抗菌性聚砜超滤膜的制备与表征

芦文慧　黄肖容

摘 要：采用浸渍法制备了铜掺杂的TiO2粒子，并将这种粒子作为抗菌材料与聚砜（PSF）共混，相转化法制膜。铸膜液中掺铜TiO2粒子的添加量为1wt%，通过XRD、SEM、接触角、超滤及抗菌实验等进行表征与分析。结果表明，掺铜TiO2粒子的加入使得制得的PSF膜具有很强的抗菌性，当掺杂比w（Cu2+/TiO2）=1wt% 时，抗菌膜的水通量为335.65 L/（m2·h），对牛血清蛋白的截留率为85%；采用薄膜密着法得到其在紫外光照射下抗菌率高达93.5%，黑暗条件下抗菌率为53.2%；振荡瓶法得到其抗菌率為71%。

关键词：聚砜；铜掺杂；TiO2；超滤膜；抗菌性

中图分类号：TQ028 文献标志码：A

Abstract： Antibacterial particle， copper doping TiO2 particle， was fabricated by impregnation method. Then the antibacterial particle was blending with PSF to prepare casting solution， which was used to prepare antibacterial PSF ultrafiltration membrane via the phase inversion method. The content of antibacterial particle in casting solution was 1wt%. The modified membranes were characterized by XRD、SEM、CA、ultrafiltration and antibacterial experiments. The results showed that the modified membranes have strong antibacterial properties. When the doping ratio of Cu2+/TiO2 is 1wt%， the modified membranes exhibited the separation performance with pure water flux of 335.65 L/（m2·h） and BSA rejection rate of 85%. Moreover， through the film indiscrete method， under the UV irradiation， the antibacterial rate was 93.5%； while under the dark， the antibacterial rate was 53.2%. and the shake flask method， the antibacterial rate was 71%.

Keywords：polysulfone；copper doping；TiO2；ultrafiltration membrane；antibacterial properties

聚砜（PSF）是一种重要的膜材料，目前聚砜超滤膜已经实现工业化生产，广泛应用于各种领域，是国内外超滤膜研究的热点之一，但膜污染问题一直是制约超滤膜发展的阻碍之一，也是急需解决的重要问题。尤其是在使用过程中，微生物易在膜表面生长、繁殖和迁移而造成生物污染，进而导致膜的分离和渗透性能降低，增加了使用成本。许多研究已证实，在膜表面加载抗菌性物质，构建具有抗菌性能的膜表面，有利于减少生物污染。

Ahmad Rahimpour等将TiO2与聚偏氟乙烯、磺化聚醚砜共混制膜，通过抑菌圈法测试抗菌性，结果证明，在紫外光下，复合膜对大肠杆菌有很强的抗菌性。但一般聚砜膜是在无光照条件下使用，而无光照条件更适于细菌的生长和繁殖，因此如何提高无光照条件下膜的抑菌性成为近年来研究的热点。Chen等人制备了负载铜离子的埃洛石纳米管，与聚醚砜共混制备杂化膜，结果表明，杂化膜的亲水性增强，水通量提高，而且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有优异的抗菌性。但目前关于抗菌膜的抗菌性能研究还不够深入，采用的抗菌测试方法比较单一，大多数研究停留在定性阶段。

综合上述分析，本文选用浸渍法制备铜掺杂的TiO2粒子，并将这种粒子作为抗菌材料与聚砜（PSF）共混，相转化法制膜，并通过XRD、SEM，水接触角，超滤进行表征分析，同时采用振荡瓶法、薄膜密着法和抑菌圈法对PSF膜的抗菌性进行综合分析，着重考察不同环境条件下PSF膜的抗菌性能，期望该PSF膜既有光催化抗菌性，在无光照条件下也能抗菌，以延长膜使用寿命，为高性能膜材料的研究开辟新途径。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

