UV固化制备聚（L⁃乳酸）/壳聚糖薄膜及其热学、力学及抑菌性能研究

2023-09-05胡娅洁云雪艳董同力嘎

中国塑料 2023年8期

杜乐，胡娅洁，胡健，孙滔，云雪艳，董同力嘎

（内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018）

0 前言

PLLA 是一种脂肪族聚酯，具有高度透明、热稳定较好的优势，但却存在韧性差、脆性大，细胞相容性不好、缺乏活性基团等缺点［1⁃2］，限制其在更多领域的广泛应用，因此，出现很多生物基材料通过共混、共聚、接枝、缩聚等方法改善其性能［3⁃4］，满足使用时的需求。Cs是提高聚合物性能而不影响其可持续性的最合适生物材料之一。Cs 作为自然界唯一的碱性多糖，是一种阳离子生物聚合物，具有生物相容好、可降解、安全无毒和广谱抑菌性等优点，而且Cs 还具有良好的成膜性，但也因其力学性能等问题无法单独使用［5］，常与其他材料相结合使用。Fathima 等［6］使用聚乙二醇为交联剂、聚乙烯醇为增塑剂，将纳米壳聚糖（NCs）嵌入PLLA 膜中，结果表明PLLA/NCs 薄膜具有良好的力学性能和热封性。Wu 等［7］将Cs 和茜素（AL）与PLLA共混制备出具有良好柔韧性和高透明度的薄膜。Hos⁃seini等［8］选择PLLA 为基材，肉桂醛⁃壳聚糖⁃聚乙烯醇⁃明胶（CPF）为涂层，通过氢键相互作用在PLLA 表面形成双层涂层，提高了薄膜的机械强度、防水性和延展性，并使薄膜具有抗氧化和抗菌活性。

Cs 与PLLA 2 种材料具有良好的协同性能，通常Cs与PLLA 发生反应的条件有限，合成难度大，以往对二者采用共混的研究方法居多，通常此方法会很难解决2 种材料相溶性差的问题［9⁃11］，为使二者合成条件简单、高效，可选择先将PLLA与Cs分别进行改性再相结合的方式来制备性能优异的材料。聚（衣康酸⁃co⁃丁二醇）（PBI）是由单体衣康酸（BI）［12］和1，4⁃丁二醇（BDO）［13⁃14］合成的具有C=C 的不饱和生物基聚酯，作为柔性链段加入PLLA 中，可以起到改善PLLA 力学性能的作用［15］。并且链段中的C=C 可再继续引入其他基团赋予材料新的性能。Cs中含有—OH、—NH2活泼基团反应活性较强，GMA 是酯类化合物，拥有可自由基聚合反应的双键又有环氧基团，这二者在较低温度下就可发生反应合成出带有C=C 的壳聚糖衍生物Cs⁃g⁃GMA，使其壳聚糖衍生物广泛用于医学及包装材料领域［16⁃17］。

本文旨在对引入PBI链段的PLLA薄膜接枝Cs⁃g⁃GMA 的研究，将Cs⁃g⁃GMA 与PLBI 薄膜进行接枝反应，进而研究其抑菌薄膜材料的热力学性能及变化规律。实验以脱水缩合的PLLA 为基材，与PBI 熔融共聚反应生成PLBI，采用溶液浇铸法制备薄膜，通过UV照射与添加1 %（体积分数）光引发剂的Cs⁃g⁃GMA 溶液进行接枝反应，制备出PLBI/Cs⁃g⁃GMA 抑菌薄膜，对共聚物PLBI、Cs⁃g⁃GMA 进行核磁分析及对抑菌薄膜进行红外分析，力学性能、热学性能和亲水性能、抑菌性能测试。

