱中预冻2 h,取出后冷冻干燥获得丝素多孔材料。多孔材料用去离子水浸泡3 d,再冻干备用。

1.2.3 抗菌性能测定

挑取冻存的菌种(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌)在琼脂营养基(质量比蛋白胨︰酵母抽提物︰氯化钠︰琼脂粉为2︰1︰1︰3,灭菌)平皿上划线、37 ℃培养24 h,挑单菌落放入200 mL营养基中37 ℃振荡培养24 h,获得菌液浓度为1×109～5×109CUF/mL。

分别在装有丝素多孔材料的三角烧瓶中加入75 mL浓度1×104～9×104CUF/mL的菌悬液,37 ℃振荡培养24 h。然后取1 mL菌液1︰10稀释于9 mL PBS缓冲液(2.84 gNa2HPO4,1.36 g K2HPO4,用去离子水定容至1 000 mL配制而成),同样的方法配成1︰100的稀释液和1︰1 000的稀释液。取未稀释和1 000倍稀释菌液各1 mL,加入15 mL新鲜的琼脂营养基混合均匀后,37 ℃静置培养(48±2)h,取出,计算菌落总数。试验重复3次,取平均值。

1.2.4 远红外升温性能测定

将样品放在起始温度为25 ℃,相对湿度为60%的温室中,距离样品20 cm,用远红外灯(4～1 000 μm)照射,记录照射0(起始温度)、5、10、15、20、60、100 min时多孔材料的温度,计算升温速率。

2 结果与分析

2.1 远红外升温性能分析

图1是不同纳米麦饭石含量的丝素多孔材料的远红外升温曲线。在远红外线的照射下,加载纳米麦饭石的多孔材料的升温速率明显高于未改性的纯(未加载麦饭石)丝素多孔材料,并随着麦饭石浓度的增加,升温速率持续提高。尤其在10 min内,共混多孔材料的升温速率明显高于纯丝素多孔材料,随后温度均呈缓慢升高。

在远红外灯光照射5 min时,纯丝素多孔材料的升温率为30%左右,加载2%的纳米麦饭石以后,丝素多孔材料的升温速率提高约1.5个百分点,而加载10%麦饭石的多孔材料的升温速率提高1倍以上,达63%左右。随着照射时间的延长,丝素多孔材料的升温率逐渐增加,但增加幅度减缓,当照射60 min开始趋于稳定,随着加载麦饭石浓度的递增,升温率分别为54.98%、55.61%、59.12%和81.75%;在100 min后,各种多孔材料的温度基本不再改变,最终升温率分别为55.78%、55.89%、60.95%和83.41%。

图1 不同纳米麦饭石含量的丝素多孔材料的远红外升温性能Fig.1 Far infrared heating of silk blend porous materials containing different contents of nanometer maifan stones

从图1可以明显看出,加载纳米麦饭石的丝素多孔材料的升温速率尤其是短时间升温速率明显快于纯丝素多孔材料,说明纳米麦饭石可以显著地改善丝素蛋白材料的远红外性能。

2.2 抗菌性能分析

2.2.1 对大肠杆菌的抗菌能力

本文主要分析了纯丝素多孔材料和加载纳米麦饭石多孔材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌能力。图2是多孔材料抗大肠杆菌试验后的平皿照片。由图2可以看出,在稀释相同的倍数下,加载纳米麦饭石的丝素多孔材料的培养皿上,菌落数均比纯丝素多孔材料的明显少得多,并随着添加麦饭石含量的增加,琼脂培养皿上的菌落数逐渐减少。

A:0;B:2%;C:4%;D:6%;E:8%;1:未稀释的菌液;2:稀释1 000倍的菌液图2 不同纳米麦饭石含量的丝素多孔材料抗大肠杆菌照片Fig.2 Photographs of antibacterial property of silk blend porous materials containing different contents of nanometer maifan stones (Escherichia coli)

