MCCBA Cu2O（MOF5）三元复合材料抗菌性能的研究

张美云　杨强　宋顺喜

摘要：以微晶纤维素水凝胶（MCCBA）为载体、采用Cu2O和MOF5原位沉积制备MCCBACu2O（MOF5）三元复合材料。通过傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）和革兰氏阴性大肠杆菌（E Coli）分别表征其结构和抗菌能力。研究结果表明，Cu2O和MOF5能够很好地沉积在MCCBA上，从而制备出MCCBACu2O（MOF5）三元复合材料；抗菌实验表明，在培养24 h后，细菌生长曲线呈现递减性变化，抑菌圈直径呈递增性变化。这说明单一MCCBA并不具有抗菌性，经纳米Cu2O复合改性的MCCBA表现出一定的抗菌性。在引入MOF5形成三元复合材料的细菌浓度（OD值）为10，抑菌圈直径变为10 mm，可以证明制备的三元复合材料对革兰氏阴性大肠杆菌呈现出优异的抗菌能力。

关键词：MCCBA；Cu2O；MOF5；复合材料；抗菌

中图分类号：TS756

文献标识码：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802002

抗菌材料是通过将抗菌剂和抗菌载体相复合的具有杀菌、抑菌功能的一类功能材料[1]，在医疗、纤维和塑料等领域获得了广泛应用[2]。微晶纤维素（MCC）水凝胶由天然亲水性高分子MCC制备，含有大量亲水性基团的交联聚合物，具有生物相容性和可生物降解性等优点[34]，可用作农用薄膜、保水剂、矿业抑尘剂、原油脱水剂、医疗药物载体等领域。由纤维素构成的水凝胶并不具有抗菌能力[5]，但其独特的纤维簇装、网络状结构能够提高抗菌剂的负载量，可作为一种优异的抗菌载体。Hashemi[6]制备了壳聚糖/富马酸聚乙醇酯混合水凝胶膜，用于医疗伤口涂敷，其对绿脓杆菌和金色葡萄球菌的抑菌率高达9992%，具有很强的抑菌能力。刘瑞来等人[7]研究了纤维素/聚苯乙烯馬来酸钠水凝胶（SMANaDEG/纤维素）的抗菌性及药物释放能力，发现SMANaDEG/纤维素具有一定的抑菌性，并能逐步释放水杨酸等药物。

Cu2O是一种立方体结构的无机杀菌剂，通过Cu+变性或氧化达到杀灭细菌和霉菌的目的，在抗菌方面有潜在应用价值[7]。Lu等人[8]首次报道了Cu2O的抗菌性，发现其抗菌性主要由晶面结构、晶面原子排列决定，并且对不同菌种表现出更高的选择活性。在此基础上，Jia等人[9]发现Cu2O对革兰氏阴性大肠杆菌（E Coli）的抗菌活性不仅与其111晶面的原子排列有密切关系，也与Cu2O和E Coli之间的Zeta电位差有关。通过将Cu2O引入到MCC水凝胶中，可以赋予水凝胶抗菌性能，拓展其在医疗卫生领域的应用。在现有的研究中，多以Cu2O复合单一基材的抗菌性研究为主，鲜见引入其他新型抗菌剂达到增强抗菌的目的。

与Cu2O相比，金属有机骨架化合物（MetalOrganic Frameworks，MOFs）是具有丰富载药孔道的新型抗菌剂[10]，其结合了无机抗菌剂金属阳离子中心（Zn2+，Ag+，Cu2+等）和有机抗菌结构（壬二酸等）从而表现出良好且持续的抗菌性[1112]。MOF5 [Zn4O（BDC）3]是由次级结构单元Zn4O和有机配体1，4对苯二甲酸（1，4BDC）构成的，因其具有抗菌能力强、性质丰富、孔道可调节、易于后修饰等特点受到了广泛关注[13]。通过引入MOF5负载到MCC水凝胶（MCCBA）Cu2O抗菌载体上，能够增强抗菌载体的抗菌能力。

本实验采用原位生长法先将MCC水凝胶和Cu2O复合，获得MCC水凝胶基二元复合抗菌材料，再引入MOF5，形成三元复合抗菌材料，研究MOF5复合改性MCCBACu2O后对革兰氏阴性大肠杆菌的抗菌增强能力，并探讨相关抗菌机理。

