抗菌可降解聚乳酸薄膜制备与性能测试

2023-09-21关国涛刘晨泽何世权宋超洋张响赵娜王超

中国塑料 2023年9期

关国涛，刘晨泽，何世权，宋超洋，张响*，赵娜，王超*

（1.郑州大学力学与安全工程学院，郑州 450001；2.郑州大学护理与健康学院，郑州 450001；3.郑州四六零医院，郑州 450001；4.国家级微纳成型技术国际联合研究中心，郑州 450001；5.河南省微成型技术重点实验室，郑州 450001）

0 前言

新冠和甲流爆发以来，全球口罩等医疗防护用品消耗量急剧增加，随之而来的一些问题如部分防护口罩的防病菌等级达不到所需要的防护需求、积累过多的医疗垃圾从而需要消耗大量人力物力来进行垃圾无害化处理。聚乳酸（polylactic acid，PLA）获取简单，可以从淀粉等农业产品中制得［1］，其良好的生物相容性和生物降解性［2］越来越受到人们重视，且PLA优异的力学性能使其可以通过多种方式加工成膜［3-4］。PLA为结晶型高分子材料，具备一定的抑菌性［5］，经过生物降解会形成二氧化碳和水。Satti 等［6］研究了鞘氨醇杆菌 Sphingobacterium sp.S2 菌株能产生 PLA 降解酶，可以用于PLA的回收处理，证明了PLA的生物降解性。山东农业大学范少华［7］在田间实验中发现PBAT/PLA地膜4个月即出现断截面空隙增大和断截面破碎的现象。Zaaba团队［8］发现紫外线照射可以改变PLA的力学性能，如断裂时应力和应变的降低，随着时间的推移，PLA会变脆。此外，PLA暴露于紫外线和阳光下时会发生光降解。静电纺丝技术是利用高压静电场对高分子溶液进行纺射喷丝来制备纳微米纤维材料的方法，其基本原理是在喷射装置和接收装置之间施加高压静电场，从纺丝溶液的锥体端部形成射流并在电场中被拉伸，最终在接收装置上形成无纺状态的纤维。采用静电纺丝技术制成的纤维直径小［9］，可达到微米甚至纳米级，可制成孔隙率高、比表面积大、纤维精细程度与均一性高的无纺布，在生物医用防护口罩材料中具有较大的应用价值。

生活中常见的细菌病毒如大肠杆菌，金黄色葡萄球菌等具有细胞结构，细菌的生物膜是与阳离子聚合物的杀菌活性密切相关的作用靶点，其生物膜上的脂质结构可以与抗菌剂的疏水部分结合，从而分解细菌膜，破坏细菌的细胞结构，防止细菌产生耐药性［10］。同时，季铵盐类也有抗病毒的作用，例如新冠病毒和甲流病毒属于包膜病毒，季铵盐可以通过破坏病毒的脂质包膜，病毒结构破裂失去活性［11］。季铵盐是一类阳离子表面活性剂，被广泛地用于医疗器械和外科手术的杀菌消毒剂。季铵盐种类繁多，按照其结构不同，可分为单链季铵盐、双链季铵盐、双链双季铵盐以及其他季铵盐。其中，单链季铵盐常见的是十二烷基二甲基苄基氯化铵［12］和十六烷基二甲基苄基溴化铵［13］等，单链季铵盐消毒剂易溶于水和乙醇，不易挥发，性能稳定，可长期储存；双链季铵盐消毒剂以双癸基二甲基溴化铵［4］为代表，可灭杀多种微生物，维持良好的灭菌效果，其杀菌作用比单链季铵盐更强，杀菌图谱更广。

目前，关于聚合物添加杀菌剂成型加工，并对制品表面杀菌效果没有统一的研究方法。北京化工大学丁雪佳团队［14］与河南驼人医疗器械集团共同研究了一种新型抗菌剂双季铵盐，作为添加剂与聚氯乙烯（PVC）进行物理共混和压片，制备了一种抗菌性能良好的改性PVC材料。结果表明：杀菌剂与PVC共混后的样品表面能够有效杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，但是抗菌剂的加入降低了PVC材料的拉伸强度和断裂伸长率。吴威等［15］将3种抗菌剂和PVC共混制备抗菌PVC材料，杀菌效果表明：当抗菌剂含量为1份以下时，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率可达到98%。周丽佳等［16］以PLA为原料，将自噬抑制剂氯喹、化疗药顺铂利用静电纺丝技术制备了静电纺丝膜作用于口腔癌CAL-27细胞，实验结果表明PLA对药物的包埋性好，能够增强药物对细胞的杀伤性。Liu等［17］将肉桂精油（CEO）加入到PLA中，通过静电纺丝方法制备PLA/CS-CEO复合纤维，结果表明：加入CEO可以提高PLA/CS-CEO纤维的抗菌效果。Ding等［18］在PLA中加入氧化锌（ZnO）溶胶，获得了具有良好物理化学性能和抗菌性能的抗腐败链球菌的食品包装材料。因此，将PLA与季铵盐类杀菌剂相结合，制备出生物可降解医疗防护杀菌器材（例如：抗菌口罩、防护外套等）具有重要的应用意义。