1.1.1 实验材料

聚砜（PSF），美国苏威公司 ；聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K30），上海伯奥生物科技有限公司；N，N-二甲基乙酰胺（DMAc），分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司 ；牛血清蛋白（BSA，Mn=67000），上海伯奥生物科技有限公司 ；纳米TiO2粒子（P25），德国赢创工业集团 ；大肠杆菌，华南农业大学农学院广东省植物分子育种重点实验室；硝酸铜，广州牌化学试剂；氯化钠，国药集团化学试剂有限公司；乳糖蛋白胨培养液、营养琼脂，广东环凯微生物科技有限公司；实验中用水均为纯水。

1.1.2 实验仪器

超滤膜评价装置，自制；UV-2450型紫外可见分光光度计，日本岛津公司；DHP-400型电热恒温培养箱、高温灭菌锅，苏州佳宝净化工程设备有限公司；OCA35型全自动光学接触角测试仪，德国DATAPHYSICS公司；Merlin扫描电镜，德国ZEISS公司。

1.2 抗菌超滤膜的制备

1.2.1 铜掺杂TiO2粒子的制备

称取定量（按掺铜量）的TiO2粒子于定量的硝酸铜溶液中，超声分散15min，80℃烘干，450℃焙烧2h，即得掺铜TiO2粒子CuOx/TiO2，其中X表示掺铜质量百分比（相对于TiO2粒子）。

1.2.2 制膜

将聚砜（16wt%）、添加剂（PVP，4wt%）加入到溶剂DMAc中，65℃恒温水浴下机械搅拌至聚砜完全溶解，再加入一定量的CuOx/TiO2粒子，超声分散10min，确保CuOx/TiO2粒子在溶液中均匀分散，抽真空脱泡。脱泡后在玻璃板上涂膜，然后将玻璃板立即放入25℃纯水凝固浴中凝固成膜，待膜片完全自主脱离玻璃板后，将膜片转移到纯水中浸泡24h（定时换水），以除去未溶的溶剂和添加剂。制得的超滤膜保存在纯水中以备测试。

1.3 铜掺杂TiO2粒子的XRD

采用丹东通达公司的TD-3500型X射线衍射仪来分析掺铜TiO2粒子的物相结构。

1.4 抗菌超滤膜结构表征

采用Merlin扫描电镜观察膜表面及断面形态。孔隙率?根据公式计算：

?=（m1-m2）/ρSd

式中，m1为湿膜的质量（g），m2为完全干燥后膜的质量（g），ρ为纯水的密度（g/cm3），d为膜的厚度（cm），S为膜的面积（cm2）。

1.5 抗菌超滤膜亲水性、超滤性能的测定

在OCA35型接触角测定仪上测定杂化膜的接触角， 以考查杂化膜亲水性的变化；膜纯水通量用自制的超滤膜评价装置进行测定，0.2MPa下预压30min，0.1MPa下测膜的纯水通量Jw（L /（m2·h）），计算公式如Jw=V/（St）。

式中，V为透过液体积（L），S为膜面积（m2），t为过滤时间（h）。

用紫外分光光度计测定膜对BSA溶液（1g/L）过滤前后溶液的吸光度，然后根据标准曲线计算截留率R，R=（1-Cp/Cf）×100%。

式中，Cp和Cf分别为料液和透过液的BSA浓度，单位为g/L。

1.6 抗菌超滤膜抗菌性能的测定

1.6.1 振荡瓶法

制备细菌含量为106 CFU/mL的菌液（现配），取0.1mL菌液加入PBS缓冲液中，再加入1.5g（5mm×5mm）膜片，37℃下在摇床中（250r/min）振荡培养18h后，按照10倍稀释法对处理过的的菌液稀释，并用倒平板法进行活菌计数，抗菌率计算公式如式（1）所示：