1实验

11实验原料及试剂

微晶纤维素（MCC），购自美国FMC公司；六水合硝酸锌（Zn（NO3）2·6H2O，分析纯），对苯二甲酸（H2BDC，CP），五水硫酸铜（CuSO4·5H2O，分析纯），抗坏血酸（分析纯），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯），氢氧化钠（NaOH，分析纯），过硫酸铵（分析纯），N，N′二甲基甲酰胺（N，NDimethylformamide，DMF，分析纯），无水乙醇（EtOH，分析纯）购自天津市大茂化学试剂有限公司；丙烯酸（分析纯），丙烯酰胺（分析纯），N，N′亚甲基双丙烯酰胺（分析纯）购自阿拉丁试剂有限公司；琼脂（生物级），革兰氏阴性大肠杆菌（E Coli）购自百灵威试剂有限公司。所有试剂未进一步提纯。

12实验方法

121MCC水凝胶（MCCBA）的制备

取20 g MCC分散在50 mL去离子水中，加入02 g过硫酸铵在室温下超声分散20 min。接着加入10 mL丙烯酸、20 g丙烯酰胺和006 g N，N′亚甲基双丙烯酰胺在70℃下反应2 h，分别用去离子水和无水乙醇洗涤数次，洗至中性，烘干，研磨粉碎备用。

122MCCBACu2O复合材料的制备

取075 g上述制备好的MCCBA加入到36 mL 01 mol/L CTAB中，在室温下加入25 mL 01 mol/L CuSO4溶液并超声分散均匀，然后加入5 mL 01 mol/L抗坏血酸。将上述混合体系在搅拌下从室温升至55℃，反应10 min，接着加入2 mL 05 mol/L NaOH溶液，再保温10 min。待其冷却至室温后，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性。再保温10 min。待其冷却至室温后，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性。

123MCCBA（MOF5）的制备

称取034 g Zn（NO3）2·6H2O和017 g H2BDC溶解在20 mL 混合溶剂[V（DMF）∶V（EtOH）=5∶3]中，加入06 g MCCBA，将上述反应物移入25 mL Telflon反应釜中，120℃反应4 h，分别用DMF和EtOH洗涤数次。

124MCCBACu2O（MOF5）的制备

采用原位生长法制备三元复合材料。取06 g MCCBACu2O分散在20 mL混合溶剂[V（DMF）∶V（EtOH）=5∶3]中，加入034 g Zn（NO3）2·6H2O，溶解后，再加入017 g H2BDC。将上述反应物迅速移入25 mL Telflon反应釜中，在120℃下反应4 h，冷却至室温后，分别用DMF和EtOH洗涤数次。

125测试表征

采用Vectory22（Bruker，德国）傅里叶红外光谱仪（FTIR）进行结构表征（KBr压片），波长范围为400～4000 cm-1。通过D8 Advance（Bruker，德国）X射线衍射仪（XRD）进行X射线分析，射线源为Cu Kα（λ=0154 nm），加速电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度為02°/s，扫描范围为2θ=2°～60°。利用S4800型（Hitachi，日本）扫描电镜（SEM）和能谱仪（APPOLO，美国）观察样品的表面形态和元素分布，喷金处理，扫描电压为3 kV。采用UVvisCarry 100（Angilent，美国）检测0、5、10、15、20和24 h下的细菌浓度（OD值），测定样品在600 nm处吸光度，并绘制细菌生长曲线。取一定量MCCBA浸泡在去离子水中，在一定时间取出样品，记录t时刻凝胶的质量，计算样品的溶胀比SR。

按照GB/T 21510—2008和GB/T 21866—2008中所述的抑菌圈法[14]表征所有样品的抗菌性能。具体如下：将165 g 营养琼脂溶解在500 mL去离子水中，加入生理盐水（09%NaCl）调节pH值至70。在高压釜（120℃）中消毒20 min，待完全灭菌后，将培养液分装在培养基上，在自然条件下冷却至凝固。然后将015 mL、在37℃下经过5天培养的E Coli细菌分散液，均匀分布在培养基上。在无菌条件下，将压片后的MCCBA、MCCBACu2O和MCCBACu2O（MOF5）（直径为5 mm）放置在培养基上，在37℃下培养24 h。通过对E Coli抑菌圈直径的变化表征复合材料的抑菌能力。