1 实验部分

1.1 主要原料

L⁃乳酸（L⁃LA），纯度≥90.0 %，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

衣康酸（IA），纯度≥99.0 %，美国西格玛⁃奥德里奇公司；

1，4⁃丁二醇（BDO），纯度≥99.0 %，美国西格玛⁃奥德里奇公司；

SnCl2·2H2O，纯度≥99.5 %，美国西格玛⁃奥德里奇公司；

对甲苯磺酸（TSA），纯度≥99.5 %，美国西格玛⁃奥德里奇公司；

Cs，脱乙酰度90 %，分子量2×105，北京索莱宝科技有限公司；

GMA，纯度≥96 %，北京索莱宝科技有限公司；

2⁃羟基⁃2⁃甲基⁃1⁃苯基⁃1⁃丙酮（HMMP），纯度98 %，北京索莱宝科技有限公司；

KBr、KOH、乙酸（AC）、无水乙醇、CHCl3，分析纯，国药集团化学试剂公司；

大肠杆菌，ATCC 6538 Escherichia coli，商城北纳创联生物科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

核磁共振谱仪（1H⁃NMR），400MHzAdvance 2B，德国Bruker公司；

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），IRAffinity⁃1，日本岛津公司；

智能电子拉力试验机，XLW⁃EC，济南兰光机电技术有限公司；

接触角测量仪，SL200KB，美国KINO Industry公司；

扫描电子显微镜（SEM），TM400，日本日立公司；

差示扫描量热仪（MDSC），DSC⁃Q20，美国TA公司；

UV 固化机，RW⁃UVAT201⁃20，深圳市润沃机电有限公司。

1.3 样品制备

Cs⁃g⁃GMA 制备：参考Uspenskii［16］等的方法并稍作修改，将1 g Cs 溶于盛有0.1 M 100 mL 乙酸的三口烧瓶中，室温搅拌溶解，缓慢滴加GMA，加入5 %（体积分数）0.05 M 的氢氧化钾溶液，N2气氛下，60 ℃反应4 h，制得Cs⁃g⁃GMA；其中Cs与GMA按摩尔比1/0.4、1/0.6、1/0.8、1/1进行反应，反应产物分别命名为Cs⁃g⁃GMA0.4、Cs⁃g⁃GMA0.6、Cs⁃g⁃GMA0.8、Cs⁃g⁃GMA1；

PLBI 薄膜制备：共聚物PLBI 的合成采用熔融缩聚法；首先，将IA 和BDO 以摩尔比1/1 添加到三口烧瓶中，反应装置完全密闭；反应前N2置换3 次，将反应温度调至150 ℃，反应2 h，再在真空条件下反应4 h 合成PBI；然后，将700 g 90 %（质量分数）的L⁃乳酸溶液倒入带有搅拌器和冷能回流装置的反应釜中，110 ℃、40 kPa 下脱水反应1 h，将温度升温至150 ℃，降压到13 kPa，反应2 h，再升温至180 ℃、降压至4 kPa 下抽真空4 h，制备出低分子量PLLA；按照质量比（8/92）将PBI加入到PLLA 中，然后加入SnCl2·2H2O 和TSA，催化剂添加量为总反应物质量的0.5 %，真空下180 ℃反应至待反应物黏度增大至出现搅拌器电机扭矩增大的情况下停止；将反应物在室温下冷却得到粗产物，将其破碎成粉末后于150 ℃固相36 h，经沉降、干燥等步骤进行纯化得到PLBI 终产物；最后，采用溶液浇铸法制备薄膜，称取2.5 g PLBI 溶于70 mL 氯仿中，溶解后倒在干净、光滑的玻璃板上，待溶剂挥发后揭下薄膜，放入真空干燥箱等待各项测试及实验；

PLBI/Cs⁃g⁃GMA 抑菌薄膜的制备：将上述制备的PLBI 薄膜浸泡在合成的Cs⁃g⁃GMA0.4、Cs⁃g⁃GMA0.6、Cs⁃g⁃GMA0.8、Cs⁃g⁃GMA1溶液中，加入1 %（体积分数）的光引发剂HMMP，经过UV（360 W）照射15 s，用AC 和蒸馏水反复冲洗薄膜，真空干燥后等待备用；将此薄膜分别命名为PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.4、PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.6、PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.8、PLBI/Cs⁃g⁃GMA1.0。