r=（1-B/A）×100% （1）

式中，A和B分别为空白对照样和试样的菌落数。为了保证实验结果的准确性，每次实验设两个平行样，取平板菌落生长均匀明显的进行计数计算抗菌率。

1.6.2 薄膜密着法

将膜片剪成5 cm×5cm的正方形小块，分为两组，灭菌后，取0.1mL菌液（106 CFU/mL）滴加在两组样品上，用聚乙烯保鲜膜（4cm×4cm）覆盖，铺平，使膜片与菌液均匀接触，置于平皿中，一组在紫外灯下照射2h，然后再在37℃恒温培养箱中培养24 h，一组不照射，直接放在37℃恒温培养箱中培养24 h；取出培养的样品，加入20mL PBS缓冲液，反复多次冲洗样品及覆盖膜，取0.1mL洗脱液用倒平板法进行活菌计数计算公式如式（1）所示。空白对照样：灭菌过的聚乙烯保鲜膜（5cm×5cm）。

1.6.3 抑菌圈法

将膜片剪成直径为10 mm的圆片，滴加0.1 mL 菌液（106 CFU/mL）于固体培养基表面，用三角涂布棒均匀涂布。将膜片放置于平皿中央，用无菌镊子轻轻按压，使试样紧密贴附于营养琼脂培养基上。空白对照样：直接在培养基上滴加菌液，三角棒涂布。将平板倒置于37℃恒温培养箱中培养 18h～24h，观察周围抑菌圈的有无及大小，比较各种超滤膜的抑菌圈情况。

2 结果与讨论

2.1 铜掺杂TiO2粒子的XRD分析

圖1是不同掺铜量的TiO2粒子的XRD图，可以看出，不同掺铜量的TiO2粒子中均只有锐钛矿型和金红石型TiO2，未出现铜的的衍射峰，这可能与铜离子掺杂量较小有关，而且掺铜TiO2的衍射峰的峰位发生位移，说明铜离子已经渗入TiO2的晶格中。整体来说，通过XRD图可以表明掺铜对TiO2粒子内部结构不会造成影响。

2.2 抗菌超滤膜的结构分析

2.2.1 抗菌超滤膜的微观形貌

当抗菌粒子的添加量为1wt%时，在扫描电镜下观察了PSF膜的表面结构（图2），可以看出，随着掺铜量的增加，膜表面孔隙明显增多，但当掺铜量增加到2%时，膜表面致密无孔。从膜的断面结构（图3）可以看出，所有的膜都是典型的非对称结构，添加了掺铜TiO2粒子的膜截面形态无明显变化，这表明添加CuOx/TiO2粒子共混改性没有破坏PSF超滤膜本身的良好成膜性能。这是因为铜离子掺杂量虽然发生了改变，但铸膜液中粒子的添加量并没有改变，仍为1wt%，不会影响成膜过程中溶剂与非溶剂的交换，因而膜的截面结构无明显变化。

2.2.2 抗菌超滤膜的孔隙率

不同掺铜量TiO2粒子制备的超滤膜的孔隙率见表1，可以看出，随着掺铜量的增加，孔隙率呈现出先升高后下降的趋势，这一变化趋势与之前电镜的表征结果（图2）是一致的，在一定范围内掺铜量增加，膜表面孔隙增加，孔隙率增大；但继续增加掺铜量，膜表面孔隙减少，孔隙率减小。

2.3 抗菌超滤膜的亲水性

膜的亲水性可用膜的水接触角大小来衡量。超滤膜的接触角如图4所示，可以看出，因PSF本身的疏水性，纯PSF膜的接触角高达71°，而添加了TiO2粒子和CuOx/TiO2粒子的PSF膜接触角变小，这表明添加了TiO2粒子和CuOx/TiO2粒子的PSF膜表面亲水性增加。但是相比添加TiO2粒子的PSF膜，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜接触角略有增大，这可能是因为铜离子的掺杂对亲水性有一定的抑制，铜离子的掺杂对TiO2粒子的分散性有一定的影响，进而对膜表面羟基数量有影响，对膜接触角有影响。

