可直接还原银纳米粒子的儿茶酚基聚合物膜的制备及抗菌性能研究*

施冬健，张　蕾，刘蓉瑾，胡　娜，陈明清

(1. 江南大学 化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122;2. 江阴职业技术学院 化学与纺织工程系，江苏 江阴 214405)



可直接还原银纳米粒子的儿茶酚基聚合物膜的制备及抗菌性能研究*

施冬健1，张蕾1，刘蓉瑾1，胡娜2，陈明清1

(1. 江南大学 化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122;2. 江阴职业技术学院 化学与纺织工程系，江苏 江阴 214405)

摘要：将预先合成的聚合物PVA-DOPA与PVA共混制备聚合物膜PVA/PVA-DOPA；由于含儿茶酚基的3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)具有氧化还原活性，可直接利用PVA/PVA-DOPA聚合物还原银纳米粒子并使其负载在PVA/PVA-DOPA膜表面。紫外可见光谱表明，PVA-DOPA与Ag+作用时，发生氧化还原反应，酚羟基被氧化成醌，在415 nm处出现特征吸收峰。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜，可观察到聚合物膜表面Ag纳米粒子的形态；并通过热失重分析计算出PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的负载量。抗菌性研究测试表明制得的聚合物膜具有良好的抗菌性。因而，PVA/PVA-DOPA聚合物膜可用作抗菌性包装材料、涂层材料和生物医用材料等多种功能材料。

关键词：聚乙烯醇；3,4-二羟基苯丙氨酸；银纳米粒子；抗菌性

0引言

聚乙烯醇(PVA)是一种水溶性高分子，具有许多优异的性能，如分子结构规整、生物相容性良好、成纤/成膜性和机械性能优异、高透明性、耐化学性以及热稳定性等[1-2]。不仅如此，PVA还能形成非常强韧、耐撕裂和耐磨损的膜，且拉伸强度高于普通塑料。这些优良性能使其在建筑业、食品业、医疗等多个领域有广泛的应用价值。而在食品及生物医疗领域中，为防止细菌的附着和增殖，制备功能PVA抗菌膜是十分必要的[3]。目前，已有研究报道向PVA中加入具有抗菌性的Ag粒子、碱式次氯酸镁、多肽或铵盐基团的聚合物[4-6]等，以提高PVA功能膜的抗菌能力。其中，纳米尺度的银具有广谱、高效、持久的抗菌性，是无毒的和环境友好的抗菌材料，研究发现其对大肠杆菌、白念球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎杆菌、枯草杆菌、霉菌等十六种细菌都有抑制和杀灭作用[7-8]。纳米银一般用化学还原法制备，但需在材料中添加硼氢化钠和柠檬酸钠等小分子还原剂[9]，而这些还原剂有可能影响膜材料的性质。3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)是一种含有儿茶酚基的生物基单体，来源于海洋生物[10]，它具有很强的粘附性，可粘附在无机、金属、金属氧化物和过渡金属衍生物等多种基材的表面，对金属离子也具有很好的络合能力。同时，DOPA还具有氧化还原活性，可还原大部分的过渡金属[11-12]。因此，含有DOPA的聚合物，不仅易于附着于材料表面，而且易于与Ag+络合，其氧化还原性还可将Ag+还原成纳米尺度的Ag，使其具有抗菌性。

本文设计通过酯化反应将DOPA接入PVA的侧链，将得到聚合物PVA-DOPA与PVA共混制备PVA/PVA-DOPA，并利用DOPA的氧化还原性直接一步还原Ag+，制备负载Ag纳米粒子的聚合物膜PVA/PVA-DOPA/Ag0。通过改变聚合物膜中DOPA的含量控制其对Ag+的还原，从而可控制Ag纳米粒子的含量。通过UV-Vis、XRD、TGA、SEM和TEM等表征验证其氧化还原机理，并研究聚合物膜PVA/PVA-DOPA/Ag0的表面形貌和抗菌性。

1实验

1.1实验原料

3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA，99%，阿拉丁)，聚乙烯醇(PVA，1799，四川维纶)，硝酸银(AR，国药集团)和琼脂粉(BR，国药集团)，实验用水均为去离子水。