1.4 性能测试与结构表征

核磁分析：采用1H⁃NMR 表征合成的PLBI、Cs⁃g⁃GMA 共聚物；PLBI共聚物以氘代三氯甲烷为溶剂；Cs⁃g⁃GMA以重水为溶剂，测定条件室温；

红外分析：将PLBI 薄膜与PLBI/Cs⁃g⁃GMA 抑菌薄膜分别进行红外测定，分辨率4 cm-1，波长范围400～4 000 cm-1，扫描64次；

热性能分析：称取8～10 mg样品于坩埚，氮气气氛下以2 ℃/min的加热速率从-50 ℃升温至200 ℃；可直接得到各样品的玻璃化转变温度（Tg）、熔点（Tm）、冷结晶温度（Tcc）等热学参数，通过积分计算得到冷结晶焓（ΔHcc，J/g）和熔融焓（△Hm，J/g），根据式（1）计算得出材料的结晶度（Xc，%），其中△Ho是纯聚合物理想状态下100 %结晶时的热焓值（PLLA的△H0=93.6 J/g）［18］；

拉伸性能测试：根据ASTM D882⁃09，使用智能电子拉伸试验机测量膜样品的拉伸性能，试验在室温、10 mm/min 的速率下进行，每个试样的有效拉伸长度和宽度分别为28 mm 和5 mm，每个试样测试3 组取平均值；

断裂面形态表征：采用SEM 观察样品拉伸断裂面形态；将拉伸测试后的样品断裂面垂直黏附在导电胶表面；

静态水接触角测试：采用接触角测量仪测定PLBI及PLBI/Cs⁃g⁃GMA 抑菌薄膜的接触角；每个试样测试3组取平均值；

薄膜抑菌性测定：采用ASTM E2180⁃07 标准，通过平板培养计数检测PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜对大肠杆菌的抗菌活性；每个试验设置3个平行，通过式（2）计算薄膜抑菌率（X，%）：

式中CA——空白组的菌落总数，log（CFU/mL）

CB——处理组的菌落总数，log（CFU/mL）

2 结果讨论

2.1 核磁分析

图1 为PLBI 共聚物的1H⁃NMR 谱图，如图中所示，对PLBI 中的H 依次编号。在1H⁃NMR 图中，1.54处的二重峰和5.13处的四重峰分别代表聚乳酸中甲基（—CH3）和次甲基（—CH）的H 质子共振峰［19］。通过已知IA、BDO 分子链段结构中羟基、酯基等基团具有一定的吸电子效应，氢质子离羟基越近，氢原子核周围的电子云密度越低，该氢质子的化学位移越大，通过此原理得出结果，1.68、4.12 处是BDO 中亚甲基（—CH2）上H质子共振峰；5.76、6.34是IA中乙烯基端（=CH2）上H 质子的共振峰，3.37 处是IA 中亚甲基（—CH2）的H 质子共振峰。这表明PBI 确实已经嵌入到PLLA 的链段中，通过计算BDO 上—CH2质子（4.12处）与乳酸中的—CH 质子（5.13 处）的积分比，得出PBI 在PLLA 嵌段分子的质量比。经计算得知PBI 占7.5 %（质量分数），略低于实际投料比（92/8），这是因为PBI在反应中未能100 %参与反应，未经反应的PBI已在沉降过程去除。由此可说明PBI 链段成功接枝到PLLA链段中，此检测结果也与文献结果一致［20⁃21］。

