載銀甲殼素纖維的制備與抗菌性能研究

陳思宇 張峰 徐思峻 陳宇岳

摘要：將羥基功能化納米銀應用于載銀甲殼素纖維的制備，利用分光光度法研究了甲殼素纖維對羥基功能化納米銀的吸附性能和吸附機理；測試了不同銀含量載銀甲殼素纖維的抗菌性能；采用掃描電鏡（SEM）和光電子能譜（XPS）對載銀甲殼素纖維的微觀形貌和元素成分進行了分析。研究結(jié)果表明，甲殼素纖維對羥基功能化納米銀具有較高的吸附能力，最高吸附量可達3 390 mg/kg；納米銀顆粒在甲殼素纖維表面分布均勻，且未被氧化；另外，抗菌測試結(jié)果表明載銀甲殼素纖維具有優(yōu)異的抗菌性能，當銀含量達到1 000 mg/kg時，其對E. coli和S. aureus的抑菌率均可達99%以上。

關(guān)鍵詞：羥基功能化納米銀；甲殼素纖維；吸附性能；抗菌性能

中圖分類號：TQ341.+5 文獻標志碼：A

Preparation and Antibacterial Property of Silver Nanoparticle-loaded Chitosan Fibers

Abstract： In this paper， hydroxyl-functionalized silver nanoparticles （AgNPs） were applied to prepare AgNP-loaded chitosan fibers by a novel incubation-adsorption method. The adsorption ability and adsorption mechanisms of AgNPs on chitosan fibers were evaluated and analyzed using the visible spectrophotometer method. The antimicrobial property of AgNP-loaded chitosan fibers as a function of AgNP content was also studied. Finally， the AgNP-loaded chitosan fibers were characterized by SEM and XPS. The results showed that the chitosan fibers adsorption capacity to AgNPs was up to 3 390 mg/kg， and the AgNPs were evenly distributed on the surface of chitosan fibers. Antibacterial test showed that AgNP-loaded chitosan fibers showed excellent antibacterial property. When AgNP content reached to 1 000 mg/kg， the antibacterial rates against both E. coli and S. aureus were over 99%.

Key words： hydroxyl-functionalized AgNPs； chitosan fiber； adsorption capacity； antibacterial property

由甲殼素纖維制成的紡織品具有手感柔軟、無刺激、高保濕保溫等功能，對過敏性皮炎具有輔助醫(yī)療功能，可制作成各種嬰兒服裝、醫(yī)用敷料等。近年來，不少研究表明甲殼素纖維具有一定的抗菌性，但一些研究發(fā)現(xiàn)甲殼素纖維在偏中性的環(huán)境中抗菌性能較差，這限制了其在紡織品尤其是醫(yī)用紡織品中的應用。

納米銀因優(yōu)異的抗菌特性在載銀纖維/紡織品中應用廣泛，但目前關(guān)于載銀甲殼素纖維研究的報道卻很少，這主要是因為納米銀溶液與甲殼素纖維的電荷體系類似或者親和性較低。如耐爾？納米銀溶液屬于陽離子體系，根據(jù)相同電荷相互排斥原理，對于同屬陽離子型的甲殼素纖維而言，納米銀將很難負載到甲殼素纖維表面；此外，甲殼素纖維表面含有的氨基和羥基是高親水性的基團，因而表面含有疏水性基團或者較少親水性基團的納米銀顆粒對甲殼素纖維的親和性較差，導致納米銀難以負載到纖維表面。本研究利用自制的非離子體系羥基功能化納米銀溶液，采用浸漬吸附法制備了載銀甲殼素纖維；研究了甲殼素纖維對羥基功能化納米銀的吸附性能，并對其吸附機理進行了分析，為甲殼素纖維負載/吸附金屬納米顆粒的研究開辟了新的路徑。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：甲殼素纖維（泰州榕興抗粘敷料有限公司）；端羥基超支化聚（胺-酯）（HBP-OH）（張家港耐爾納米科技有限公司）；硝酸銀（AgNO3）、硼氫化鈉（NaBH4）、氯化鉀（KCl），均為分析純；營養(yǎng)瓊脂和營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基（上海中科昆蟲生物技術(shù)開發(fā)有限公司）；大腸桿菌（E.coli）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）（張家港市疾病預防與控制中心）。

試驗儀器：FE20K型pH計（梅特勒 — 托利多儀器有限公司）；HPPS 5001型激光粒度分布儀（英國馬爾文公司）；722N型可見分光光度儀（上海精密科學儀器有限公司）；S-4800型掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；AXIS Ultra HAS型X射線光電子能譜儀（廣州佳?？茖W儀器有限公司）；LRH-250A型生化培養(yǎng)箱（廣東省醫(yī)療器械廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 羥基功能化納米銀溶液的制備

