氧化壳聚糖改性抗菌蚕丝织物的制备及其性能

2021-01-05郑宏飞汪瑞琪许云辉

纺织学报 2020年5期

郑宏飞，汪瑞琪，汪庆，朱莹，许云辉

(安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥 230036)

蚕丝丝素中包含20种氨基酸，其生物相容性、降解性以及亲肤性优异，在纺织服装、医药、食品、环保、化妆品、生物工程等领域应用前景巨大[1-2]，但蚕丝材料弹性小、易起皱和泛黄，尤其是抗菌性差，易受细菌、真菌和霉菌的腐蚀而导致蚕丝性能损伤、发生霉变和产生异味等缺陷[3-4]。近年来受禽流感等传染性病毒的影响，纺织品的抗菌防病功能越显重要。

壳聚糖是仅次于纤维素的第二大自然资源，具有广谱抑菌、止血、消炎、促进伤口愈合的作用[5-6]。作为一种绿色抗菌剂，壳聚糖可用于蚕丝的抗菌防皱等整理。Monteiro等[7]使用戊二醛交联壳聚糖分子，研究了二者间的均相反应，表明壳聚糖的氨基与戊二醛的醛酸基作用形成稳定的亚胺化学键，但交联后的壳聚糖溶解性变差，且戊二醛有一定的细胞毒性。Ferrero等[8]采用酒石酸、二甲基丙烯酸、环氧树脂等交联剂实现壳聚糖与蚕丝的化学接枝，发现壳聚糖接枝率高达22%～27%，而壳聚糖在蚕丝表面呈鳞片状不均匀分布，大量交联剂的涂覆影响了蚕丝的服用性能。Davarpanah等[9]利用丁二酸酐(SA)和邻苯二甲酸酐(PA)对蚕丝进行酰化作用，然后化学接枝壳聚糖，分析了酰化蚕丝与壳聚糖接枝反应以及改性蚕丝的染色性能，但酸酐与蚕丝的酰化反应需在二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂中进行，反应条件要求高，过程也复杂。Huang等[10]用甲酸共溶解丝素和壳聚糖制备出无交联剂的复合膜，指出复合膜具有的优异力学性能与膜中丝素微纤和壳聚糖纳米纤维间形成的强氢键力密切相关。由于壳聚糖与蚕丝间缺乏化学键合作用，目前主要通过化学交联剂的桥联作用将壳聚糖接枝在丝素纤维或织物上以达到功能改性的目的，但化学交联剂涂覆在天然蚕丝表面，可能对蚕丝的理化性能及人身健康产生负面影响；同时壳聚糖分子中极强的氢键力使其难溶于水和一般溶剂，常溶于酸溶液，而酸溶液易挥发、腐蚀性强、污染严重，限制了壳聚糖(OCS)的使用范围。选择性氧化壳聚糖可在分子链中引入醛基、羰基、羧基等官能团，改善壳聚糖的水溶性、化学活性和生物相容性等理化性能，已成为各国学者研究的热点方向[11-12]。尤其是对壳聚糖C6位伯羟基进行选择性氧化可生成羧基，不仅保持壳聚糖原有理化特性，还极大提高了氧化壳聚糖的水溶性、反应活性、环境友好性等[13-15]；同时OCS分子中引入的活性羧基具有结合丝素蛋白氨基的能力，在无化学交联剂条件下，借助酰胺化学键与蚕丝材料交联结合。

本文使用硝酸、磷酸和亚硝酸钠体系将壳聚糖葡萄糖基环中C6位伯羟基选择性氧化为羧基，使羧基壳聚糖溶解在水介质中，并在无交联剂条件下化学交联蚕丝织物，获得持久抗菌的氧化壳聚糖改性蚕丝材料(OCSMSF)。通过分析OCS质量浓度、接枝时间、处理温度、反应液pH值等因素对OCSMSF材料质量增加率的影响，优化羧基壳聚糖与丝素织物的反应条件，探究OCS和丝素纤维的交联机制，表征OCSMSF材料的内部微细结构，并测试其理化及抗菌性能，以期为多功能绿色蚕丝材料的研发及应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

