工业大麻纤维负载纳米银复合材料制备及抗菌性评价

常丽，陈安国，李建军，黄思齐，唐慧娟，潘根，邓勇，张翠萍，赵立宁，李德芳

(中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205)

大麻(CannabissativaL.)是大麻科大麻属一年生草本植物，最古老的作物之一[1]。大麻植株中含有致幻成瘾的活性成分四氢大麻酚(THC)，20世纪90年代，为了兴利避害，国际上逐步形成共识，将大麻植物中四氢大麻酚(THC)含量低于0.3%(雌株花穗干物质百分比)、不具备毒品利用价值的大麻品种称为工业大麻。

工业大麻纤维是天然纤维中韧度最高、可自然分解的环保纤维，通过光合作用可再生，取之不尽，用之不竭，并且其废弃物在自然界中容易降解，是大自然赠予人们最干净的材料，亦是人类用于纺织的最早纤维之一[2]。工业大麻纤维相对于其他纤维有难以比拟的优势：优良的吸湿、散湿、透气功能，传热导热速度快，穿着凉爽挺括、出汗不贴身，面料质地轻、强力大，防虫防霉、静电少、消音吸波、风格自然粗犷等[3-5]。在众多麻纤维中，工业大麻纤维最细软(约为苎麻的1/3，与棉纤维很接近)且末端呈钝圆状态，使其纺织品没有其他麻类纺织品的尖锐刺痒感。现今，工业大麻服装正逐步受到人们的青睐，市场需求年增长也较快[6]。根据国内外相关研究报告，工业大麻的韧皮纤维具有一定的抗菌性能[7]，这主要是由于纤维的中空多孔形态结构可破坏厌氧霉菌生存环境，且韧皮纤维所含大麻酚类物质具有一定的抗菌作用。然而，纺织用工业大麻纤维必须经过脱胶处理[8]，该过程会导致大部分抗菌成分流失，从而造成梳理后大麻纤维的抗菌性减弱，难以充分发挥其抗菌功能。

纳米银(Silver nanoparticles,AgNPs)作为一种无机银系纳米抗菌剂，其原子排列表现为介于固体和分子之间的“介态”，具备极强抗菌能力，可以杀灭细菌、真菌、支原体和衣原体等650多种致病微生物，且纳米银颗粒对细胞是无害的，已应用于生物医学领域[9-12]。纳米银主要是通过与细菌细胞膜表面的硫蛋白相互作用，破坏细胞膜结构致使细菌灭活[13]。此外，银离子可从AgNPs释放出来，与细菌DNA结构中的磷以及胞内蛋白的巯基相互作用，造成酶活受抑制，细菌无法分裂繁殖最终死亡[14]。因此，纳米银具有普通抗菌剂无法比拟的抗菌效果，并可实现低毒性、长效性。

纳米银与纤维材料的结合方法主要有物理法、共价键结合法和原位还原法3类。物理法操作简便，纳米银颗粒负载率较高，但物理吸附是一个相对较弱的结合作用，共价键结合法使纳米银与纤维材料之间通过一系列作用产生一个共价键的结合，但其制备过程最为复杂，化学药品消耗量大，成本较高；原位还原法使用还原剂使纳米银颗粒在基体纤维中缓慢生长，即银离子半径约为0.1 nm，可以进入纤维的内部结构，待纳米银颗粒原位长大后，便会被纤维的骨架包裹住。原位还原法使抗菌纳米银在材料的表面及内部原位合成，不会改变纤维的主体结构，既能保持纤维原有的机械性能，又能在一定程度上提高纳米银的负载率，使其与纤维结合更加牢固，有效地提高纤维抗菌的长效性。如：Hassan M M等[15]用柠檬酸钠原位还原银离子为纳米银，制备了多功能聚丙烯腈纤维，具有良好的抗菌活性、防紫外线及抗静电性能。在20次洗涤后，纤维失去轻微的抗菌活性。

目前，国内外对大麻纤维抗菌功能改性的研究较少，主要是针对苎麻、黄麻、剑麻等麻类纤维进行改性，一般是针对其柔软度、染色性、机械强度、吸附性能等[16-19]。本研究以工业大麻纤维为基体材料，通过化学预改性，选择性地使大麻纤维结构中的部分羟基转化为醛基，并利用纤维上羟基和醛基与银源先驱体硝酸银发生氧化还原反应，原位合成纳米银颗粒，制备工业大麻纤维负载纳米银的复合功能材料，并对该复合材料的抗菌性能及耐洗涤性进行测试，以期研制开发一种制备方法简单、抗菌性能优异且机械性能良好的新型抗菌工业大麻纤维材料，为我国抗菌材料市场提供良好的基材，能用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水的杀菌消毒，减少细菌、真菌等微生物给人类带来的健康危害及巨大经济损失。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

工业大麻纤维(主体长度20.8 mm，支数1568 Nm，强度2.41 CN/tex)由湖南华升集团有限公司提供。高碘酸钠购自上海麦克林生化科技有限公司，硝酸银、盐酸羟胺购自国药集团化学试剂有限公司，百里香酚兰购自天津市科密欧化学试剂有限公司，氢氧化钠、甲醇等购自湖南汇虹试剂有限公司，试验用水为超纯水，实验室自制。