图1 PLBI共聚物的1H⁃NMR谱图Fig.1 1H⁃NMR spectrum of PLBI copolymer

图2为Cs⁃g⁃GMA 共聚物的1H⁃NMR谱图，如图中所示，对Cs⁃g⁃GMA 中的H 依次编号。其中Cs 环形质子特征共振峰出现在3.66～3.96 之间，图中GMA 中的甲基（—CH3）的H 质子振动峰出现在1.57 处，7.53、7.58 处出现GMA 中乙烯基端（=CH2）的H 质子振动峰，这些信号峰的出现证实了GMA 与Cs 之间的反应，而且环氧基团的特征共振峰应在2.60～2.90 之间，而图中此处并无出现峰，证实了GMA中的环氧基团参与了反应，成功合成出Cs⁃g⁃GMA。

图2 Cs⁃g⁃GMA共聚物的1H⁃NMR谱图Fig.2 1H⁃NMR spectrum of Cs⁃g⁃GMA copolymer

2.2 红外分析

图3 是PLBI、PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜的FTIR 谱图。从图中可观察到在PLBI曲线中1 640 cm-1处出现了1 个小峰，这是PBI 中的C=C 官能团引起的，说明PBI 与PLLA 成功发生反应。而在PLBI/Cs⁃g⁃GMA曲线中1 640 cm-1处C=C 所在的峰趋于平缓，这是因为PLBI与Cs⁃g⁃GMA发生接枝反应，C=C发生反应双键峰趋于平缓，在3 400 cm-1附近出现1个较宽的小峰，是因为Cs⁃g⁃GMA中的—OH造成的，并且在1 660 cm-1附近出现了Cs 酰胺Ⅰ带的特征峰。因此，从谱图结果来看PLBI 薄膜与Cs⁃g⁃GMA 成功发生接枝反应，成功制备出了PLBI/Cs⁃g⁃GMA抑菌薄膜。

图3 PLBI和PLBI/Cs⁃g⁃GMA薄膜的FTIR谱图Fig.3 FTIR spectra of PLBI and PLBI/Cs⁃g⁃GMA films

2.3 热学性能分析

图4 为各薄膜的MDSC 总热流、可逆热流及不可逆热流曲线，表1为材料各组分的热性能。从图表中数据可得到PLBI 薄膜的Tg、Tcc、Tm、Xc分别为23.5、68.3、135.1 ℃，5.0 %，Cs⁃g⁃GMA 中仅出现1 个较宽的熔融峰，是水分的蒸发导致的，在此温度区间内并无出现Tg、Tcc、Tm。表面接枝了Cs⁃g⁃GMA 后，薄膜的Tg是没有明显变化的，Tcc由68.3 ℃降低至65 ℃，经计算得知随着接枝Cs⁃g⁃GMA 摩尔比的增加，Xc由5 %增加到15.6 %，这表明Cs⁃g⁃GMA 在PLBI 表面结晶过程中起到成核剂的作用，促进PLBI 的异相成核，使得PLBI 链段在较低温度下有序排列堆砌成晶区，结晶度随之提高，因而Cs⁃g⁃GMA 的加入使PLBI 结晶能力提高，且随着Cs⁃g⁃GMA 摩尔比的增加，PLBI 与其接枝量的增加，成核位点变多结晶越容易发生［22］，更多分子从无定形转变为结晶态。

图4 薄膜的MDSC曲线Fig.4 MDSC curves of the films

表1 PLBI和PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜的热性能Tab.1 Thermal properties of PLBI and PLBI/Cs⁃g⁃GMA films