脱除丝胶的蚕丝双绉织物(经纬向线密度分别为2.22 tex×2，2.44 tex×2，经纬密分别为531、410根/(10 cm))，安徽京九丝绸股份公司；水溶性氧化壳聚糖(按照已授权专利[16]进行制备，脱乙酰度为84.27%，分子质量为82.5 ku，羧基度为43.59%，水中溶解度为14.82 g/(100 mL)，等电点pH值约为5.2)；亚硝酸钠(纯度为99.8%)、磷酸(质量分数为85%)、硝酸(质量分数为68%)、丙酮、盐酸、乙酸钠、丙三醇、氢氧化钠、乙酸钙、无水乙醇、乙酸、酚酞指示剂，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；仙人掌黄酮类提取物(纯度为95.3%)，上海源叶生物有限公司，未经纯化直接使用；琼脂和营养肉汤，分析纯，合肥美丰化工仪器有限公司；大肠杆菌(E.coli，ATCC 8099)和金黄色葡萄球菌(S.aureus，ATCC 6538)，安徽医科大学。

1.2 样品制备

1.2.1 水溶性氧化壳聚糖的制备

称取4.0 g黏均分子量为80万、脱乙酰度为85%的原壳聚糖按浴比1∶30置于体积分数为4%的稀乙酸溶液中，于60 ℃搅拌1 h溶解，冷却至25 ℃后加入18 mL由浓硝酸和浓磷酸组成的混合酸体积比为2∶1，然后加入与混合酸的质量分数为0.9%的亚硝酸钠在避光密闭容器中，于25 ℃条件下轻微振荡反应3 h，反应结束后立即加入300 mL无水乙醇终止氧化反应，用丙酮减压抽滤氧化产物至滤液pH值为7.0左右、无水乙醇浸泡除去氧化剂、真空干燥、研磨后，得到水溶性羧基壳聚糖黄色粉末，装袋备用。

1.2.2 OCS接枝蚕丝材料的制备

将OCS溶于去离子水中配制成不同质量浓度的反应液，使用乙酸/乙酸钠缓冲液调节反应液pH值，然后按浴比1∶50加入脱除丝胶的蚕丝织物，保持反应温度恒定并搅拌接枝处理0.5～5 h，将接枝后的蚕丝织物于真空烘箱中80 ℃热处理3 h，再用去离子水充分洗涤3次、室温下去离子水浸泡8～10 h，经脱水，室温晾干后，得到不同质量增加率的氧化壳聚糖改性蚕丝材料(OCSMSF)，装袋保存。

1.2.3 OCSMSF承载仙人掌黄酮提取物

在三角瓶中配制质量分数为2%的仙人掌黄酮类提取物水溶液2份，分别放入蚕丝织物和氧化壳聚糖接枝蚕丝材料(浴比为1∶50)，于60 ℃条件下持续搅拌处理2 h，再将承载仙人掌黄酮提取物的蚕丝织物样品在80 ℃真空烘箱中干燥3 h，室温下用去离子水浸泡洗涤3～5次，脱水，室温下晾干后，获得负载仙人掌黄酮化合物的蚕丝样品。

1.3 结构与性能测试表征

1.3.1 OCS接枝蚕丝质量增加率测试

使用BS210S全自动光电天平(北京塞浦路斯仪器有限公司)称量氧化壳聚糖接枝前后的蚕丝织物，其干燥质量分别为m0、m1，根据下式计算改性蚕丝织物的质量增加率：

1.3.2 形貌观察

将蚕丝样品进行干燥处理，再用导电胶黏附在样品台上，对丝素表面进行喷金处理，用S-4800型扫描电子显微镜(SEM，日本日立公司)在扫描电压为2～5 kV条件下观察蚕丝样品的微观形貌。