將一定濃度的AgNO3溶液和HBP-OH溶液混合，得到HBP-OH濃度為1.6 g/L和銀含量為1.0 g/L的混合溶液。攪拌均勻后，在常溫下滴加濃度為 1 g/L的NaBH4溶液，充分反應后即可得到羥基功能化納米銀溶液。

1.2.2 載銀甲殼素纖維的整理工藝

將 2 g甲殼素纖維浸漬于100 mL濃度為20 ～ 120 mg/ L的羥基功能化納米銀溶液中，隨后將其轉(zhuǎn)移至90 ℃水浴中高溫處理120 min。所得載銀甲殼素纖維經(jīng)反復水洗并烘干后即可得到不同載銀量的甲殼素纖維。

1.3 測試方法

1.3.1 甲殼素纖維對納米銀的吸附性能測試

利用722N型可見分光光度計測試吸附前后納米銀溶液的吸光度，計算甲殼素纖維在不同處理條件下對納米銀溶液的吸附量。

1.3.2 ζ電位的測試

甲殼素纖維：將甲殼素纖維剪成長 l mm的細小纖維，利用KCl溶液將纖維配制成0.5 g/L的溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH值（2 ～ 12），最后超聲波攪拌10 min。取少量上述混合溶液利用HPPS 5001型激光粒度分布儀測定其ζ電位。

納米銀顆粒：利用去離子水將羥基功能化納米銀溶液稀釋至50 mg/L，調(diào)節(jié)溶液pH值（2 ～ 12），利用HPPS 5001型激光粒度分布儀測定不同pH值下溶液中納米銀顆粒的ζ電位。

1.3.3 微觀形貌（SEM）分析

采用S-4800型掃描電鏡在一定倍數(shù)下觀察甲殼素纖維的縱向表面形態(tài)。

1.3.4 X光電子能譜（XPS）分析

采用AXIS Ultra HAS型X射線光電子能譜儀對載銀甲殼素纖維表面元素成分進行分析。

1.3.5 抗菌性能測試

參照GB 15979 — 2002《一次性使用衛(wèi)生用品衛(wèi)生標準》，附錄C5非溶出性抗（抑）菌產(chǎn)品抑菌性能試驗方法測試載銀甲殼素纖維的抗菌性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 載銀甲殼素纖維的制備及其機理分析

2.1.1 載銀甲殼素纖維的制備

將甲殼素纖維加入到一定濃度的羥基功能化納米銀溶液中，然后轉(zhuǎn)移至90 ℃水浴中高溫處理120 min。在制備過程中可以清晰地觀察到，羥基功能化納米銀溶液中的銀顆粒已基本完全被甲殼素纖維所吸附，納米銀溶液由金黃色變成無色透明，甲殼素纖維從白色變成金黃色（圖 1），說明采用浸漬吸附法可實現(xiàn)載銀甲殼素纖維的制備。

2.1.2 甲殼素纖維對羥基功能化納米銀的吸附性能

為了了解甲殼素纖維對羥基功能化納米銀的吸附性能，將 2 g甲殼素纖維浸漬于100 mL濃度為20 ～ 120 mg/L的羥基功能化納米銀溶液中，隨后將其轉(zhuǎn)移至90 ℃水浴中高溫處理120 min，利用分光光度法測量吸附前后納米銀溶液的吸光度，計算甲殼素纖維對納米銀溶液的吸附量。結(jié)果如圖 2 所示。

由圖 2 可知，羥基功能化納米銀對甲殼素纖維具有極強的吸附能力。當納米銀溶液濃度為80 mg/L時，甲殼素纖維對納米銀的吸附量高達3 390 mg/kg；當濃度低于80 mg/ L時，吸附量隨濃度的增加而增加。但是當納米銀溶液濃度高于80 mg/L時，隨著濃度的升高，吸附量反而下降。這可能是由于溶液中未與納米銀結(jié)合的HBP-OH與羥基功能化納米銀形成競爭吸附，即自由HBP-OH會首先吸附到甲殼素纖維的表面，當溶液濃度較低時，自由HBP-OH濃度也較低，甲殼素纖維吸附自由HBP-OH后，其剩余吸附位點仍能夠?qū)⒋蟛糠旨{米銀吸附至纖維表面。但是，當溶液濃度提高到一定程度后，甲殼素纖維表面大部分吸附位點被自由HBP-OH所占據(jù)，其對納米銀的吸附能力大大降低。