2.4 拉伸性能分析

力学性能是作为包装性能最为主要的性能。如表2所示，添加了7.5 %（质量分数）PBI 的PLBI 薄膜断裂伸长可至214.3 %，这一结果是由于PBI的引入破坏了PLLA 分子链间的紧密结构，分子链间作用力减小，分子间链运动增加，削弱了材料的刚性，增加了柔韧性［23］，且仅引入少量的PBI，薄膜的弹性模量就降低至197.4 MPa，表现出良好的柔韧性。经过UV 固化接枝Cs⁃g⁃GMA 的薄膜力学性能也有着不同程度的变化。随接枝Cs⁃g⁃GMA 摩尔比的增加，PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.4、PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.6、PLBI/Cs⁃g⁃GMA0.8、PLBI/Cs⁃g⁃GMA1。0薄膜断裂伸长率分别为211.8 %、113.7 %、75.1 %、67.3 %。并且屈服强度和弹性模量出现先降低后升高现象，一方面是经UV 照射时PLBI 与Cs⁃g⁃GMA 的接枝程度取决于二者C=C 的含量，在保证PLBI 的C=C 含量一致的情况下，Cs⁃g⁃GMA 摩尔比越大生成的C=C 含量越多，与PLBI反应程度越大，使得PLBI 分子链段支化严重，限制了分子链的运动，导致材料刚性增加［24］，这与上述MDSC中结果一致，另一方面归因于UV 照射会加速老化，会使其C—O、C—N、C—H键断裂，导致的薄膜力学性能下降［25］。

表2 PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜的力学性能Tab.2 Mechanical properties of PLBI/Cs⁃g⁃GMA films

2.5 拉伸断裂面分析

由图5 可清楚薄膜的拉伸断裂面微观结构。从PLBI 的照片中可看到，其断裂面是粗糙的，出现纤维丝状粘连，表现出韧性断裂的特征，这些纹路是银纹扩散的结果，银纹通常出现在无定形聚合物中，表明PBI的引入改变了PLLA 的状态，此时PLBI 薄膜更多的是处于无定形态，降低了PLLA 链段的结晶能力，与MD⁃SC 中的结果一致。随着接枝Cs⁃g⁃GMA 后，薄膜开始丝状粘连减小，抗形变能力减弱，并且在薄膜接枝表面出现整齐的断裂口，说明接枝Cs⁃g⁃GMA 会导致薄膜接枝表面变脆，导致其力学性能降低，这与上述的力学性能测试结果一致。

图5 薄膜拉伸断面的SEM照片Fig.5 SEM images of tensile sections of the films

2.6 静态水接触角分析

亲水性是物质一种内在性质，是由物质分子结构中对水具有很大亲和力的极性基团所赋予的，其外在表现是物体表面对水的铺展能力——即湿润性［26］。PLLA 由于链段的中的疏水基团酯基、烷基较多，致使PLLA 表现出疏水性［27］。如表3 所示，PLBI 薄膜水接触角为71.8 °，表现出亲水性是由于PBI中的亲水基团—OH、—COOH 引起的；并且随着Cs⁃g⁃GMA 的引入水接触角在逐渐减小，一方面是因为引入的亲水基团—OH［28⁃29］，另一方面是因为Cs⁃g⁃GMA 中的N 原子容易与水形成氢键，易形成富集在材料表面的亲水层［8］。因此，PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜亲水性增强、具有良好的细胞相容性，有利于细胞的黏附、迁移。

2.7 薄膜抑菌性能分析

图6 为PLBI 和PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜对大肠杆菌的抑菌效果。可以看出，PLBI 薄膜对大肠杆菌有4.3 %的抑菌率，这是大肠杆菌在生长过程中自然凋亡导致的，因此PLBI 对细菌是没有杀菌作用的。而PLBI/Cs⁃g⁃GMA 薄膜对大肠杆菌表现出良好的抑菌效果，随薄膜接枝Cs⁃g⁃GMA 摩尔比的增加，致死对数值由0.03 log（CFU/mL）增加到0.98 log（CFU/mL），抑菌率从4.3 %增加到83.4 %。此结果由两方面造成：一方面是壳聚糖自身所具有抑菌性，自身所带的正电荷通过静电吸附作用对细胞膜结构造成损伤，改变了细胞膜的通透性，造成大量胞内物质泄漏，对细胞的生长、繁殖造成一定影响，从而导致其活性下降甚至死亡；另一方面也与上述水接触角结果相关，亲水性的增加细胞相容性好，使细菌更容易与薄膜进行接触，增加了更多的接触位点，使其薄膜抑菌性效果增强。