1.3.3 化学结构表征

通过Nicolet NEXUS-870型傅里叶红外光谱(FTIR)仪(德国Bruker公司)，采用KBr压片法表征OCS的化学结构，使用表面全反射ATR法检测脱胶蚕丝织物(SFF)和氧化壳聚糖改性蚕丝材料(OCSMSF)的化学结构，分辨率为4 cm-1，扫描范围为4 000～500 cm-1。

1.3.4 核磁共振测试

将CS、OCS粉末放入4 mm的ZrO2回转管中，转速为5 kHz，补偿时间为20 ms，接触时间为1 ms，2个脉冲之间延迟3 ms，在AVANCEIII型超导核磁仪(瑞士Bruker公司)上进行固态核磁共振(NMR)碳谱测试。

1.3.5 结晶性能表征

利用D/max-3B型X射线衍射仪(日本理学公司)分析蚕丝的结晶结构，管电压为40 kV，管电流为30 mA，扫描速度为2(°)/min，扫描范围为5°～45°；采用高斯曲线分峰拟合测试所得衍射曲线，并计算蚕丝纤维结晶度[17]，蚕丝样品的结晶度(Xc)公式如下：

式中：Sc为各结晶峰面积之和，计数/s；Sa为非结晶峰面积，计数/s。

1.3.6 拉伸强力测试

根据GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》，使用YG(B)026D-250型电子织物强力仪(常州市第二纺织仪器厂)，在温度为20 ℃，相对湿度为65%的环境测试OCSMSF材料的拉伸强力。

1.3.7 毛细效应测试

采用YGW871型毛细效应测定仪(常州市纺织仪器厂)，按照FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》，在温度为20 ℃，相对湿度为65%的环境下检测OCSMSF材料的吸湿能力。

1.3.8 OCSMSF缓释仙人掌提取物测试

在2个三角瓶中配制好生理盐水，分别加入仙人掌黄酮类提取物处理的SFF和OCSMSF材料，在37 ℃水浴中分别恒温振荡不同天数(4～10 d)，每天更换生理盐水1次，采用UV-3600型紫外分光光度仪(日本岛津仪器公司)，在最大波长505 nm处测定蚕丝织物样品释放到生理盐水中的仙人掌黄酮提取物的吸光度值。

1.3.9 抑菌性能测试

对OCS交联蚕丝样品进行大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的定量抑菌测试，参照GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》，在烧瓶中加入剪碎的OCSMSF材料0.75 g，将pH≈7.2的PBS磷酸缓冲液70 mL和3×105～4×105cfu/mL的菌液5 mL混合后倒入烧瓶，在24 ℃条件下振荡培养18 h；稀释移出的1 mL培养液后在琼脂平板上涂布均匀，在37 ℃孵化箱中培养24 h后计数其繁殖的菌落数[18]，按照下式计算OCS改性蚕丝材料的抑菌率：

式中：Y0和Y1分别为SFF和OCSMSF材料样品的菌落数。

根据FZ/T 73023—2006《抗菌针织品附录C：抗菌织物试样洗涤试验方法》测试OCSMSF材料样品的抗菌耐水洗性能。

2 结果与讨论

2.1 OCS化学结构

壳聚糖(CS)分子糖环中C6位的伯羟基可被磷酸、硝酸和亚硝酸钠混合体系定位氧化成羧基，得到6-羧基壳聚糖。相关文献[16,19-20]研究显示，在HNO3/H3PO4-NaNO2混合体系中可形成NO2、NO等氮氧化物，带孤对电子的NO2和NO可吸引壳聚糖葡萄糖环C6位上的α氢原子产生CS—C(·)H—OH，然后被NO2·进攻后释放出NO·及HNO2，得到中间体CS—CH(OH)2；随后中间体CS—CH(OH)2在NO2·作用下经历脱氢与消除HNO2反应，最终形成羧基壳聚糖CS—COOH。本文在原壳聚糖CS(脱乙酰度为85%，分子质量为800 ku)的稀乙酸溶液中加入HNO3/H3PO4—NaNO2氧化体系于25 ℃条件下氧化3 h，制得脱乙酰度为84.27%，分子质量为82.5 ku，羧基度为43.59%，水中溶解度为14.82 g/(100 mL)，等电点pH值约为5.2的水溶性氧化壳聚糖产物。