扫描电子显微镜(SEM，JSM-7500F，日本电子公司)、透射电子显微镜(TEM，FEI Tecnai G2，美国FEI公司)、X射线光电子能谱(Escalab 250Xi，Thermo Fisher Scientific公司)、XRD(Bruker D8、德国布鲁克公司)、恒温振荡器(THZ-98C，上海一恒仪器有限公司)、鼓风干燥箱(DHG-9203A，上海精宏实验设备有限公司)。

1.2 工业大麻纤维负载纳米银的制备

称取1 g干燥平衡后的工业大麻纤维，放入18% NaOH溶液中，室温下浸泡1 h，取出纤维，蒸馏水洗涤至中性，置于40 ℃鼓风干燥箱烘干至恒重；再称取0.5 g上述纤维，放入1.5% NaIO4溶液中，50 ℃ 避光180 r/min恒温震荡1 h，取出纤维，浸泡在0.1 mol/L丙三醇溶液中30 min，再用蒸馏水洗涤干净，放置于40 ℃鼓风干燥箱烘干至恒重，测定纤维中醛基的含量；取0.3 g氧化纤维放入40 mL 0.01 mol/L的硝酸银溶液中，在70 ℃下振荡反应6 h，取出纤维用蒸馏水洗净，置于40 ℃鼓风干燥箱烘干至恒重。

1.3 醛基含量测定

向250 mL锥形瓶中加入50 mL质量浓度为20 g/L的盐酸羟胺/甲醇溶液和4滴百里香酚兰指示剂，此时溶液应呈现黄色，若为红色，则应用0.03 mol/L氢氧化钠/甲醇标准溶液滴定至黄色，不计所用氢氧化钠溶液的体积；然后向锥形瓶中加入0.1500 g纤维样品，室温振荡30 min，捞出纤维，用0.03 mol/L的氢氧化钠甲醇溶液滴定至黄色，并且在30 s内不褪变为粉红色，否则应继续进行滴定。按公式(1)计算胺基含量：

(1)

式中：

C—醛基含量，μmol/g；

V—滴定时消耗的0.03 mol/L氢氧化钠/甲醇溶液的体积，mL；

W—纤维的质量，g。

1.4 材料的表征

取适量纤维样品粘在导电胶上，喷金测试，电压15 kV，分辨率1.4 nm，采用电子显微镜观察纤维微观形貌；

将纤维切薄片，使用透射电子显微镜进行观察；

将纤维材料充分打磨成粉末状，在X射线光电子能谱仪上进行复合物表面元素分析，以Al Ka作为X-射线激发源，测试压力低于10-7Pa；

纤维样品充分打磨成粉末状后进行晶体结构检测，测定条件为：Cu靶，工作电压40 kV，电流40 mA，扫描角度2θ角(Bragg angle)自5°到90°变化，步距0.02。

1.5 抗菌活性测试

采用改良烧瓶振荡法[20]，分别选用大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌为革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和真菌代表。采用平皿计数法计算存活菌落数并按照公式(2)计算抗菌率，试验重复3次。

(2)

1.6 耐洗涤性测试

用质量浓度为0.1%的市售常规家用立白洗衣液，常温洗涤纤维10次、30次后，40 ℃鼓风干燥箱烘干，再按方法1.5做抗菌活性测试，计算抗菌率。

2 结果与分析

2.1 工业大麻纤维负载纳米银的制备

使用18%的氢氧化钠溶液在室温下浸泡纤维1 h，以释放工业大麻纤维结构中更多的反应活性羟基，同时碱预处理法能够降低纤维的结晶度，改善其可及度，有利于试剂与纤维的接触，从而提高反应活性[21]，反应后纤维减重(10.08±0.58)%。随后纤维与1.5%的NaIO4选择性发生氧化反应，将纤维大分子链上C2和C3上的羟基氧化成醛基，其过程中伴随降解作用，主要是由于氧化反应除了主链上键断裂，纤维素分子链的还原末端还会发生“过度氧化”，导致高分子链上葡萄糖单元逐步脱落[22]。氧化降解副反应的发生，对工业大麻纤维具有一定的侵蚀与剥离作用，导致纤维失重。反应条件50 ℃，1 h，纤维减重(4.20±0.89)%，生成的醛基含量为(541.78±17.03)μmol/g。取0.3 g含醛基的大麻纤维放入40 mL 0.01 mol/L的硝酸银溶液中，70 ℃振荡反应6 h，取出纤维，蒸馏水洗净，40 ℃鼓风干燥箱烘干。得到的复合材料呈棕黄色且颜色均匀，见图1。银离子原位还原生长的机理为：Ag+首先被吸附在大麻纤维表面，然后被纤维上的醛基还原为 Ag，进而聚集成核形成银纳米颗粒，而纤维由白色变为棕黄色是因其表面等离子体振动而引起颜色变化[23]。

