应用电子束辐射技术的抗菌改性聚酯纳米纤维膜

范晓燕， 刘 颖， 潘能宇， 李 蓉， 任学宏， HUANG Tung-Shi

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 奥本大学 家禽科学系， 阿拉巴马州 奥本 36849)

应用电子束辐射技术的抗菌改性聚酯纳米纤维膜

范晓燕1， 刘 颖1， 潘能宇1， 李 蓉1， 任学宏1， HUANG Tung-Shi2

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 奥本大学 家禽科学系， 阿拉巴马州 奥本 36849)

为制备一种高效抗菌生物材料，以生物可降解材料聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) (P(3HB-4HB))和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)为基材，合成了一种新型含有季铵基团的卤胺抗菌剂单体；采用静电纺丝技术制备出P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维膜；利用电子束辐射技术将合成的单体接枝共聚到纳米纤维膜，最后经次氯酸钠氯化得到抗菌纤维膜。探讨了P(3HB-4HB)、PBAT组成对纤维膜表面形貌的影响，以及辐射量、单体浓度对纤维膜含氯量的影响，同时分析了抗菌纤维膜的耐紫外稳定性、储存稳定性。结果表明：P(3HB-4HB)/PBAT抗菌纳米纤维膜在5 min内即可将金黄色葡萄球菌和大肠杆菌全部杀死，显示出优异的抗菌性能，实现了卤胺抗菌剂和化学惰性材料的共价键合作用，有望应用于食品包装、生物医学等领域。

生物可降解； 电子束辐射； 卤胺化合物； 季铵盐； 抗菌性

细菌、真菌等微生物在日常生活中无处不在。过多的致病微生物一旦侵入人体，就会给人类健康带来严重的隐患，例如组织的破坏、患者残疾、甚至死亡。同时微生物还会引起各种材料的分解、变质和腐败，带来重大的经济损失。有研究报道称，制备抗菌膜是提高安全、保证质量的有效措施[1-3]。

目前，研究中常用的抗菌剂有无机金属及其氧化物、有机金属、季磷盐、双胍类、壳聚糖及其衍生物、季铵盐、卤胺化合物等。其中卤胺抗菌剂最为理想，具有广谱抗菌、杀菌速度快、耐洗性好以及抗菌功能可再生等优点，在高分子和纤维上的应用具有巨大的潜力[4-7]。此外，卤胺抗菌材料的抗菌性能很大程度上与其活性比表面积有关。纳米纤维可通过提高比表面积来增大抗菌剂与微生物接触的可能，从而提高抗菌效率。而静电纺丝技术制备得到的产物具有多孔性、大比表面积、小的纤维直径和均一性好等特点，是制备抗菌纳米纤维膜的良好手段[7]。另一方面，季铵盐类抗菌剂使用范围也很广泛，其抗菌性能虽然没有卤胺类高效，但具有良好的亲水性，可赋予材料抗菌性能和亲水性能双重作用，提高其应用价值。

随着人们环保意识的提高，脂肪族生物可降解材料逐渐受到人们的广泛关注。其中，聚羟基丁酸酯(PHB)是典型代表，具有良好的生物降解性、生物相容性、光学活性等，但是，PHB高结晶度、韧性差、自身疏水，这也就限制了其在某些方面的应用。所以近年来其共聚物P(3HB-4HB)受到许多科研工作者的广泛研究，机械和加工性能可由3HB和4HB的组成比例调节[8, 9]。尽管如此，P(3HB-4HB)仍然不能满足其实际应用。一种有效、简便的改善方法是与可塑性材料或柔性材料混合；其中，生物可降解材料聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是不错的选择[10-12]。

电子束辐射技术(EB)是利用电子加速器产生的高能电子束以及由它引发的高度活性中间物，对被辐射物质进行加工处理。处理过程中无需引发剂，易控制、可高效连续操作、能耗低、产品纯度高、污染少等，且对待处理材料形态、环境温度没有苛刻要求。目前，已在棉织物[13-14]、涤纶[15]、微晶纤维素[16]、聚丙烯腈[17]、乙烯醋酸乙烯酯共聚物[18]等改性方面有相关文献的报道。

鉴于以上所述，本文合成新型含有季铵基团的卤胺抗菌剂单体；以P(3HB-4HB)与PBAT作为基材，采用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜；然后采用电子束辐射技术对其接枝改性制备出抗菌纤维膜，并进行相关表征与性能测试。

