抗菌和防细菌黏附整理剂在棉织物改性中的应用

杨 尧， 程 伟， 余圆圆， 王 强， 王 平， 周 曼

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

棉织物广泛应用于服装、家纺、抗菌敷料等。由于棉织物具有亲水性，容易黏附皮肤新陈代谢的油脂、汗液等分泌物，并且纤维主要组分为纤维素，是微生物生存繁衍的温床，导致细菌在织物上大量繁殖，从而危害人体健康[1]。

传统的抗菌纺织品在使用一段时间后，死亡的微生物会在织物表面形成生物膜，阻碍抗菌剂和微生物接触，导致纺织品抗菌性能逐渐减弱，并且生物膜会为后续细菌的黏附提供新的位点，进一步降低了织物的抗菌效果[2-3]。针对死细菌黏附形成的生物膜会导致抗菌材料性能下降的问题，设计同时具有防细菌黏附和抑菌功能的材料是一种可行的方法[4]。亲水性材料表面能够减少微生物的非特异性吸附，因此，利用亲水性物质对材料表面改性是构建防细菌黏附材料的主要方法之一。常用的亲水性物质有聚氨基酸、聚乙烯醇、两性离子聚合物、聚乙二醇及其衍生物等[5]。两性离子聚合物的聚合单体中同时含有正离子和负离子[6]，如甜菜碱类铵盐。甜菜碱类两性离子聚合物能够与水发生强相互作用，将其修饰于材料表面，能够在材料表面形成水化层[7-8]，从而阻隔细菌与材料表面接触，或者在水环境中将材料表面黏附的活/死细菌释放[9]。Yan等将两性离子聚合物(PSBMA)与季铵盐阳离子聚合物(PDMAEMA+)结合，制备了一种内层杀菌、外层防细菌黏附的材料表面。在干态条件下，外层塌陷，内层结合吸附细菌发挥杀菌功能；在湿态条件下，由于两性离子聚合物的亲水性，外层聚合物分子链从塌陷状态切换到伸直状态，并与水结合形成水化层，释放表面黏附的活/死细菌，阻碍细菌黏附[10]。

本文研究采用光控葡萄糖氧化酶(GOx)体系引发乙烯基单体自由基共聚合反应。在405 nm紫外光照射下，GOx氧化葡萄糖过程中辅酶因子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)转变成还原态的FADH-，进一步变成还原性更强的激发态(FADH-)*，从而将电子转移给乙烯基单体引发自由基聚合反应[11]。选用含有乙烯基的3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)分别与含乙烯基阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和含乙烯基两性离子单体[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA)进行共聚合反应[12]，分别得到聚合单元中含有硅甲氧基的抗菌阳离子聚合物或防细菌黏附的两性离子聚合物[13]。硅甲氧基在水解后生成硅羟基，可与棉纤维中的羟基交联，也可发生自交联，因此制备得到的聚合物能通过共价键整理到棉织物上，从而实现织物的抗菌和防细菌黏附改性。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：3-(异丁酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA，质量分数≥97%)、[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA，质量分数≥97%)、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA，质量分数≥99%)、葡萄糖氧化酶(GOx，酶活为100 U/mg)、溴乙烷(质量分数≥99%)，购自阿拉丁试剂有限公司；D-无水葡萄糖(AR)、冰醋酸(HAc，AR)、三(羟甲基)氨基甲烷(Tris，AR)，购自国药集团化学试剂有限公司；SOTY 9/PI，购自赛默飞世尔科技(中国)有限公司；金黄色葡萄球菌(ATCC6538，S.aureus)、大肠杆菌(ATCC25992，E.coli)，购自南京乐诊生物技术有限公司。

仪器：Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技(中国)有限公司)，SU1510扫描电子显微镜(日本日立株式会社)，Carl Zeiss LSM880高分辨率激光共聚焦显微镜(德国卡尔蔡司股份公司)，荣耀5050紫色LED灯(荣耀灯饰照明有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 防细菌黏附聚合物和抗菌聚合物的合成