1.2实验方法

1.2.1PVA/PVA-DOPA膜的制备

PVA-DOPA聚合物的制备方法参见前期研究[13]。简单说明如下，控制PVA和DOPA的摩尔比，将12mmolPVA1799在100 ℃的条件下溶于30mLDMSO中，待溶解后加入NaHSO4·H2O为催化剂；温度降至80 ℃时，加入不同量的DOPA，N2保护下反应24h，反应结束后待温度降至室温时停止通N2，将溶液滴入到丙酮中沉淀，抽滤，用无水乙醇洗涤3次，所得白色固体在50 ℃下干燥24h，备用。制备的PVA-DOPA为PVA-DOPA12、PVA-DOPA8和PVA-DOPA3，其中DOPA的接枝率分别为80%，50%和10%。

将PVA(800mg)加入25mL去离子水中，加热搅拌至完全溶解，温度降至室温后，再加入PVA-DOPA(125mg)，搅拌均匀，待溶解后将混合溶液倒入四氟乙烯板中，溶剂挥发后可制得PVA/PVA-DOPA膜(如图1(a))。

1.2.2PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的制备

将制得的PVA/PVA-DOPA3、PVA/PVA-DOPA8、PVA/PVA-DOPA12膜分别浸泡在不同浓度的AgNO3溶液中，在25 ℃下静置24h，即可制得附着了Ag纳米粒子的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜(如图1(b))，DOPA的氧化还原Ag纳米粒子的示意图如图1(c)所示。

图1PVA/PVA-DOPA膜,PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的光学照片和PVA-DOPA还原Ag+的示意图

Fig1OpticalphotosofthePVA/PVA-DOPAfilms,PVA/PVA-DOPA/Ag0filmsandthereductionschematicofsilverionsbyPVA-DOPA

1.2.3PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的结构与性能表征

采用紫外-可见分光光度计测定吸收光谱：将AgNO3和PVA-DOPA分别配制成0.2和0.1mg/mL的水溶液，用紫外-可见分光光度计测定其吸收光谱。将上述配制的两种溶液混合，静置一段时间后，用紫外-可见分光光度计测定其吸收光谱。

采用德国布鲁克公司型号为D8的X射线衍射仪对聚合物膜PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0的组成进行分析，扫描范围30～80°，速率4°/min。

采用瑞士梅特勒-托利多型号为1100SF的热重分析仪在N2气氛中对PVA、PVA/PVA-DOPA及PVA/PVA-DOPA/Ag0聚合物膜的热失重率进行测定，并计算PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的负载量，N2流速为20mL/min，温度范围为25～800 ℃，升温速率20 ℃/min。

采用日立S-4800的场发射扫描电子显微镜对样品膜的表面形貌进行观察，将聚合物膜PVA、PVA/PVA-DOPA及PVA/PVA-DOPA/Ag0贴在带有导电胶的样品台上，喷金后在场发射扫描电子显微镜下进行观察。

采用日立JEM-2100的透射电子显微镜下对其结果进行观察样品膜的形态特征，将PVA-DOPA和PVA的混合溶液(PVA-DOPA的浓度为2.5mg/mL)与4mg/mL的AgNO3溶液混合，滴在铜网上，干燥后在透射电子显微镜下进行观察。

采用革兰氏阴性代表细菌大肠杆菌(E.coli)作为实验菌株进行抗菌性能评价。菌株进行活化、分离、筛选培养，传代3次后选取对数期的菌株，配制成浓度为1×108～5×108CFU/mL的细菌悬浊液作为接种液，PVA/PVA-DOPA膜和PVA/PVA-DOPA/Ag0膜裁成直径为1cm的圆片，放在表面涂有大肠杆菌接种液的固体琼脂培养基上，于37 ℃的培养箱中培养24h，观察细菌在所制得膜周围的生长情况，考察PVA/PVA-DOPA/Ag0的抗菌性。

2结果与讨论

2.1PVA-DOPA中DOPA的氧化还原性

DOPA具有氧化还原活性，可将金属离子还原成金属单质。在此过程中，其自身发生氧化反应变成醌，颜色变深。图2是AgNO3溶液、PVA-DOPA12溶液、PVA-DOPA12和AgNO3混合溶液所测得的紫外吸收光谱。从图中可以看出，AgNO3溶液在紫外吸收光谱中无明显特征吸收峰；PVA-DOPA中未氧化的儿茶酚基的特征吸收峰为λmax=280nm；将PVA-DOPA溶液和AgNO3溶液混合后，静置一段时间，可观察到混合溶液的颜色变深，变成棕色。紫外吸收光谱中也可明显看到415nm处出现了氧化形成的醌特征吸收峰[14]，说明DOPA具有氧化还原性质。但415nm处的峰较宽，推断是400nm处有纳米Ag粒子的表面等离子共振峰，两峰因重叠而引起的，这也说明了纳米银的存在。