1 实验部分

1.1 实验材料

P(3HB-4HB)(工业级，30万分子量)购于天津国韵生物材料有限公司；PBAT(工业级，8万分子量)购于巴斯夫有限公司，5,5-二甲基海因(DMH)购于河北亚光精细化工有限公司；1-溴-2-氯乙烷、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)、对苯二酚购于百灵威科技有限公司；其余试剂均购于国药集团化学试剂公司。

1.2 实验方法

1.2.1 单体的合成

称取0.1 mol DMH，0.1 mol NaOH加入100 mL乙醇使其充分溶解，90 ℃反应10 min后降温，加入0.1 mol 1-溴-2-氯乙烷，于80 ℃冷凝回流8 h。反应结束后，旋转蒸发去除溶剂，经提纯得到白色晶体，即为产物3-(2-氯乙基)-5,5-二甲基海因(CEDMH)[19]，产率为87.6%。

按照物质的量比为1∶1.3，称取适量DMAEMA与CEDMH在DMF中完全溶解，加入一定量KI和少量对苯二酚，在N2保护下于80 ℃反应24 h。反应结束后，过滤去除副产物、旋转蒸发去除溶剂，经提纯得到淡黄色固体，即为含有季铵基团的烯烃类卤胺单体(HQS)，产率为89.04%。

1.2.2 P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维膜的制备

分别按照质量比为1∶0、3∶1、1∶1和1∶3称取P(3HB-4HB)和PBAT，完全溶解于CHCl3/DMF (质量比为10∶1)，制备得到质量分数为10%的静电纺溶液。设置静电纺工艺参数如下：电压20 kV，接收距离15 cm，纺丝液供给速率1.0 mL/h。由此制备得到不同质量分数的静电纺纳米纤维膜，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察纤维表面形貌。1.2.3 幅照改性P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维膜

在未确定单体HQS最佳浓度之前，初步固定电子束辐射(EB)处理单体质量分数为5%。按照此浓度将一定量的单体溶于去离子水，控制浴比为1∶50 (纤维膜与水溶液)。将P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维膜浸泡于此溶液30 min后取出，用实验室轧车扎。然后设置辐射电压和电流为130 kV、1 mA，分别按照辐射量为16.25、32.5、65、130、195和260 kGy，将此纤维膜于室温条件下用EB辐照。停止辐照后，将纤维膜置于45 ℃干燥箱中干燥1 h。之后用大量去离子水洗，在放入索氏提取器中，以甲醇为抽提液，抽提24 h，以除去未聚合的单体和均聚物。

根据上述对辐射量的探讨，采用最佳辐射量，分别按照单体质量分数为2%、3%、4%、5%、6%和8%配制辐射液，对纤维膜进行接枝共聚。停止辐照后，将纤维膜置于45 ℃干燥箱中干燥1 h。之后用大量去离子水洗，在放入索氏提取器中，以甲醇为抽提液，抽提24 h，以除去未聚合的单体和均聚物。该EB改性处理后的纳米纤维膜简记为P(3HB-4HB)/PBAT-HQS。

1.2.4 纳米纤维膜的氯化及含氯量测定方法

配制质量分数为10%的次氯酸钠水溶液，用稀硫酸调节pH至7，室温下将纳米纤维膜浸渍1 h后用大量去离子水洗涤，于45 ℃烘箱中烘1 h以去除样品中残留的自由氯，由此制备得到抗菌纳米纤维膜P(3HB-4HB)/PBAT-HQS-Cl。

称取0.1 g上述烘干的纤维膜样品，剪成小片，放入乙醇和醋酸的混合溶液中，其体积比为9∶1。待样品完全润湿后，加入一定量KI，纤维膜样品的含氯量通过碘/硫代硫酸钠滴定方法测定。含氯(Cl+)量通过下列公式计算：

式中：N为滴定标准液Na2S2O3的当量浓度，mol/L；VCl为滴定P(3HB-4HB)/PBAT-HQS-Cl抗菌纳米纤维膜所消耗滴定标准液Na2S2O3的体积，L；V0为滴定P(3HB-4HB)/PBAT-HQS纳米纤维膜所消耗滴定标准液Na2S2O3的体积，L；W为纤维膜的质量，g。1.3 表征方法

采用FT-IR (NEXUS 470)对合成产物的化学结构进行测试分析。使用Tm3030扫描电子显微镜观察纤维表面形貌，并用Nano Measurer软件分析其直径大小及分散程度。