CS分子中不同C位的羟基氧化情况可由固体核磁进行检测，图1示出HNO3/H3PO4-NaNO2体系选择性氧化壳聚糖的13C-NMR图谱。与原壳聚糖CS的核磁曲线相比，HNO3/H3PO4-NaNO2氧化的壳聚糖OCS位于化学位移55～60处的葡萄糖环侧链C6位响应峰变弱，且在174.32处附近出现了1个明显的新特征峰，属于氧化壳聚糖的—COOH响应峰；氧化壳聚糖在化学位移70～78处的葡萄糖骨架C2、C3和C5，化学位移60～64处的C2以及22.91处乙酰基的—CH3特征响应峰形状和强度基本没有改变，而位于化学位移100～106处葡萄糖骨架的C1响应峰和化学位移82～90处附近的C4响应峰的强度降低，可能是壳聚糖在HNO3/H3PO4-NaNO2氧化过程中出现氧化降解副反应。固相核磁结果显示，原壳聚糖分子中的C6位伯羟基已被HNO3/H3PO4-NaNO2混合体系氧化为—COOH，而CS糖环上的其他碳位羟基未发生氧化反应。

图1 原壳聚糖和氧化壳聚糖共振的固相13C核磁共振谱图Fig.1 Solid-state 13C NMR spectra of original chitosan and oxidized chitosan

图2 原壳聚糖和氧化壳聚糖的红外光谱Fig.2 FT-IR spectra of starting chitosan and oxidized chitosan

2.2 OCS反应参数对SFF质量增加率影响

图3 壳聚糖选择性氧化和羧基壳聚糖与SFF交联反应机制Fig.3 Forming mechanism of selective oxidation of CS and crosslinking reaction between OCS and SFF

图4示出OCS质量分数、接枝时间和温度、反应液pH值等因素对SFF质量增加率的影响。由图4(a)可知，低质量分数OCS处理的蚕丝织物质量增加较快，而较高质量分数(≥2%)OCS处理的丝素质量增加率增幅趋于平缓。在OCS质量分数增加过程中，OCS分子中的活性羧基数增多，与丝素肽链上的氨基进行接触和反应的概率增大，同时丝素上可供OCS交联的氨基位点也趋于饱和；因此，采用质量分数为2%的OCS接枝蚕丝织物较合适，SFF质量增加率达到9.17%。从图4(b)可以看出，在接枝处理2 h内，蚕丝质量增加较快，而反应时间再延长后SFF质量增加率变化不大。这说明反应初期(0～2 h)SFF中有充足的氨基与OCS结合，但进一步增加处理时间(≥2 h) 蚕丝纤维表面的有限氨基已被OCS酰胺反应。此外，图4(b)显示接枝温度是影响OCS与SFF交联的重要因素，60 ℃条件下丝素比25 ℃和40 ℃条件下质量增加很多，表明处理温度升高，OCS分子链热运动增强，分子中有更多的活性羧基暴露出来与SFF中的氨基进行接触及反应，但羧基壳聚糖酸性溶液在长时间及高温下处理会对SFF产生侵蚀作用，引起蚕丝性能损伤，故选择60 ℃和2 h作为OCS交联蚕丝材料的较宜条件。同时，反应液pH值对SFF质量增加率也有重要影响。由图4(c)可见：当反应液pH值小于5时，SFF质量增加率较高，在pH值为4.5左右时达最高值9.17%；而pH值在5.2左右接近OCS等电点时，蚕丝织物质量增加率最低，小于4%；此后pH值增大，SFF质量增加率略有提升。这主要与OCS是一种两性聚电解质，其分子中存在酸性羧基端和碱性氨基端，在水溶液中电离出高分子离子与抗衡离子有关[12,15]，因此，OCS酰胺接枝SFF的反应液pH值控制在4～4.5范围比较合适。