向锥形瓶依次加入20 mL Tris-HAc缓冲溶液(0.2 mol/L，pH值为5.5)，0.5 mL葡萄糖溶液(0.016 2 g/mL)，0.75 g TMSPMA，一定量的SBMA或DMAEMA。将上述溶液进行通氮气脱气处理20 min，加入0.5 mL GOx溶液(0.003 6 g/mL)，放置于磁力搅拌器上低速搅拌，紫色LED灯光照射，室温反应8 h。按以上步骤，制备单体投料质量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)分别为2∶1，2∶2，2∶3，2∶4和m(TMSPMA)：m(SBMA)分别为2∶1，2∶2，2∶3，2∶4的聚合产物P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)。

1.2.2 防细菌黏附和抗菌聚合物处理棉织物

将制备得到的20 mL聚合产物P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)溶液倒入烧杯，放入1 g棉织物。烧杯置于水浴锅振荡(30 ℃，120 r/min)处理1 h。处理结束，将织物平铺于玻璃表面皿，在60 ℃烘箱烘干，150 ℃焙烘5 min，制备得到P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)单独整理棉织物。经单体投料质量比m(TMSPMA)：m(SBMA)为2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制备的防细菌黏附聚合物处理棉织物样品分别编号为1#，2#，3#，4#；经单体投料质量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)为2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制备的抗菌聚合物处理棉织物样品分别编号为5#，6#，7#，8#。

将单体投料质量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)为2∶3与m(TMSPMA)：m(SBMA)为2∶3制备得到的聚合物，按不同体积比(1∶2、1∶1和2∶1)混合至20 mL，与单独整理工艺流程相同，制备得到P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物。对P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)体积比为1∶2,1∶1和2∶1处理棉织物分别编号为9#，10#，11#。

P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物需进行季铵化处理，从而获得抗菌功能。将整理后织物浸泡在含溴乙烷的乙腈溶液(体积分数为20%)中，40 ℃过夜反应；反应结束，使用乙醇和去离子水清洗棉织物，去除各种残留物，得到季铵化P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物。

1.3 测试方法

1.3.1 化学结构表征

通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)对不同整理的棉织物进行结构表征，扫描波数范围为4 000～500 cm-1，扫描次数为32，分辨率为4 cm-1。

1.3.2 元素含量与分布测试

通过能量色散X射线能谱仪对不同织物样品表面的C、N、O、S、Si元素含量及分布进行测定。

1.3.3 形貌观察

通过导电胶将不同棉织物固定在电镜台上，然后进行喷金处理，利用扫描电子显微镜(SEM)对样品表面形貌进行观察，扫描电压为5 kV。

1.3.4 抗菌性能测试

琼脂平皿扩散法：在超净台上准备无菌培养基，向培养皿中倒入约15 mL琼脂培养基，待其凝冻备用。将不同织物裁成直径为2.5 cm的圆片，置于超净台紫外光照射1 h。按照GB/T 20944.1—2007《纺织品 抗菌性能的评价 第1部分：琼脂平皿扩散法》制备接种菌悬液，将菌悬液用磷酸盐缓冲液(PBS，pH值为7.2～7.4)稀释1 000倍，移取1 mL菌液加入培养基，使用涂布棒刮涂均匀，随后将不同织物样品贴合在培养皿上，在37 ℃培养24 h，观察培养基中织物周围菌落生长情况并拍照。实验菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。

振荡法：按照GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》对整理前后棉织物的抑菌率进行测定。实验菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。

1.3.5 防活细菌黏附率测试

按照GB/T 20944.3—2008制备接种菌悬液，将菌悬液用PBS溶液稀释成活菌数为1×107CFU/mL待用。实验菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。裁剪2 cm×2 cm大小的不同织物，放入装有20 mL菌液的试管中，在150 r/min，24 ℃条件下振荡培养24 h。先用灭菌过的PBS溶液冲洗掉织物表面黏附不牢的细菌，接着将织物转移到装有10 mL PBS缓冲液的试管中，超声波处理10 min，将织物表面牢固黏附的细菌洗脱至缓冲液中。采用10倍稀释法将细菌洗脱液系列稀释至不同浓度。取1 mL菌液均匀涂布于培养基表面，于37 ℃培养24 h，记录培养基中菌落数并拍照[2]。防活细菌黏附率计算公式为