2.1.3 吸附機理分析

甲殼素纖維對羥基功能化納米銀溶液的吸附機理在于 2 方面：靜電吸附作用和氫鍵締合作用。如圖 3 所示，甲殼素纖維表面因含有大量氨基而帶正電荷，而羥基功能化納米銀溶液（pH值=7.8）為非離子體系，在堿性條件下銀顆粒表面電位為負。因此當甲殼素纖維浸漬到羥基功能化納米銀溶液中后，負電位的納米銀顆粒會通過靜電吸附作用自組裝到甲殼素纖維表面。上述猜想可以通過對甲殼素纖維和羥基功能化納米銀顆粒的表面電位分析來證明。如圖 4所示，甲殼素纖維和納米銀顆粒在pH值=7.8時的電位分別約為 5 mV和-15 mV，顯然兩者表面帶有相反的電荷，故存在靜電作用力。此外，羥基功能化納米銀顆粒表面所含高密度的羥基基團易與甲殼素纖維表面的羥基和氨基基團形成氫鍵締合作用，這種氫鍵締合作用要遠遠強于普通線性聚合物之間的分子間作用力，從而將納米銀固定在纖維表面而不會出現(xiàn)解吸附現(xiàn)象。綜合兩種因素，甲殼素纖維對羥基功能化納米銀表現(xiàn)出較強的吸附能力。

2.2 載銀甲殼素纖維的抗菌性能分析

雖然也有報道認為甲殼素具備一定的抗菌能力，但實際上抗菌效率并不高。因此，利用納米銀來提高其抗菌效率，具有較高的實際應用價值。為了證明載銀甲殼素纖維具有高效的抗菌性能并驗證其抗菌性來源于納米銀，本文對未載銀甲殼素纖維、HBP-OH處理的甲殼素纖維以及載銀甲殼素纖維進行了抑菌率測試。結(jié)果如表 1 所示。

通過對E. coli和S. aureus抑菌率的測試結(jié)果可以看出，未載銀甲殼素纖維對E. coli和S. aureus的抑菌率分別為36.95%和23.26%，抗菌效果很不明顯；HBP-OH處理的甲殼素纖維對E. coli和S. aureus的抑菌率分別為39.01%和31.16%，與未載銀甲殼素纖維相比，抑菌率沒有明顯的變化；而載銀甲殼素纖維對E. coli和S. aureus的抑菌率均達到了98%以上，且隨著載銀量的提高，抗菌效果更加明顯，當銀含量達到1 000 mg/kg時，其對E. coli和S. aureus的抑菌率均可達99%以上。這表明載銀甲殼素纖維相比于未載銀甲殼素纖維抗菌性能得到了很大的提高，而且其抗菌性來源于納米銀本身而非HBP-OH。因此，可以說明載銀甲殼素纖維具備了優(yōu)異的抗菌性能。

2.3 載銀甲殼素纖維的縱向微觀形貌分析

為了表征載銀甲殼素纖維的微觀形貌，使用掃描電子顯微鏡對未載銀甲殼素纖維和載銀甲殼素纖維的縱向形態(tài)進行了觀察，結(jié)果如圖 5 所示。

從圖 5 中可以明顯地看出，未載銀甲殼素纖維表面并未附著其它物質(zhì)；而載銀甲殼素纖維表面附著有很多小顆粒，且顆粒大小均一、均勻分布。

2.4 載銀甲殼素纖維的X光電子能譜分析

為了進一步表征載銀甲殼素纖維表面的顆粒為銀單質(zhì)，采用X射線光電子能譜儀測定了未載銀甲殼素纖維和載銀甲殼素纖維表面的元素成分，結(jié)果如圖 6、圖 7 所示。

由圖 6 可知，兩種甲殼素纖維主要含C、O兩種元素，其中C1s結(jié)合能位于284.5 eV，O1s結(jié)合能位于532 eV。此外，載銀甲殼素纖維在368 eV處，出現(xiàn)了Ag3d的結(jié)合能，而未載銀甲殼素纖維沒有出現(xiàn)相應的結(jié)合能，說明納米銀已被成功處理到甲殼素纖維表面。另外，由于載銀量較低，Ag3d的峰值較弱。

由于納米銀暴露在空氣中后容易被氧化，為了進一步分析納米銀的價態(tài)，這里進一步測試了載銀甲殼素纖維的Ag3d高分辨率XPS能譜，結(jié)果如圖 7 所示。由圖可知，Ag3d軌道的能譜峰由 2 個峰組成，峰點位置分別出現(xiàn)在368.0 eV和374.1 eV附近。根據(jù)相關(guān)文獻，Ag單質(zhì)的Ag03d（5/2）對應的標準結(jié)合能為368.2 eV，Ag03d（3/2）對應的標準結(jié)合能為374.2 eV。因此可以判斷載銀甲殼素纖維表面銀顆粒存在形式主要為單質(zhì)銀。

3 結(jié)論

甲殼素纖維對羥基功能化納米銀具有較強的吸附能力，最高吸附量可達3 390 mg/kg。甲殼素纖維對羥基功能化納米銀較強的吸附能力源于兩者之間的靜電作用和氫鍵締合作用。相比于未載銀甲殼素纖維，載銀甲殼素纖維具備優(yōu)異高效的抗菌性能，當銀含量達到1 000 mg/kg時，其對E. coli和S. aureus的抑菌率均可達99%以上。納米銀顆粒在甲殼素纖維表面分布均勻，且未被氧化，表明其具有較高的化學穩(wěn)定性。

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