1.4 性能测试

1.4.1 紫外稳定性测试

氯化后纳米纤维膜的耐紫外稳定性由紫外线加速老化测试仪检测。测试时，将纤维膜样品放在紫外室内，设置照射参数为：Type A，315～400 nm，0.89 W，60 ℃，照射时间为1～24 h。一段时间后取出样品并滴定其含氯量或者再次氯化并滴定。

1.4.2 储存稳定性测试

将氯化后的纳米纤维膜先放在自封袋中，然后放在黑暗环境中，储存一定时间后，拿出试样并滴定其氯含量或者再次氯化并滴定。

1.4.3 抗菌性测试

根据修正的AATCC 100—2004《纺织品材料抗菌整理：评定》，对P(3HB-4HB)/PBAT，EB处理氯化前和氯化后P(3HB-4HB)/PBAT纤维膜进行抗菌测试。本实验选用革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(S.aureus) (ATCC 6538)和革兰氏阴性大肠杆菌(E.coli) O157∶H7 (ATCC 43895)作为测试菌种。首先将2种细菌分别悬浮于浓度为100 μmol/L，pH=7的磷酸盐缓冲液中配制实验所需浓度的菌液。测试时，先在一片试样(2.54 cm×2.54 cm)的中心，加入25 μL，pH=7的细菌液；其次另一片试样以三明治的形式叠加到该试样上，并将无菌压铁压在纤维膜上以保证细菌充分接触样品。接触一定时间后，将试样放入盛有5 mL浓度为0.02 mol/L的无菌硫代硫酸钠溶液的离心管中并振荡2 min。然后用100 μmol/L，pH=7的磷酸盐缓冲液连续稀释上述溶液，将稀释后的溶液放置培养基中，在37 ℃恒温培养24 h。最后统计存活细菌菌落数量并计算抗菌率。

2 结果与讨论

2.1 P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维形貌分析

图1示出不同质量比的P(3HB-4HB)/PBAT纤维SEM图，放大倍数为5 000倍。由图可看出，P(3HB-4HB)纤维之间有所黏形，随着PBAT质量分数的增加，纤维成形性变好。经分析，纯的P(3HB-4HB)纤维平均直径为690 nm；P(3HB-4HB)与PBAT质量比为3∶1时，纤维平均直径为(629±143) nm；P(3HB-4HB)与PBAT质量比为1∶1时，纤维平均直径为(762±126)nm；继续增加PBAT，纤维平均直径减小至(543±118)nm。考虑到PBAT增加会使得纤维膜疏水性增大，所以本文实验选择P(3HB-4HB)与PBAT质量比为1∶1。

图1 P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维SEM图(×5 000)Fig.1 SEM images of P(3HB-4HB)/PBAT nanofibrous membranes (×5 000)

2.2 辐射工艺探讨

图2示出纤维膜含氯量随辐射量、单体浓度的变化曲线图。随辐射量的增大，经辐射工艺处理的纤维膜含氯量增加。这是因为纤维膜上所产生的自由基随辐射量的增加而增加，与抗菌单体反应；同时抗菌单体经辐射同样会产生自由基，接枝共聚到纤维膜上，辐射量增加，产生的自由基增加。继续增大辐射量虽然可使含氯量上升，但纤维膜力学性能会下降。因此，综合各项因素，本文实验确定最佳辐射量为65 kGy。

从图2(b)可知，固定辐射量不变，纤维膜含氯量随单体浓度增加而增加。这是因为单体浓度增加，经辐射后单体产生的自由基数量提高，与纤维膜接枝共聚变多。本文实验最终确定单体质量分数为3%～5%。

2.3 抗菌纤维膜紫外稳定性测试

表1示出经电子束辐照并氯化处理后的抗菌纳米纤维膜的耐紫外稳定性测试结果。具体来说，经1 h紫外照射，含氯量由最初的0.17%下降至0.15%,含氯量损失12%；当照射24 h时，含氯量下降至0.08%，仍有50%的含氯量存在，远远高于之前卤胺类文献的报道[14, 20]。另外，对其重新氯化并滴定，其含氯量可以恢复到原来的88%，具有优异的耐紫外稳定性和可重复使用性能。

表1 氯化后纤维膜紫外稳定性

注：含氯量误差在±0.02%之内。

图2 辐射量与单体质量分数对纳米纤维膜含氯量的影响Fig.2 Effects of irradiation dose (a) and monomer concentration (b) on chlorine content of nanofibrous membranes