Z=(Q0-Q)/Q0×100%

式中：Z为整理织物的防活细菌黏附率，%；Q为整理织物上的黏附活细菌总数；Q0为未改性织物上的黏附活细菌总数。

1.3.6 织物表面活/死细菌数观察

采用荧光染色法观察织物表面活/死细菌。按照GB/T 20944.3—2008培养接种菌悬液，将制备的菌悬液加入200 mL灭菌PBS溶液。将2 cm×2 cm大小的不同织物放入上述溶液中，于24 ℃静置培养24 h。先用灭菌过的PBS溶液将织物表面黏附不牢的细菌冲洗掉，接着将织物转移到装有10 mL PBS缓冲液的离心管中超声波振荡10 min。织物表面黏附的细菌脱落于溶液中。将载玻片置于无菌玻璃培养皿，取超声波处理后的菌悬液300 μL于载玻片上均匀铺展开，在无菌操作台上风干。将荧光染色剂PI和SOTY 9混合涂覆于载玻片上，锡纸避光着色15 min。盖上洁净盖玻片，然后倒置于激光共聚焦显微镜下观察。

2 结果与讨论

2.1 化学结构分析

图1 未改性棉织物和不同整理棉织物的红外光谱

2.2 元素含量分析

未改性和不同整理织物表面C、N、O、Si、S元素含量，结果如表1所示。未改性棉织物表面C、N、O、Si、S元素质量分数分别为46.41%，0.36%，51.98%，0.04%，1.21%。未改性棉织物中含有部分天然杂质，另外前处理加工使用的部分化学助剂残留在织物表面，使得织物表面测得微量N、Si、S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉织物4#表面N、Si、S质量分数分别提升至2.33%，0.60%，2.82%，这是因为TMSPMA结构中含有Si，SBMA结构中含有N，S。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物8#表面O质量分数提升至52.47%，较未改性棉织物N增加至0.54%，S降低至0.79%，这是因为DMAEMA分子结构中含有N，并不含有S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物10#较未改性棉织物的Si、S和N质量分数分别提高0.56%、1.64%和2.08%。

表1 不同棉织物表面各元素含量占比

2.3 形貌分析

通过扫描电子显微镜观察未改性棉织物、P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉织物4#与P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物8#的表面形貌，结果如图2所示。未改性棉织物表面相对粗糙，具有棉纤维天然沟壑;经过P(TMSPMA-co-SBMA)整理改性织物中棉纤维表面沟壑基本消失，并有1层膜状物覆盖；P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理改性织物，表面光滑，且纤维表面沟壑消失。

图2 不同棉织物的SEM照片(×3 000)

2.4 织物抗菌性能分析

图3为TMSPMA与SBMA或DMAEMA按不同投料比制备得到的P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物对S.aureus、E.coli的抑菌圈测试图。可以看出，整理织物均无明显的抑菌圈出现。这是因为P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)通过分子结构中的硅烷水解产生的硅羟基与棉纤维上的羟基发生交联反应，使得P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)与棉织物之间牢固结合，抗菌剂不会释放到周围环境中，因此不会出现抑菌圈。

注：3#、4#为防细菌黏附整理棉织物；5#，6#，7#，8#为抗菌整理棉织物。

表2示出TMSPMA与SBMA或DMAEMA按不同投料比制备得到的P(TMSPMA-co-DMAEMA)或P(TMSPMA-co-SBMA)单独整理棉织物对S.aureus和E.coli的抑菌率。经P(TMSPMA-co-SBMA)整理后的织物对S.aureus和E.coli均具有抑菌作用，抑菌率在85%～90%之间。本实验采用振荡烧瓶法测试织物抗菌性，织物与菌液接触一定时间，以溶液中的细菌浓度表征织物的抗菌效果。经P(TMSPMA-co-SBMA)整理的织物表面带有大量两性离子基团，当织物在溶液中时，会在织物表面形成水化层，从而阻碍细菌与织物接触，使细菌无法以织物为营养源而大量繁殖。另外，也有文献表明聚两性离子化合物具有一定的抗菌性能[14]。经P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理后的织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有很强的抑菌作用，抑菌率达到99%以上。这是由于P(TMSPMA-co-DMAEMA)中含有大量阳离子基团，具有很强的抑菌作用。

