甜菜碱聚合物的合成及其在棉织物抗菌整理中的应用

高思梦， 王鸿博， 杜金梅， 王文聪

(1. 江南大学 江苏省功能纺织品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122； 2. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 3. 江南大学 纺织服装学院， 江苏 无锡 214122)

棉织物以吸湿性好、穿着舒适而受消费者的欢迎，但纤维自身孔隙结构易滋生细菌，对人体健康产生危害，因此抗菌棉织物的研究受到极大的关注。理想的抗菌棉织物[1-3]应具有持久的广谱抗菌性，不产生抗菌耐药性，且所使用的抗菌剂来源广泛、绿色环保[4-6]。甜菜碱是一种两性离子化合物，具有较强的热稳定性、化学稳定性、生物相容性[7]，无细胞毒性[8]，大分子组成中的阴离子和阳离子基团能够抵抗细菌黏附，防止生物菌膜的形成，抑制细菌繁殖[9-10]，是一种良好的天然抗菌剂[11]。陈仕国等[8,12]率先开展对甜菜碱抗菌织物的研究，将小分子甜菜碱通过硅氧烷或异氰酸酯偶联在棉织物的表面，获得了具有持久广谱抗菌效果的棉织物，但由于小分子的甜菜碱易被细菌碎片覆盖活性基团表面，影响杀菌效果，最低抑菌浓度(MIC,80 μmol/mL)较大。本课题组开发了基于磺酸甜菜碱单体的聚合物抗菌剂[13]用于织物抗菌整理，取得了较好的抗菌效果，但该甜菜碱聚合物大分子上羧基数量较多，致使整理后织物强力下降严重。因而有必要对聚合物大分子重新设计合成，以获得抗菌效果好且持久的抗菌棉织物。

本文采用丙烯酰胺与甜菜碱制备磺基甜菜碱聚合物(PSPB-Am-AGE)抗菌剂，并将其应用于棉织物的抗菌整理。采用活菌计数法测试了PSPB-Am-AGE广谱抗菌性，利用正交试验研究了合成条件对PSPB-Am-AGE抗菌效果的影响，并利用红外光谱对高效的PSPB-Am-AGE抗菌剂的组成结构进行了表征和分析；最后采用振荡法测试PSPB-Am-AGE整理后棉织物的抗菌效果和耐洗性能。

1 试验部分

1.1 试验材料与设备

1.1.1 试验材料

试剂：二甲基胺(DMAA)，丙烯酰胺(Am)，烯丙基缩水甘油醚(AGE),均由上海阿拉丁试剂有限公司提供；1,3-丙磺内酯(1,3-PS)、过硫酸铵(APS)、一水合次亚磷酸钠(SHP)、四氢呋喃(THF)、无水乙醇、丙酮、营养肉汤、琼脂粉，均来自国药集团。

菌株：大肠杆菌(ATCC8739，E.coli)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538，S.aureus)，由上海维塔化学试剂提供。

织物规格：精梳纯棉平纹织物(14.5 tex，经纬密分别为524、283根/(10 cm))，来自华纺股份有限公司。

1.1.2 试验设备

UC152D型数显加热板磁力搅拌器(英国Stuart公司)、DZF-6050型真空干燥箱(上海博讯实业有限公司)、RV-10D-S73型旋转蒸发仪(德国IKA公司)、GT16-3型离心机(北京时代北利离心机有限公司)、NU-425-400S型生物安全柜(美国Nuaire公司)、BSP-250型生化培养箱(上海博讯实业有限公司)、BSD-YF2200型立式双层精密摇床(上海博讯实业有限公司)、YXQ-LS-75G型立式压力蒸汽灭菌锅(上海博讯实业有限公司)、Nicolet is10型傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技(中国)有限公司)、su1510型扫描电子显微镜(日本日立株式会社)、SW-24E型耐洗色牢度试验机(温州大荣纺织仪器厂)