图4 OCS反应参数对SFF质量增加率的影响Fig.4 Effec of reaction parameters of OCS on weight gain of SFF. (a)Effect of OCS mass fraction on weight gain of SFF;(b) Effect of graft time and temperature on weight gain of SFF; (c) Effect of pH value of reaction solution on weight gain of SFF

2.3 OCSMSF材料微观形貌

图5示出纯SFF和3种不同质量增加率的OCS接枝蚕丝材料的微观形貌。可以看出，脱除丝胶的蚕丝纤维表面光滑平整(见图5(a))，对比几种不同质量增加率的OCSMSF材料可以发现，当SFF质量增加率较低时，制备的OCS接枝丝素织物中部分纤维表面沉积有少量的块状物(见图5(b))，随着SFF交联的OCS质量增加率提高，获得的OCSMSF材料表面粗糙度增加，大量的块状物黏附于蚕丝纤维表面，尤其是质量增加率为9.17%的改性蚕丝材料(如图5(d)所示)清晰显示丝素纤维表面被OCS膜覆盖，且有部分单根丝素纤维被OCS膜黏连在一起。SEM结果表明，OCS接枝蚕丝材料表面存在的氧化壳聚糖附着物与改性蚕丝材料较高的质量增加率相一致。

图5 SFF和OCSMSF材料的SEM照片(×1 000)Fig.5 SEM images of virgin SFF and OCSMSF samples (×1 000). (a) Pure SFF; (b) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 4.34%); (c) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 7.09%); (d) OCSMSF (grafted SFF with weight gain of 9.17%)

2.4 OCSMSF材料化学与结晶结构

图6为SFF和OCSMSF材料的红外光谱图。在SFF红外谱图中，在3 400～3 000 cm-1附近的强吸收谱带是丝素蛋白中O—H和N—H的伸缩振动峰，而1 619、1 512和1 225 cm-1处分别对应丝素的酰胺I、酰胺II和酰胺III的特征吸收峰[21]。在交联改性的OCSMSF材料红外谱图中，1 373.2、1 328.8 cm-1处出现对应于氧化壳聚糖的—COO-对称伸缩振动和—OH的面内弯曲振动吸收带；在1 158.4 cm-1附近存在较强氧化壳聚糖C—O—C“桥”式不对称伸缩吸收峰[9]，且位于1 032.4、1 063.6 cm-1处的氧化壳聚糖伯羟基和仲羟基的C—O伸缩吸收带也较为明显，同时在892.8、829.3 cm-1处分别呈现出较弱的氧化壳聚糖β-吡喃糖苷键振动峰以及OCS分子中部分氨基与其羧基形成的内盐键特征峰。此外，在OCSMSF材料红外谱图中，位于1 739 cm-1附近出现新的吸收峰，这是由于引入氧化壳聚糖OCS后—COOH基团的特征吸收峰，且羧基吸收峰值强度随着丝素质量增加率提高而增大，这些吸收峰在纯SFF的红外曲线中没有出现，这一实验结果证明了蚕丝纤维与氧化壳聚糖发生了酰胺交联反应，OCS接枝蚕丝材料中有氧化壳聚糖的存在，这一结果与改性蚕丝材料的SEM照片及质量增加率的数据相吻合。

图6 SFF和OCSMSF材料的ATR-FTIR图谱Fig.6 ATR-FTIR spectra of SFF and OCSMSF materials

图7示出OCS交联改性前后蚕丝织物X射线衍射(XRD)图谱。可以看出：在OCS衍射曲线上的衍射角10°和20°附近有2个特征衍射峰，分别对应OCS结晶形态I的(100)晶面和结晶形态II的(100)晶面，SFF和不同质量增加率的OCSMSF X射线衍射曲线形状相似，均在衍射角2θ为9.56°、20.48°、24.72°和38.27°位置附近存在丝素纤维的特征衍射峰[17]，OCS交联反应没有改变SFF的结晶结构。对比SFF和OCSMSF材料的X射线衍射曲线强度，改性蚕丝材料的衍射峰强度略有下降，采用高斯曲线分峰拟合样品的X射线衍射曲线，计算得出SFF、质量增加率4.34%和9.17%的OCSMSF材料的结晶度分别为46.27%、44.31%和40.02%。