图3是采集稀释1 000倍的平皿菌落数及计算所得对大肠杆菌的抑菌率。图3显示,当添加含纳米麦饭石为2%的丝素多孔材料的抑菌率已经达到90%以上,随着添加麦饭石含量的递增,抑菌率逐渐增加。当纳米麦饭石含量为8%时,丝素多孔材料对大肠杆菌的抑菌率达95%左右。

图3 加载纳米麦饭石丝素多孔材料对大肠杆菌的抑菌能力Fig.3 Antibacterial ability of silk blend porous materialscontaining nanometer maifan stones (Escherichia coli)

2.2.2 对金黄色葡萄球菌的抗菌能力

图4是多孔材料抗金黄色葡萄球菌试验后的平皿照片。由图4可知,与纯丝素多孔材料对照样比较,加载纳米麦饭石的丝素多孔材料的琼脂培养皿中,金黄色葡萄球菌的菌落数明显减少,并同样随着纳米麦饭石比例的增加而逐渐减少。

A:0;B:2%;C:4%;D:6%;E:8%;1:未稀释的菌液;2:稀释1 000倍的菌液图4 不同纳米麦饭石含量的丝素多孔材料抗金黄色葡萄球菌照片Fig.4 Photographs of antibacterial property of silk blend porous materials containing different contents of nanometermaifan stones (Staphylococcus aureus)

图5是采集稀释1 000倍的平皿菌落数及对金黄色葡萄球菌的抑菌率。图5显示,抗菌丝素多孔材料中加载的纳米麦饭石含量从2%递增到8%,抑菌率连续提高。当添加的纳米麦饭石仅为2%时,丝素多孔材料的抑菌率已超过90%;当纳米麦饭石含量大于4%时,多孔材料对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到95%以上;含量为8%时,抑菌率达98%左右。

图5 加载纳米麦饭石丝素多孔材料对金黄色葡萄球菌的抑菌能力Fig.5 Antibacterial ability of silk blend porous materials containing nanometer maifan stones (Staphylococcus aureus)

3 结 论

研究了加载纳米麦饭石的丝素多孔材料的远红外升温性能和抗菌性能,研究结果显示,纳米麦饭石能显著提高丝素多孔材料的升温速度,尤其是短时间(10 min)升温速率显著高于纯丝素多孔材料,稳定后的最终升温率也明显提高。加载纳米麦饭石的丝素多孔材料对大肠杆菌的抑菌率达95%左右,对金黄色葡萄球菌的抑菌率约为98%。结果表明,加载纳米麦饭石的丝素多孔材料具有更好的保温性能和抗菌性能。

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Study on the Far Infrared Heating and Antibacterial Properties of Regenerated Silk Fibroin Materials Loaded Nanometer Maifan Stone

WANG Jiannana,b, YANG Gaoqiangb, YI Honggena, YIN Yinc

(a.National Engineering Laboratory for Modern Silk; b.College of Textile and Clothing Engineering;c. Laboratory Animal Research Center, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Based on the functions of maifan stone, this paper studied the far infrared heating and antibacterial property of regenerated silk fibroin porous materials loading nanometer maifan stone. The experimental results showed that: the heating rates of silk fibroin porous materials with nanometer maifan stone were all higher than that without maifan stone, especially the short time heating rate. After irradiation for 5 min, the heating rate of porous material with 10% nanometer maifan stone increased more than one times than pure porous material. The final heating rates of pure porous material and 10% nanometer maifan stone loaded porous material were 55.78% and 83.41%, respectively. The antibacterial properties onEscherichiacoliandStaphylococcusaureusof nanometer maifan stone loaded silk fibroin porous materials were better than those with no nanometer maifan stone, which were about 95% and 98%.

silk fibroin; nanometer maifan stone; porous materials; far infrared heating rate; antibacterial property

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.04.001

2014-09-30;

2014-12-25

国家自然科学基金项目(51173125,51473108);苏州市科技发展计划项目(ZXS2012002,SS201415)

王建南(1970-),教授,主要从事功能蚕丝材料的研究。

TS143.2

A

1001-7003(2015)04-0001-04 引用页码: 041101