1.2 试验方法

1.2.1 聚磺基甜菜碱抗菌剂的制备

制备甜菜碱单体(SPB)，具体实施方案见文献[13]。在温度为60 ℃、氮气环境中，向四氢呋喃中按物质的量比为1∶1.2加入DMAA与1，3-PS；搅拌反应6 h后，室温冷却，离心，乙醇提纯，即得到SPB。称取一定量的SPB与Am、AGE按照一定比例投入带有机械搅拌和冷凝回流的四口烧瓶，在氮气氛围，一定温度下，加入引发剂APS，反应一段时间后，室温冷却，经丙酮、乙醇反复提纯，真空干燥得聚磺基甜菜碱抗菌剂(PSPB-Am-AGE)。

1.2.2 抗菌棉织物的制备

配制质量浓度为45 g/L的聚磺酸甜菜碱抗菌水溶液。在溶液中加入一定量的SHP，搅拌均匀。将经乙醇浸泡、去离子水洗涤的棉织物按照浴比为 1∶30 浸泡在整理液中，浸泡时间40 min， 80 ℃ 热水浴，进行二浸二轧。后转至焙烘机，80 ℃，预烘 5 min； 160 ℃烘焙3 min后去离子水洗涤，晾干。

1.3 测试与表征

1.3.1 抗菌剂及织物红外谱图表征

采用KBr压片法制备抗菌剂样品，通过红外谱图分析其分子结构。采用全反射的方法测定织物整理前后表面官能团的变化。

1.3.2 织物的形貌观察

为观察抗菌织物的表面形态，在一定的放大倍数下，对经聚磺酸甜菜碱抗菌剂整理前后的织物进行扫描电子显微镜表征。

1.3.3 抗菌性能测试

PSPB-Am-AGE的抗菌活性测试(活菌计数法)：即配制一系列浓度梯度的PSPB-Am-AGE溶液，并混合等量的菌悬液，体外培养细菌 18～24 h 后，稀释涂布平板，16～20 h后统计平板上菌落的存活数量，从而得到抑制培养基中细菌生长的最低抑菌浓度(MIC)。

织物的抗菌性测试：参照 GB/T 20944.3—2008 《 纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》，对抗菌织物的抗菌性能及耐洗涤性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 抗菌剂的合成及性能分析

2.1.1 PSPB-Am-AGE合成工艺优化

采用正交试验法对聚合物PSPB-Am-AGE的合成工艺进行优化，考察温度(T)、反应时间(t)、甜菜碱与丙烯酰胺单体的量比(C)、引发剂质量分数(D)4个影响因素。以合成产物对S.aureus与E.coli的抑菌率作为评价指标，选用L9(34)正交试验表安排试验，结果如表1所示。试验结果及极差分析见表2。

表1 PSPB-Am-AGE合成正交试验Tab.1 Designs of PSPB-Am-AGE synthetic orthogonal experiment

表2 PSPB-Am-AGE合成正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal experiment

表2结果表明，以PSPB-Am-AGE对S.aureus的抑菌率为考察指标时，合成工艺中各因素对抑菌率影响的大小为D>C>T>t，即合成工艺中引发剂的用量对抑菌率的影响最大，反应时间对抑菌率的影响最小；在实验范围内，最佳条件为D3C3T2t2，即温度70 ℃，甜菜碱与丙烯酰胺物质的量比2∶1，引发剂质量分数2%，反应时间5 h。而当以聚合产物对E.coli的抑菌率为指标时，各因素影响程度先后分为T>D>C>t，与对S.aureus的抑菌率影响程度相比较，引发剂用量对E.coli与S.aureus的影响都很显著，反应时间对二者的影响均最小；仅考虑对E.coli的抑菌率，最佳实验条件为T2D2C3t1，即温度70 ℃，甜菜碱与丙烯酰胺物质的量比2∶1，引发剂质量分数1.5%，反应时间4 h。综合而言，依据主要因素采用较好水平，次要因素结合生产成本，以及考虑到各因素不同水平之间的差异，选择PSPB-Am-AGE的生产工艺为：温度70 ℃，甜菜碱与丙烯酰胺物质的量比2∶1，引发剂质量分数2%，反应时间4 h。

2.1.2 PSPB-Am-AGE抗菌活性分析

通过活菌计数法对合成的PSPB-Am-AGE的MIC进行测试，结果如图1、2所示。

图1 不同质量浓度PSPB-Am-AGE对应的S.aureus的存活率Fig.1 Survivals of S.aureus corresponding to different concentrations of PSPB-Am-AGE