图7 SFF和OCS及OCSMSF材料的XRD图谱Fig.7 XRD spectra of SFF, OCS and OCSMSF samples

2.5 OCSMSF材料力学及吸湿性能

测定了纯SFF和交联改性后的OCSMSF材料的力学性能及吸湿性，结果如图8所示。可以看出，与原蚕丝织物的拉伸强力相比，不同质量增加率的OCSMSF材料的拉伸强力有轻微降低，质量增加率低于9.17%的改性蚕丝断裂强力下降幅度小于6.08%，主要因为OCS分子交联结合在蚕丝纤维表面，对蚕丝材料聚集态结构及其力学性能影响较小，这一结果与OCSMSF材料的结晶结构分析结果相吻合。此外，OCSMSF织物的吸湿性能明显提升，OCSMSF材料的毛细效应值随着蚕丝织物中OCS质量的增大而提高，质量增加率为9.17%时的吸湿性提高了42.92%，而随后吸湿性增加缓慢，这是由于OCS分子中存在较多的氨基、羧基、羟基等亲水性基团，故接枝OCS后的蚕丝织物展现良好的吸湿能力，但质量增加率过高后，OCS分子键合在蚕丝织物表面形成片膜结构，使2根及以上的蚕丝纤维黏合在一起(见图5(d))，导致OCSMSF材料中丝素纤维间的孔隙减少，从而影响蚕丝材料的毛细吸水。

图8 SFF和OCSMSF材料的拉伸强力和吸湿性能Fig.8 Mechanical strength and hygroscopic property of virgin SFF and OCSMSF materials

2.6 OCSMF材料缓释仙人掌提取物

仙人掌黄酮类提取物具有抗肿瘤、保湿护肤、抗衰老、防过敏、抑菌等功效[22]，使用OCS改性蚕丝材料对其进行药物缓释，能充分发挥仙人掌提取物的药理作用。表1示出在生理NaCl溶液中纯SFF与OCSMSF材料释放的仙人掌黄酮类提取物的吸光度数据。可以看出，OCSMSF材料在测试的10 d中比原蚕丝释放出更多的仙人掌提取物，且缓释过程较平稳。OCSMSF织物在不同天数缓释以及乙醇萃取的仙人掌黄酮类提取物吸光度数值总和约为纯SFF的2.96倍，这是由于OCSMSF材料中存在较多的氧化壳聚糖的—NH3+，可通过氢键、离子键等次级作用力增强改性蚕丝织物结合及吸附仙人掌提取物的能力，故交联改性蚕丝织物承载与缓释出更多的仙人掌提取物，具有良好的药物缓释效果。

2.7 OCSMCF材料抗菌活性

表2 示出不同质量增加率的改性蚕丝材料对革兰氏阴性菌和阳性菌的抑菌率。可以看出，质量增加率分别为4.34%和9.17%的OCSMSF织物均对金黄色葡萄球菌(S.aureus)及大肠杆菌(E.coli)具有较强的抗菌效果，尤其是高接枝率(9.17%)的改性蚕丝材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别高达99.46%和94.08%，且经30次水洗后，对2种测试细菌的抑菌率仍大于90.75%，这说明OCSMSF材料表现出良好的抑菌活性及抗菌耐洗涤性能。同时从表2可看出，不同质量增加率的OCSMSF材料对大肠杆菌的抑制作用低于金黄色葡萄球菌，可能是大肠杆菌细胞壁含有较厚网状结构的肽聚糖和磷壁酸，且比革兰氏阳性菌致密，一定程度上减弱了抗菌剂的影响[18]，从而使OCSMSF对大肠杆菌的抑菌性能较差。