2.4 抗菌超滤膜的超滤性能

不同掺铜量超滤膜的纯水通量和截留率的变化如图5所示，可以看出，随着掺铜量的增加，PSF超滤膜的纯水通量呈现先升高后下降的趋势，且均高于未掺铜的PSF膜；当掺铜量为1%时，膜通量最高，为335.65 L/（m2·h）。这是因为在掺铜量较小时，膜表面孔数增多，膜孔隙率升高，虽然膜表面亲水性有所下降，但膜截面内的粒子可以促进水在膜内的传递，因此膜通量增加。虽然随着掺铜量的不同，PSF超滤膜的截留率有所降低，但所有膜均表现出85%以上的截留效果。这表明在合适掺铜量的情况下，CuOx/TiO2粒子的加入有利于提高PSF超滤膜的纯水通量，且对膜的截留率影响不大。

2.5 抗菌杂化膜的抗菌率

2.5.1 振荡瓶法实验结果

从振荡瓶法测试结果来看，由表2看出，菌液与膜片经过充分振荡18h后，相比对照组，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜的菌落数明显减少，证实CuOx/TiO2粒子的加入对大肠杆菌有一定抑制作用，添加CuOx/TiO2粒子的PSF膜抗菌率都达到了50%以上。纯PSF基膜对大肠杆菌也有一定的抗菌性，只是抗菌率只有9.2%，这可能是因为在振荡过程中，基膜中的高聚物影响了大肠杆菌的生长、繁殖而造成的。在添加了CuOx/TiO2粒子后，随着掺铜量的增加，抗菌率逐渐增大，当掺铜量为1wt% 和2wt% 时，抗菌率分别达到71%和79.3%。

2.5.2 薄膜密着法实验结果

为了进一步地考察铜离子掺杂对TiO2粒子光催化抗菌性的影响，采用薄膜密着法分别测试在黑暗条件下和紫外光照条件下，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜对大肠杆菌的抗菌效果，实验结果见表3。从测试结果来看，TiO2在无光照下没有抗菌作用，必须靠紫外光激发光催化活性来进行抗菌；但在两种实验条件下，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜的都有抗菌性，尤其在紫外光照条件下，抗菌率均在90%以上，在掺铜量为0.5wt% 时抗菌率达到94.3%，但继续增加掺铜量，抗菌率略微有所下降，这可能是因为当掺铜量为0.5wt% 时，CuOx/TiO2粒子的光催化活性达到最高。

从抗菌实验结果来看，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜具有铜离子接触性抗菌和TiO2光催化抗菌两种机制，而且铜离子的掺杂加强了TiO2的光催化活性。在这两种机制的协同作用下，铜掺杂的TiO2粒子的添加使得PSF膜具有更广阔的应用前景。

2.5.3 抑菌圈法实验结果

通过抑菌圈法测试膜片对大肠杆菌的抑菌圈发现，对照组与试验组均未形成抑菌圈，但对照组与培养基接触面有大量细菌繁殖，而试验组与培养基接触面仅有极少量细菌繁殖。从抑菌圈法定性测试结果及上述结果分析，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜具备一定的抗菌能力，抗菌粒子CuOx/TiO2粒子是非溶出型的粒子，在应用中比较安全。

结论

（1）采用浸渍法制备了铜掺杂的TiO2粒子，并通过XRD衍射图谱分析了CuOx/TiO2粒子的物相结构， 发现铜离子的掺杂对TiO2粒子的内部结构不会造成影响。加入CuOx/TiO2粒子后，因为粒子的添加量保持1wt%不变，所以膜的截面形貌无明显变化，但膜的表面形貌有变化：随着掺铜量的增加，膜表面膜孔数有所增加，孔隙率升高，继续增加掺铜量到2wt%，膜孔隙率降低。