2结果与讨论

21结构与形貌分析

图1为样品的FTIR谱图。从图1中可以看出，2920 cm-1，1452 cm-1和1160 cm-1处为纤维素的特征吸收峰[15]。与纯MCC相比，形成MCCBA后，在1650 cm-1和1580 cm-1附近出现了新的吸收峰，分别归属于—COOH的非对称伸缩振动峰和CO—NH的振动峰，而在3448 cm1处的吸收峰是N—H的特征吸收峰，并且在形成NH后覆盖了MCC的—OH峰。对于MCCBACu2O，在618 cm-1处有强吸收峰，归属于Cu2O的吸收峰，这说明形成了Cu2O[16]，在形成复合材料后，由于—COOH对Cu2O有强的吸引力，MCCBA的—COOH振动峰从1704 cm-1处迁移至1645 cm-1处[17]。MCCBACu2O（MOF5）在1650 cm-1附近处为BDC的对称和非对称振动峰，

利用E Coli测试了4种样品的抗菌性，结果见图6。从图6中可以明显看出，在培养24 h后，MCCBA没有出现抑菌圈，说明并没有抗菌性。当MCCBA表面包覆了一定量的Cu2O后，MCCBACu2O和MCCBA（MOF5）复合材料随着抗菌时间的增加，抑菌圈逐渐变小，表现出一定的抑菌作用。而MCCBACu2O（MOF5）抗菌24 h后，抑菌圈存在明显，比MCCBACu2O、MCCBA（MOF5）的抑菌圈大，呈现出更强的抑菌作用。其次，在抑菌圈完成后，复合材料的颜色发生明显变化，从蓝色变为淡黄色，说明三元复合抗菌材料能够作为一种抗菌指示剂。从上述抗菌性能表征可以得出，MCCBACu2O（MOF5）的抗菌性主要归因于负载的纳米Cu2O和MOF5，它们对E Coli有较强的抑制作用。原因在于制备的立方体形状的Cu2O晶体Zeta电位为负，有利于吸附Na+，其次，立方体形状的Cu2O晶体对E Coli有强的静电引力，能够增加E Coli与Cu2O的接触机会，从而提高对其灭活效率。相对而言，MOF5抗菌能力主要由金属中心提供[7]。MOF5能够破坏离子平衡、离子通道和原生质膜的完整性，使得细胞内化，促使DNA断裂并与蛋白质硫醇基团整合，从而极大的增强对E Coli的灭活能力，所以，负载MOF5的三元复合材料表现出更强的抑菌能力。

图7是样品对E Coli抑菌圈平均直径的变化。从图7可以发现，在抗菌培养24 h后，MCCBACu2O的抑菌圈直径从50 mm变为60 mm左右，MCCBA（MOF5）变为55 mm，MCCBACu2O（MOF5）则变为100 mm左右，而MCCBA的抑菌圈直径明显没有发生变化。根据抑菌圈直径的变化表征抗菌材料抑菌性能的要求，在抗菌完成后，抗菌材料抑菌圈直径变化大的具有更强的抑菌能力，因此，MCCBACu2O（MOF5）对E Coli具有更佳的抑菌选择活性。

基于图5、图6、图7的分析结果，MCCBACu2O（MOF5）可能的抑菌机制应该为：在对E Coli细菌培养抑菌过程中，E Coli吸附在MCCBACu2O（MOF5）三元复合抗菌材料的表面，具有抗菌作用的纳米Cu2O、MOF5进而攻击细胞壁，随之进入E Coli细菌细胞的外膜，导致细胞膜破裂，从而引起细胞的分解，最终达到抑菌的目的。另外，MCCBACu2O（MOF5）表现出更佳的抗菌活性，也可能是由于纳米级小尺寸的Cu2O和MOF5沉积在MCC水凝胶的表面，增大了三元复合材料的比表面

积和孔隙率的缘故。

3结论

31以微晶纤维素水凝胶（MCCBA）为载体，采用Cu2O和MOF5原位沉积制备出MCCBACu2O（MOF5）三元复合材料。该三元复合材料表现出良好的亲水性，在吸水36 h后，该三元复合材料的溶胀比达到了259倍。

32MCCBA、MCCBACu2O和MCCBAMOF5相比，MCCBACu2O（MOF5）的抗菌性能明显提高，对革兰氏阴性大肠杆菌（EColi）抑菌24 h后，三元复合材料的抑菌圈直径是MCCBA的2倍（100 mm），说明引入Cu2O和MOF5能够显著提高水凝胶复合材料的抗菌能力。该研究将Cu2O和（MOF5）同时引入纤维素基水凝胶中，推动了新型纤维素基水凝胶材料在抗菌领域的研究，具有一定的市场应用潜力。

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（责任编辑：常青）