图2 不同质量浓度PSPB-Am-AGE对应的E.coli的存活率Fig.2 Survivals of E.coli corresponding to different concentrations of PSPB-Am-AGE

在抗菌试验中，统计样品中存活菌落个数得到存活率，利用存活率和抑菌率的关系得到样品对应的抑菌率。由图1可知：随着PSPB-Am-AGE质量浓度的增大，其对应的S.aureus的存活率逐渐减小；当抗菌剂的质量浓度大于2.25 g/L时，统计存活率≤10%，即抑菌率≥90%，样品具有抗菌效果；当抗菌剂的质量浓度大于或等于2.625 g/L时，样品具有良好的抗菌效果，抑菌率≥99%，所以，抗菌剂对S.aureus的MIC为2.625 g/L。

从图2可以看到：随着PSPB-Am-AGE质量浓度的增大，其对应的E.coli的存活率逐渐减小；直至抗菌剂质量浓度增至2.625 g/L时，抑菌率开始大于99%，即抗菌剂对E.coli的MIC为2.625 g/L。

对比PSPB-Am-AGE对S.aureus与E.coli的抑菌率可知，在同样的质量浓度下，抗菌剂对S.aureus的抑菌率比E.coli大，其原因在于E.coli为革兰氏阴性菌，具有坚硬的细胞壁，导致PSPB-Am-AGE较难渗透，故杀菌效果有差异。

2.1.3 抗菌剂的分子结构分析

图3 PSPB-Am-AGE的FT-IR谱图Fig.3 Infrared spectra of PSPB-Am-AGE

2.2 织物接枝抗菌剂结果分析

通过全反射法对棉织物整理前后进行红外光谱测试，结果如图4所示。

图4 PSPB-Am-AGE整理前后棉织物的FT-IR谱图Fig.4 Infrared spectra of cotton fabric treated and untreated with PSPB-Am-AGE

2.3 织物表面形貌分析

为了解抗菌整理前后织物的表面形态，实验采用SEM进行观察。图5示出织物经PSPB-Am-AGE整理前后的扫描电镜照片对比。与未整理前织物的表面形态相比较。可以看出经过抗菌整理过的织物表面存在有颗粒状的粒子和薄层絮状物，织物表面更加粗糙，比表面积增加，从而有利于杀死附着的微生物。

图5 PSPB-Am-AGE整理前后棉织物的SEM照片Fig.5 SEM images of cotton fabric. (a) Untreated one(×2 500); (b) Treated with PSPB-Am-AGE(×1 800)

2.4 整理后织物的抗菌性能分析

采用2.1.1节所得最优生产工艺制备抗菌剂PSPB-Am-AGE，并将其整理到棉织物上，测试洗涤30次前后棉织物的抗菌性能。

与未经处理织物相比，整理后棉织物的平板活菌数大大减少，对E.coli与S.aureus的抑菌率分别为96.25%、99.79%；经30次洗涤后抑菌率分别为95.04%、97.67%，远高于AAA级抗菌纺织品的抑菌率(对E.coli与S.aureus分别为70%、80%)，表明PSPB-Am-AGE整理后棉织物具有优异的耐洗牢度。图6为整理前织物和整理后织物的抗菌效果图。

3 结 论

本文设计并采用自由基聚合的方法合成了聚磺酸甜菜碱抗菌剂，通过红外光谱测试方法对其进行表征，采用活菌计数法测试其对E.coli与S.aureus的最低抑菌浓度MIC。通过正交试验讨论了PSPB-Am-AGE的最优合成工艺，并且将该抗菌剂通过轧烘焙的工艺整理到棉织物上。采用振荡法、平板计数测试整理棉织物的抗菌性、耐洗性。得到以下结论：

1)成功合成PSPB-Am-AGE抗菌剂，其对E.coli和S.aureus的MIC为2.625 g/L。

2)PSPB-Am-AGE 的最优合成工艺为：温度 70 ℃，甜菜碱与丙烯酰胺的量比2∶1，引发剂质量分数2%，反应时长间4 h。

3)PSPB-Am-AGE可接枝在棉织物。PSPB-Am-AGE整理棉织物对E.coli和S.aureus的抗菌率分别大于 96.25%，99.79%。经过30次洗涤后仍达到95%以上。

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