（2）相比纯PSF膜，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜接觸角显著降低，亲水性增强。当掺铜量为1wt% 时，超滤膜纯水通量高达335.65 L/（m2·h），且对大肠杆菌具有很强的抗菌性，采用薄膜密着法得到其在紫外光照下抗菌率为93.5%，黑暗条件下抗菌率为53.2%；振荡瓶法得到其抗菌率为71%。这表明加入CuOx/TiO2粒子的PSF膜不仅具有光催化杀菌特性，有望利用太阳能综合治理受病菌、微生物等污染的水源；而且在无光照条件下也具备抗菌性，可以减少使用过程中微生物在膜表面的吸附、生长、繁殖等，延长膜使用寿命，拓宽了PSF膜的应用范围。

参考文献

[1]J.Y. Park， M.H. Acar， A. Akthakul， et al. Polysulfone-graft-poly（ethylene glycol） graft copolymers for surface modification of polysulfone membranes[J]. Biomaterials， 2006（27）： 856–865.

[2]Song D， Xu J， Fu Y P， et al. Polysulfone/sulfonated polysulfone alloy membranes with an improved performance in processing mariculture wastewater[J]. Chemical Engineering Journal， 2016（304）： 882-889.

[3]Mondal.M， M.Dutta， S.De， A novel ultrafiltration grade nickel iron oxide doped hollow fiber mixed matrix membrane： Spinning， characterization and application in heavy metal removal[J]. Separation and Purification Technology， 2017（188）： 155-166.

[4]Johnson.D， N.Hilal. Characterisation and quantification of membrane surface properties using atomic force microscopy： A comprehensive review[J]. Desalination， 2015（356）： 149-164.

[5]Ridgway H， Ishida K， Rodriguez G， et al. Biofouling of membranes： membrane preparation， characterization， and analysis of bacterial adhesion[J]. Methods Enzymol，1999（310）：463–94.

[6]许坚，许振良. 膜生物反应器污水处理过程中膜生物污染的研究进展[J]. 水处理技术， 2002（3）：125-128.

[7]Rahimpour A， Jahanshahi M， Rajaeian B， et al. TiO2 entrapped nano-composite PVDF/SPES membranes： Preparation， characterization， antifouling and antibacterial properties[J]. Desalination， 2011，278（1-3）： 343-353.

[8]Kubacka A， Diez M， Rojo D， et al. Understanding the antimicrobial mechanism of TiO2-based nanocomposite films in pathogenic bacterium[J]. Scientific Reports， 2014（4）： 4134.

[9]Peng Y， Yu Z， Pan Y， et al. Antibacterial photocatalytic self-cleaning poly（vinylidene fluoride） membrane for dye wastewater treatment[J]. Polymers for Advanced Technologies， 2018，29（1）： 254-262.

[10]Hadidi M， Bigham A， Saebnoori E， et al. Electrophoretic-deposited hydroxyapatite-copper nanocomposite as an antibacterial coating for biomedical applications[J]. Surface and Coatings Technology， 2017（321）： 171-179.

[11]Chen Y， Zhang Y， Liu J， et al. Preparation and antibacterial property of polyethersulfone ultrafiltration hybrid membrane containing halloysite nanotubes loaded with copper ions[J]. Chemical Engineering Journal， 2012（ 210）： 298-308.

[12]吳树新，尹燕华，马智，等.掺铜方法对二氧化钛光催化氧化还原性能的影响[J].河北大学学报（自然科学版），2005（5）：486-494.

[13]Li J F， Xu Z L， Yang H， et al. Effect of TiO2 nanoparticles on the surface morphology and performance of microporous PES membrane[J].Applied Surface Science，2009（255）：4725-4732.

[14]吴树新.改性纳米TiO2光催化氧化还原性能的研究[D].天津大学，2003.

[15]陆龙喜，陆烨，李晔，等.新型嵌银纤维织物的抗菌性能研究[J].中国消毒学杂志，2017（3）：214-217.