本文采用静电纺丝技术以PLA为纺丝液，引入季铵盐，联合制备了一种新型的PLA/季铵盐薄膜材料。研究了不同季铵盐种类和含量对PLA/季铵盐纺丝薄膜力学性能，抗菌性能等的影响规律，制得兼具优异抗菌性能和良好力学性能的可降解薄膜材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，NatureWorks 4032D，密度：1.24 g/cm³，熔点：155～170 ℃，熔体密度：108 g/cm³（230 ℃），拉伸强度：53 MPa，拉伸模量：3.5 GPa，工业级，美国Nature Works公司；

单链季铵盐（十二烷基二甲基苄基氯化铵），工业级，山东攀泽化工科技有限公司；

双链季铵盐（双癸基二甲基溴化铵），工业级，上海升纬化工原料有限公司；

六氟异丙醇（C3H2F6O），工业级，上海源叶生物科技有限公司；

大肠杆菌（E.coil，ATCC25922），中国科学院微生物研究所。

1.2 主要设备及仪器

静电纺丝机，ESM-C01，上海育明纳米科技有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），Zeiss Sigma 300，德国ZEISS公司；

万能试验机，UTM2203，深圳市新三思材料检测有限公司；

加热磁力搅拌器，DF-101S，上海力辰邦西仪器科技有限公司；

显微镜，DMM-440C，上海蔡康光学仪器有限公司。

1.3 样品制备

取10 mL六氟异丙醇作为溶剂，加入质量分数为8%的PLA（置于磁力搅拌器中，设置温度60 ℃）搅拌溶解，搅拌转速500 r/min，时间3 h，至溶解完全；之后加入季铵盐类抗菌剂（其中双癸基二甲基溴化铵抗菌剂体积分数控制在0.15%，0.3%，命名为d1，d2；十二烷基二甲基苄基氯化铵体积分数控制在0.15%，0.3%，命名为s1，s2；对照组不添加抗菌剂，命名为s3。

取纺丝溶液在室温（30 ℃）下进行静电纺丝。在静电纺丝前，先将锡纸平铺于滚筒上，纺丝溶液在重力作用下在针头处自然下滴，由于单/双链季铵盐与PLA混合液黏度不同，故PLA/单链季铵盐选用19 G（针头内径为0.69 mm）纺丝针头，PLA/双链季铵盐选用20 G（针头内径为0.58 mm）纺丝针头，注射器体积为10 mL，其余参数保持一致。调节滚筒转速500 r/min，纺丝针头到锡箔纸的接收距离19 cm，设置纺丝电压18 kV，打开直流电压，保证静电纺丝机正常工作，制备PLA静电纺丝薄膜材料。

1.4 性能测试与结构表征

SEM分析：将上述薄膜材料分别进行裁剪处理，使用喷金仪对样品进行喷金处理，之后使用SEM对纤维膜微观形貌进行观察。

薄膜材料纤维直径分布分析：取d1、d2、s1、s2、s3组分纤维膜，置于偏光显微镜下进行纤维直径统计，取不同部位纤维各50根以上，去除每组最大值和最小值，利用Origin绘图软件进行图表绘制。

薄膜材料抗菌性能测试：取d1、d2、s1、s2、s3组分纤维膜，使用液体培养基对大肠杆菌进行培养，之后在真空操作台将加热状态下的固体培养基倒入培养皿中，每个培养皿20 mL左右，使用涂布法将大肠杆菌均匀接种在固体培养基上，对上述薄膜材料进行灭菌处理，每个培养皿三角法放置灭菌后的薄膜材料，培养24 h后进行抗菌效果观测。

薄膜材料力学性能测试：将d1、d2、s1、s2、s3组分纤维膜裁剪为1 cm宽、5 cm长的拉伸样条进行拉伸实验，每组至少开展5组平行实验，计算平均值，得到对应拉伸样条的拉伸曲线。

2 结果与讨论

2.1 纺丝薄膜的微观形貌

从图1可以看出，与不添加任何抗菌剂的s3［图1（i）、（j）］纯PLA静纺纤维膜相比，d1、d2［图1（a）～（d）］制备的薄膜材料中双链季铵盐抗菌剂均匀负载在PLA纺丝膜上。并且，随着双链季铵盐体积分数的增加，纤维表面点状分布的抗菌剂连成片，有效地提高负载效率。而s1、s2［图1（e）、（f）］制备的薄膜材料中有块状团聚，且随着单链季铵盐抗菌剂添加量的增大、块状团聚增多且纤维表面有细小的裂缝，说明单链季铵盐抗菌剂与PLA纤维的结合力，相对双链季铵盐抗菌剂稍差一些，在一定程度上会影响PLA纤维膜的力学性能。因为季铵盐基团中带正电的氮原子与烷基链型形成带正电荷的阳离子基团，且聚合物与表面活性剂之间有静电吸引作用。通过高压静电场的作用下，随着PLA溶液电纺成纤维膜，其中双链季铵盐比单链季铵盐多一条烷基链相互作用点，在混合体系中与PLA分子链间协同作用更强，可以结合均匀黏附在纤维丝的表面。