表2 不同改性织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌率

2.5 织物防活细菌黏附性能

表3示出P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的防活细菌黏附率。该方法表征织物表面黏附的活细菌量。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物具有很强的抑菌作用，织物表面活菌数量很少，所以改性织物的防活细菌黏附率达90%以上，但是该结果无法反映织物表面的死细菌量。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉织物的防活细菌黏附率随着单体SBMA投料比的增加而提高，最高能达到97%以上。P(TMSPMA-co-SBMA)的抑菌能力相对较弱，但是其整理棉织物的防活细菌黏附率却很高。这是因为SBMA化学结构中含有两性离子基团，在溶液环境下，该基团与水分子结合，在织物表面形成水化层，阻碍溶液中细菌黏附到织物上，并能够将织物表面已黏附的活/死细菌释放到溶液中。SBMA用量增加，使聚合物中两性离子基团数量增加，有利于织物表面水化层的形成，织物防活细菌黏附率提高。

表3 不同棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的防活细菌黏附率

2.6 织物抗菌防细菌黏附性能

由P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)单独整理织物的防活细菌黏附结果可知，聚合反应时控制m(TMSPMA)：m(SBMA)和m(TMSPMA)：m(DMAEMA)为2∶3，制备得到的聚合物整理织物具有较高的防活细菌黏附率和抑菌率。采用此投料比制备的P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物，对改性织物的防活细菌黏附率和抑菌率进行测试，结果如表4所示。

表4 不同棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的防活菌黏附率和抑菌率

用P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物的抑菌率基本达到99%。当P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)用量不同时，共同整理后织物的防活细菌黏附率不同。P(TMSPMA-co-SBMA)与P(TMSPMA-co-DMAEMA)体积比分别为1∶2、1∶1和2∶1时，整理后织物对金黄色葡萄球菌的防活细菌黏附率分别为33.67%，41.70%和81.90%；对大肠杆菌的防活细菌黏附率分别为44.67%，68.18%和81.06%。可以看出，随着P(TMSPMA-co-SBMA)用量的增加，整理织物的抗活细菌黏附性能提升。

2.7 改性棉织物表面细菌黏附情况

利用激光共聚焦显微镜观察从织物表面洗脱下的活/死细菌，结果如图4所示。图中绿色为活细菌，红色和黄色为死细菌。可以看出，未整理棉织物表面洗脱下大量的活菌，并且死细菌数量很少。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物8#洗脱菌液中观察到大量死细菌，这与P(TMSPMA-co-DMAEMA)具有抑菌作用一致。P(TMSPMA-co-SBMA)整理织物4#洗脱下的主要还是活细菌，但与未整理棉织物相比，活细菌的数量明显减少；与P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉织物8#相比，死细菌数量减少。结果表明，P(TMSPMA-co-SBMA)整理织物4#具有防活/死细菌黏附性能。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物11#洗脱液中仅观察到少量死/活细菌，表明织物既具有抑菌性能，又具有很好的防死/活细菌黏附性能。

图4 不同织物表面金黄色葡萄球菌和大肠杆菌荧光染色图

3 结 论

本文利用光控葡萄糖氧化酶(Gox)体系合成3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)抗菌共聚物P(TMSPMA-co-DMAEME)与3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(SBMA)防细菌黏附聚合物P(TMSPMA-co-SBMA)，并将2种聚合物整理到棉织物上，得到以下主要结论。

1)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率达99%以上；P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉织物的防活细菌黏附率最高能达到97%以上。

2)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉织物不具有防死细菌黏附功能，与菌液接触后，织物表面牢固黏附大量死细菌。经P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉织物既具有优异的抗菌功能，又具有良好的防死/活细菌黏附性能。

3)抗菌防细菌黏附功能棉织物有效阻碍死/活细菌在纺织品表面牢固黏附，提高织物的抗菌性和耐久性，在鞋袜，安全卫生和野外活动等领域具有很好的应用前景。