2.4 抗菌纤维膜储存稳定性测试

表2示出抗菌纤维膜的储存稳定性结果。从中可看出，随着存放时间的延长，抗菌纤维膜的含氯量下降，存放30 d后，含氯量损失了33.3%，说明此卤胺抗菌剂分子结构中的N—Cl键在黑暗条件下较稳定，重新氯化后96.3%的含氯量可以恢复。

2.5 抗菌纳米纤维膜抗菌性测试

图3示出抗菌纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌测试结果。0、1、2、3区分别代表稀释不同倍数后培养的结果。5 min和30 min为纳米纤维膜接触菌液的时间。

表2 储存稳定性

注：含氯量误差在±0.02%之内。

图3 抗菌纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能Fig.3 Antibacterial properties of modified nanofibrous membranes against S. aureus and E. coli

通过比较图(a)、(b)、(d)、(e)可知，经电子束辐照的纳米纤维膜较P(3HB-4HB)/PBAT纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌效果提高，这是季铵基团所起的作用。这表明即使氯在存储或实际使用过程中损失，该抗菌纳米纤维膜仍能有效抗菌。分析图(c)、(f)可知，经氯化处理后，纳米纤维膜显示出更加优异的抗菌性能，在5 min内可将2种细菌全部杀死。这是因为氯化处理使得卤胺前驱体上的N—H键转变为N—Cl键，而N—Cl键中氧化性的Cl+可直接转移到生物接收器上(如细胞膜)，从而将细菌杀死(接触抗菌)[21-22]。同时，季铵基团的存在可提高纤维膜与细菌之间接触的可能。此外，从测试结果还可以看出，抗菌纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌的接触减少量大于大肠杆菌的减少量，这是由于两者不同的形状和细胞结构，大肠杆菌较金黄色葡萄球菌难穿透[20, 23-24]。

3 结 论

本文研究合成了一种新型含有季铵基团的卤胺抗菌剂单体。以生物可降解材料P(3HB-4HB)和PBAT为基材，采用静电纺丝技术制备出不同组成的纳米纤维膜，选用P(3HB-4HB)/PBA T (1/1)作为进一步研究样品。利用电子束辐射技术将合成的单体接枝共聚到纳米纤维膜，经次氯酸钠氯化后得抗菌纤维膜。研究辐射量和单体质量分数对纤维膜含氯量的影响，最终确定2者分别为65 kGy、3%～5%。该抗菌纤维膜具有优异的耐紫外稳定性和储存稳定性。抗菌测试结果显示：经电子束辐照后纤维膜具有一定的杀菌效果，氯化处理后显示出更加优异的抗菌性能，在5 min内即可将金黄色葡萄球菌和大肠杆菌全部杀死。

FZXB

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Antibacterial modification of polyester nanofibrous membranes by electron beam irradiation technique

FAN Xiaoyan1, LIU Ying1, PAN Nengyu1, LI Rong1, REN Xuehong1, HUANG Tung-Shi2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.DepartmentofPoultryScience,AuburnUniversity,Auburn,Alabama36849,USA)

In order to prepare an efficient antibacterial biomaterials, an innovative N-halamine monomer containing quaternary ammonium group was synthesized and grafted onto the poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)(P(3HB-4HB)) and poly(butylene adipate-co-terephthalate)(PBAT)nanofibrous membranes that were generated by electrospinning, and finally the grafted nanofibrous membranes were chloridized with sodium hypochlorite to obtain antibacterial nanofibrous membranes. The influence of the composition of P(3HB-4HB) and PBAT on surface morphologies of membranes and the influence of the irradiation dose and the concentration of monomer on the content of oxidative chlorine were studied. The UV light stability and the storage stability of the antibacterial nanofibrous membranes were also investigated. The results show that the P(3HB-4HB)/PBAT antibacterial nanofibrous membranes can kill bothS.aureusandE.coliwithin 5 min, showing powerful antibacterial performance, realize the covalent bonding effect between N-halamine antibacterials and chemical inert materials, and have great potential in fields of food packaging and biomedicines.

biodegradable; electron beam; N-halamine; quaternary ammonium salt; antibacterial

10.13475/j.fzxb.20170202906

2017-02-12

2017-03-02

江苏省产学研联合创新资金前瞻性研究项目(BY2015019-23)； 江苏省普通高校学术学位研究生创新计划项目(KYLX15-1181)

范晓燕(1991—)，女，硕士生。主要研究方向为抗菌功能纤维。任学宏，通信作者，E-mail: xhren@jiangnan.edu.cn。

TQ 316.6; TS 195.6

A