图1 不同膜的SEM照片Fig.1 SEM of different membranes

此外，不同分子结构的抗菌剂对PLA纺丝膜纤维直径有一定影响。从图2可以看出，纯PLA制备的薄膜材料中纤维直径在1.0～1.2 μm之间；添加0.15%双链季铵盐抗菌剂的薄膜材料的纤维直径无明显变化，添加0.3%双链季铵盐抗菌剂的薄膜材料的纤维直径略有减小，在0.8～1.0 μm之间；而添加单链季铵盐抗菌剂的薄膜材料的纤维直径明显增大，其中添加0.15%单链季铵盐抗菌剂的薄膜材料的纤维直径在1.4～1.6 μm之间，添加0.3%单链季铵盐抗菌剂的薄膜材料的纤维直径在1.8～2.0 μm之间。主要原因是单链季铵盐与PLA结合性较差且会破坏PLA纤维本体，由图1 （e）～（h）可知，浓度为0.15%的单链季铵盐在PLA纤维上有块状团聚导致纤维直径增加；而0.3%的单链季铵盐在块状团聚的同时使纤维出现裂缝整体直径再次增大。由上述结果可知，不同季铵盐种类和浓度对纤维直径有较大影响，从而影响纺丝薄膜的透气性。通过对工艺参数的调节来实现纤维直径可控化，这也是下一步将要研究的内容。

图2 不同膜的纤维直径分布Fig.2 Fiber diameter distribution of different membranes

2.2 抗菌性能

从图3 （e）可以看出，普通PLA薄膜材料不具备抗菌性能，大肠杆菌正常生长。s1［图3 （c）］制备的薄膜材料的培养皿中，大肠杆菌生长受到抑制，抑菌圈直径约为1.9 cm；s2［图3 （d）］制备的薄膜材料的培养皿中，大肠杆菌生长受到抑制，抑菌圈直径约为2.1 cm；由此可见，薄膜材料的抗菌效果随单链季铵盐抗菌剂添加量的增大而提高。d1［图3 （a）］制备的抗菌薄膜材料的培养皿中，抑菌圈直径不规范，大肠杆菌生长受到明显抑制；d2［图3（b）］制备的抗菌薄膜材料的培养皿中，形成大片抑菌区域，大肠杆菌生长受到显著抑制。经Image J数据处理统计可知，d1制备的抗菌薄膜材料的抑菌（面积）率为33%，d2制备的抗菌薄膜材料的抑菌（面积）率为46%，抗菌效果随着双链季铵盐抗菌剂添加量的增大而提高，且双链季铵盐抗菌剂较单链季铵盐抗菌剂的抗菌效果显著增强。其可能的原因是，双链季铵盐与单链季铵盐相比，双链结构水溶性更好，降低表面张力的能力更强，具有更好的稳定性。此外，带有更多正电荷的双链季铵盐与聚合物共同形成带正电高聚物，在培养皿中正电季铵盐离子吸附于带负电荷的细菌表面，通过渗透作用进入细胞膜的类脂层和蛋白层，从而改变细菌细胞膜的通透性，继而发生溶胞作用，破坏细菌的细胞结构，引起细菌的溶解和死亡。此外，双链季铵盐除上述抗菌机理（机理图如图4所示），较单链季铵盐还可干扰细菌核酸和蛋白质的合成，抗菌效果更好［16-17］。

图3 不同膜的抗菌性能Fig.3 Antibacterial properties of different membranes

图4 季铵盐杀菌机理示意图Fig.4 Diagram of germicidal mechanism of quaternary ammonium salt

2.3 弹性模量和断裂强度

从图5应力-应变曲线可以看出，添加双链季铵盐抗菌剂的薄膜材料断裂强度增大，弹性模量明显提高，而添加单链季铵盐抗菌剂的薄膜材料断裂强度和弹性模量都低于不添加抗菌剂的PLA薄膜材料。说明添加双链季铵盐抗菌剂的薄膜材料能提高力学性能，且力学性能优于添加单链季铵盐抗菌剂的薄膜材料。从化学结构上来看，单链季铵盐有一个烷基链一个有机根（本文所用单链季铵盐的有机根为芳香烃链）因此单链季铵盐的刚性大，静电纺丝纤维表面易出现裂纹，也直接影响材料的力学性能；双链季铵盐有两个柔性烷基链与PLA分子链结合较好，力学性能好。

图5 不同电纺纤维的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of different electrospun fibers

2.4 可降解性能

由于时间关系未对季铵盐抗菌PLA薄膜降解过程进行研究。PLA 的降解方式包括水解降解和微生物酶催化降解等，影响降解的因素也很多，如温度，湿度，堆肥条件等［19］。研究发现加入抗菌颗粒银和氧化铜不会影响PLA的降解速率［20］。PLA薄膜中未释放出来的季铵盐可能会延长PLA的降解时间，但由于季铵盐含量低0.15%～0.3%，并且季铵盐易溶于水，会被土壤环境所稀释和吸收，不会对PLA降解造成太大的影响，具体降解过程和机理还有待进一步研究。