图2AgNO3，PVA-DOPA12和PVA-DOPA12/AgNO3的紫外吸收光谱

Fig2UV-VisspectraofAgNO3,PVA-DOPA12andPVA-DOPA12/AgNO3

2.2Ag纳米粒子的结构分析

图3是聚合物膜PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0(以PVA/PVA-DOPA12/Ag0为例)的XRD衍射图。对于PVA/PVA-DOPA复合物(图3(a))，XRD中观察不到特征衍射峰。PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的XRD衍射图(图3(b))中，38.2，44.6，64.2和77.1°处出现4个峰。通过对比JCPDS标准卡可知这4个峰是由于Ag的(111)、(200)、(220)和(311) 4个晶面的布拉格衍射而形成的[15]。样品的衍射峰很尖锐，表明银粒子具有良好的面心立方结构，且晶型很好；根据Scherrer公式计算出纳米银粒子的平均粒径为 8.87nm。XRD结果表明PVA/PVA-DOPA膜与AgNO3溶液发生了氧化还原作用，Ag+被还原形成了纳米粒子。

图3PVA/PVA-DOPA12和PVA/PVA-DOPA12/Ag0的XRD衍射图

Fig3XRDpatternsofPVA/PVA-DOPA12andPVA/PVA-DOPA12/Ag0

2.3Ag纳米粒子的负载量

为分析Ag纳米粒子在不同DOPA含量的聚合物膜上的负载量，用热失重对PVA、PVA/PVA-DOPA12、PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜进行测试，结果如图4所示。从图中可以看出，800 ℃时，PVA和PVA/PVA-DOPA12膜的质量损失分别为95.6%和86.7%。当Ag负载于膜，PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的质量损失分别为82.9%，76.0%和68.8%。由此可以证明，Ag纳米粒子成功负载在PVA/PVA-DOPA膜上。通过计算可得PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜上负载Ag纳米粒子的质量分数分别约为4%，11%和18%。说明DOPA接枝率的增加可以增加Ag纳米粒子的负载量，同时说明了Ag的还原和负载主要是由于DOPA的氧化还原作用。

图4PVA、PVA/PVA-DOPA及不同DOPA含量的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的热失重曲线

Fig4TGAthermogramsofPVA,PVA/PVA-DOPAandPVA/PVA-DOPA/Ag0filmswithvariousDOPAcompositionsunderN2condition

2.4聚合物膜及Ag纳米粒子的形态大小

通过SEM可对聚合物膜的表面形貌进行研究，图5是聚合物膜PVA、PVA/PVA-DOPA12及PVA/PVA-DOPA12/Ag0在不同放大倍率下的扫描电镜照片。

将PVA/PVA-DOPA12膜浸泡在AgNO3水溶液中，儿茶酚基被氧化成醌，进而由Ag+照片中可明显看出，PVA膜的表面是平整、光滑的，即使在2万倍的放大倍率下依然很平滑，PVA-DOPA12的加入使得膜表面变得粗糙，出现褶皱状的表面形貌。被还原成Ag纳米粒子。从图中可以看出Ag纳米粒子为立方结构，均匀地分散在PVA/PVA-DOPA12膜的表面，且计算得到Ag粒子的大小为约12nm，与XRD结果基本符合。改变DOPA的含量，研究结果表明Ag纳米粒子结构与大小没有变化。

进一步用TEM观察Ag纳米粒子的形貌，从照片中可清楚地观察到(图6)，PVA/PVA-DOPA12表面负载了Ag纳米粒子，说明DOPA通过氧化还原作用将Ag+被还原成Ag纳米粒子。通过计算，还原得到的Ag纳米粒子的粒径约为12nm，但少数Ag纳米粒子发生了聚集。

2.5聚合物膜的抗菌性

纳米银已被证明具有较好的抗菌性，主要是由带负电的纳米银穿透细胞壁进入细菌内，与细胞合成酶的巯基反应，破坏细胞合成酶的活性，细菌因此丧失分裂增殖的能力而死亡；纳米银从死亡的菌体游离出来，再发挥作用进行杀菌，如此反复，因此其抗菌效果优良、持久。

图5PVA、PVA/PVA-DOPA12及PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的扫描电镜照片