(a)原纤维 (b)负载纳米银纤维图1 工业大麻纤维的形貌Fig.1 Morphology of hemp fiber

2.2 表征分析

由图2可知，大麻原纤维的表面较为光滑，突兀不平，有明显的竖条纹，纹络清晰。负载纳米银的纤维表面粗糙，褶皱增多，这是由于高碘酸钠氧化反应造成纤维的表面结构发生了变化，有助于增加纤维的表面积，提高纤维的吸附性能。同时，纤维表面原位生长了大量尺寸均匀、圆形或近圆形的颗粒，且无明显团聚，尺寸约为10 nm，这些颗粒即为纳米银颗粒。

(a)工业大麻原纤维 (b)工业大麻负载纳米银纤维图2 工业大麻纤维的SEM图Fig.2 SEM of hemp fiber

由图3可知，纳米银粒子基本呈现圆形或者近圆形，无明显聚集现象，说明大麻纤维在反应过程中不仅起到还原剂的作用，还能作为一种稳定剂。这些颗粒的尺寸约为10～20 nm，与图2分析结果一致。

图3 工业大麻负载纳米银纤维的TEM图Fig.3 TEM of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

采用XPS对工业大麻负载纳米银纤维表面元素及其价态进行分析，结果见图4。由图4可知，工业大麻负载纳米银纤维主要由C、O、N和Ag组成，原子百分比分别为65.52%、31.73%、1.72%和1.04%。对Ag3d进行高频扫描，得到Ag3d5/2和Ag3d3/2的结合能分别为368.18、374.08 eV，这两个峰表明大麻纤维上的银离子被还原生成了单质银，没有形成氧化银[24]，即大麻纤维表面分布的大量纳米颗粒为原位组装生成的单质纳米银。

(a)宽扫描图 (b)Ag3d 高分辨率扫描图图4 工业大麻负载纳米银纤维的XPS图Fig.4 XPS of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

由图5可知，工业大麻纤维在2θ=14.8°、22.6°处有特征峰，代表了(1¯10)、(200)晶面峰，经过高碘酸钠氧化后，发生了晶型结构的转变，大麻纤维在12.1°附近出现一个衍射峰，在20°～22°位置出现两个衍射峰，说明由纤维素Ⅰ型转变为纤维素Ⅱ型的结晶结构[25]。但XRD图中没有出现纳米银特征衍射峰，可能是纤维上负载的纳米银含量太低，超出了XRD的检出限，或者是由于纤维上所负载的纳米银是以无定形形式存在，没有形成结晶态。从图中还可以看出大麻纤维负载纳米银后纤维的整体结构未被破坏。

图5 工业大麻纤维的XRD图Fig.5 XRD of hemp fiber loaded with silver nanoparticles

2.3 抗菌活性及耐洗性测试

通过改良振荡烧瓶法对工业大麻原纤、吸附银离子纤维及负载纳米银颗粒纤维进行抗菌活性测试，并将上述纤维用立白洗衣液常温洗涤10次、50次后，进行耐洗涤性能测试，结果见表1～3。根据GB/T 20944.3—2008，当纤维对革兰氏菌和白色念珠菌的抗菌率分别高于70%和60%时，纤维具有抗菌活性。结果显示，工业大麻原纤维对致病菌没有抗菌活性。物理吸附银离子的纤维在短期内(1 h)不显示抗菌性，24 h后显示出优异的抗菌性，抗菌率达99.99%以上。负载纳米银颗粒纤维1 h即表现出优异的抗菌性能。纤维洗涤50次后，负载纳米银颗粒纤维的抗菌性能(24 h)几乎保持不变，仍在99.98%以上，短期内(1 h)的抗菌率有所下降，但对细菌的抗菌率仍保持在90%以上，对真菌的抗菌率在85%以上。因此，负载纳米银颗粒的工业大麻纤维具备高效、优异的抗菌性能和良好耐洗涤性能。

表1 工业大麻纤维对致病性大肠杆菌的抗菌活性Table 1 The antibacterial activities of hemp fibers against E.coli

表2 工业大麻纤维对金黄色葡萄球菌的抗菌活性Table 2 The antibacterial activities of hemp fibers against S.aureus

表3 工业大麻纤维对白色念珠菌的抗菌活性Table 3 The antibacterial activities of hemp fibers against

3 结论

通过高碘酸钠氧化反应使工业大麻纤维的纤维素大分子葡萄糖环C2—C3 键断裂开，两个仲羟基被氧化成醛基，以硝酸银为银源先驱体，通过硝酸银与大麻纤维上的活性反应基团羟基和醛基间的氧化还原反应原位合成纳米银颗粒，制备了工业大麻负载纳米银抗菌纤维。在制备过程中纤维发生了化学反应，起还原剂和载体/基体双重作用，在一定程度上减少了化学药品的危害。原位还原法在一定程度上提高了纳米颗粒的负载率，使其与纤维结合更加牢固，有效地提高了纤维的抗菌能力。SEM、TEM、XPS结果表明，纳米银颗粒为圆形或近圆形，平均粒径为10～20 nm，均匀的生长在纤维表面。复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率在洗涤50次后基本不变，均在99.98%以上。