Fig5SEMimagesofPVA,PVA/PVA-DOPA12andPVA/PVA-DOPA12/Ag0films

图6　PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的透射电镜照片

为检测PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的抗菌性，选用大肠杆菌为模型细菌，将PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0两种膜材料分别置于含有大肠杆菌的培养皿中，在37 ℃的培养箱中培养24h后观察大肠杆菌的生长情况，结果如图7所示。从图中可看到，PVA/PVA-DOPA聚合物周围长满了细菌没有抗菌圈(图7(a))，说明其不具有抗菌性。同样条件下，PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的周围都出现明显的抑菌圈，其抑菌圈面积的大小即为样品抗菌能力的大小，以游标卡尺测量抑菌圈的半径，PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的抗菌圈约为(0.8±0.05)cm(图7(b))，而PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA3/Ag0膜的抗菌圈分别约为(0.6±0.05)和(0.5±0.1)cm(图7(c)、(d))，说明负载了Ag纳米粒子的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜具有显著的抗菌性，且DOPA含量越高，还原的Ag纳米粒子量也越高，致使其抗菌性增强。以上结果证明，DOPA可直接还原Ag离子，且可以通过调节聚合物膜中DOPA的含量，以控制Ag的负载量，从而实现对膜材料抗菌性能的调控。

图7PVA/PVA-DOPA,PVA/PVA-DOPA12/Ag0,PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA3/Ag0膜的抗菌性

Fig7Anti-bacterialacitivititiesofPVA/PVA-DOPA,PVA/PVA-DOPA12/Ag0,PVA/PVA-DOPA8/Ag0andPVA/PVA-DOPA3/Ag0films

3结论

用功能性聚合物PVA-DOPA与PVA共混制备聚合物膜，并利用DOPA对金属离子的还原性，直接一步制备负载Ag纳米粒子的抗菌性聚合物膜。紫外-可见光谱表明，PVA-DOPA与Ag+作用时，发生氧化还原反应，酚羟基被氧化成醌，在415nm处出现特征吸收峰。通过X射线衍射证明，PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的表面存在Ag，并通过热失重曲线可计算出PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的含量。扫描电子显微镜和透射电子显微镜中，也可明显观察到Ag纳米粒子的存在。经抗菌性测试，制得的聚合物膜具有较好的抗菌性，且可通过聚合物中DOPA的含量调控Ag纳米粒子的负载量及抗菌性。因而，PVA/PVA-DOPA聚合物膜可用作抗菌性包装材料、涂层材料和生物功能材料用于多个领域。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07017-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51173072)；中央高校科技自主资助项目(JUSRP51408B)

作者简介：施冬健(1979-)，女，江苏启东人，副教授、博士，主要研究方向为功能高分子材料。

中图分类号：O631.3

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.004

Preparation of catechol-based polymer film for direct reduction silvernanoparticleanditsantibacterialproperty

SHI Dongjian1, ZHANG Lei1, LIU Rongjin1, HU Na2, CHEN Mingqing1

(1.TheKeyLaboratoryofFoodColloidsandBiotechnology,MinistryofEducation,SchoolofChemicalandMaterialEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.SchoolofChemicalandTextileEngineering,JiangyinPolytechnicCollege,Jiangyin214405,China)

Abstract:PVA/PVA-DOPA polymer film was prepared by blending PVA and pre-synthesized PVA-DOPA. Since 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA), a compound containing catechol groups, has the oxidation-reduction property, Ag nanoparticles could be directly reduced and then loaded on the PVA/PVA-DOPA polymer film. UV-visible spectrum of the PVA-DOPA/Ag+ mixture showed the presence of a new broad absorption at λmax=415 nm, which assigned to the special adsorption peak of the oxidized quinone groups. This result indicated the occurring oxidation-reduction reaction of DOPA. SEM and TEM images of the PVA/PVA-DOPA/Ag0 films showed that the Ag0 nanoparticles were formed on the surface of the PVA/PVA-DOPAfilms.The amount of the silver nanoparticles loaded on the PVA/PVA-DOPA films was calculated by TGA diagram. Antimicrobial assessment showed that the prepared PVA/PVA-DOPA/Ag0 film has a high antibacterial activity.Thus, the PVA/PVA-DOPA polymer film has the potential applications as antibacterial package material, coating material and bio-functional material in many fields.

Key words:poly(vinyl alcohol); 3,4-dihydroxyphenylalanine; silver nanoparticle; antibacterial property

收到初稿日期：2015-07-13 收到修改稿日期：2015-11-18 通讯作者：施冬健，E-mail:djshi@jiangnan.edu.cn, 陈明清