靜電紡絲法制備季銨鹽抗菌薄膜材料綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 婷, 劉 維, 張春梅, 周家容, 周武藝, 倪春林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院 生物化工與制藥實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 廣東 廣州 510642)

靜電紡絲技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、適用范圍廣等特點(diǎn),可以用于制備納米纖維和薄膜材料,在生物醫(yī)藥、催化、能源、食品工程和日用化妝品的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。季銨鹽化合物因以其具有高效廣譜的抗菌性能,并且水溶性好、性質(zhì)穩(wěn)定、安全低毒、價(jià)格便宜和使用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等諸多領(lǐng)域[3-4]。綜合性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才方面具有重要作用[5-6]。為此，根據(jù)廣東省珠三角地區(qū)對(duì)制藥工程人才需求,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中增開了相關(guān)專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)。本課題組在取代芐基季銨鹽的合成、有機(jī)復(fù)合抗菌材料的研究和靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用等方面開展了系列工作,并取得一些進(jìn)展[7-9],特別是將取代芐基吡啶類季銨鹽用于有機(jī)-無機(jī)雜化材料的制備,以獲得系列光學(xué)、磁學(xué)和催化性能優(yōu)良的功能材料[10-12]。有機(jī)季銨鹽一般采用加熱回流的方法合成,耗時(shí)較長[7]。本實(shí)驗(yàn)以科研工作為基礎(chǔ),先以芐基溴和4-二甲氨基吡啶為原料,通過超聲合成溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽,用元素分析、紅外光譜和電子噴霧質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行了組成分析和結(jié)構(gòu)表征；然后采用靜電紡絲法制備了聚丙烯腈纖維為載體的復(fù)合抗菌薄膜材料,利用平板法測定了復(fù)合抗菌薄膜材料對(duì)金葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能。

1 試劑與儀器

試劑：芐基溴，4-N, N′-二甲氨基吡啶，聚丙烯腈(PAN)，二甲亞砜(DMSO)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和無水乙醇等試劑均為市售分析純?cè)噭?未經(jīng)處理直接使用；丙酮經(jīng)干燥處理。

儀器：元素分析儀(Perkin-Elmer 240 C),紅外光譜儀(Nicolet Acvatar 360 FT-IR),紫外-可見分光光譜儀(Shimadzu UV-Vis 2550),液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀(新加坡AB Sciex API 3200 LC/MS/MS System),高壓靜電紡絲裝置, 超聲波清洗儀,電導(dǎo)率儀,電子分析天平,分光光度計(jì),恒溫恒濕培養(yǎng)箱,潔凈工作臺(tái),蒸汽滅菌鍋。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 目標(biāo)產(chǎn)物的合成路線

以芐基溴和4-N, N′-二甲氨基吡啶為原料,在丙酮中加熱回流反應(yīng),得到目標(biāo)產(chǎn)物——溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽(以下簡稱季銨鹽),如圖1所示。

圖1 溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽的合成路線

2.2 目標(biāo)產(chǎn)物的合成步驟

稱取 0.01 mol的芐基溴和 0.011 mol的4-二甲氨基吡啶于30 mL丙酮中超聲反應(yīng)1 h，冷卻抽濾, 用少量丙酮和乙醚洗滌, 再用甲醇和丙酮重結(jié)晶, 真空干燥得白色粉狀溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽固體,產(chǎn)率86.8%。

2.3 目標(biāo)產(chǎn)物樣品的表征

用元素分析測定溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽樣品中C、H、N含量,以傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品中官能團(tuán)的主要振動(dòng)頻率(KBr壓片)；電子噴霧質(zhì)譜測定季銨鹽樣品中陽離子的式量(甲醇為溶劑)；電導(dǎo)率儀確定季銨鹽電解質(zhì)類型(甲醇為溶劑)；以紫外-可見光譜測定樣品的電子吸收光譜,用分光光度法測定季銨鹽薄膜的緩釋性能。

2.4 聚丙烯腈/季銨鹽薄膜的制備

稱取1.5 g的聚丙烯腈溶入質(zhì)量比為1∶1的二甲亞砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液中,配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PAN紡絲原液；然后在紡絲原液分別加入0.075、0.150、0.300 g的溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽,在800C恒溫條件下攪拌至完全溶解,靜置消泡；放入靜電紡絲裝置的注射器中,打開靜電紡絲裝置電源,進(jìn)行紡絲,制備聚丙烯腈/季銨鹽薄膜。靜電紡絲裝置圖如圖2所示。紡絲條件：紡絲電壓16 kV, 接收距離為5 cm, 紡絲速率1.0 mL/h, 環(huán)境溫度25 ℃,相對(duì)濕度40%～70%。

圖2 靜電紡絲裝置

2.5 抗菌薄膜緩釋性測定

以紫外-可見光譜儀測定樣品的電子吸收光譜,準(zhǔn)確稱取溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽，并用蒸餾水配制成不同濃度的系列溶液,用分光光度計(jì)在最大吸收波長處測定吸光度,繪制溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

分別稱取含有不同濃度溴化芐基-4-二甲氨基吡啶的季銨鹽0.2 g 置于盛有500 mL純水的燒杯中，于25 ℃下恒溫振動(dòng),每隔10 min取出2 mL溶液,同時(shí)向燒杯中補(bǔ)充純水,確保燒杯中溶液的體積不變；準(zhǔn)確量取該溶液1 mL，置于10 mL容量瓶中，并用純水稀釋至刻度,用分光光度計(jì)在最大吸光度處測定吸光度A,通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出藥物濃度和釋藥量,最后計(jì)算出藥物累積溶出的百分率,繪制累積藥物溶出曲線。

2.6 抗菌性能測試

通過滅菌、培養(yǎng)基的制備、菌種的培養(yǎng)等過程,根據(jù)文獻(xiàn)[13]方法,采用平板濾紙法測定溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽膜樣品對(duì)金葡萄球菌和大腸桿菌抑菌圈大小,平行3次。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的組成

用有機(jī)元素分析儀測得溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:C為57.26%， H為5.95%， N為9.46%; 通過季銨鹽的化學(xué)式(C14H17N2Br)計(jì)算，得到各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別：C為57.35%， H為5.84%， N為9.55%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本符合。

溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽電子噴霧(ESI-MS)圖譜見圖3,可以得知,其最大分子離子峰測量值(相對(duì)量)為212.6,理論值為213.3,實(shí)測值與理論值接近。

圖3 溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽ESI-MS圖

將溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽配制成濃度為1.00×10-3mol/L的甲醇溶液,在常溫下用電導(dǎo)率儀測得的電導(dǎo)率為0.105 ms/cm,計(jì)算的摩爾電導(dǎo)率為數(shù)據(jù)105 S·cm2/mol,表明所合成的樣品屬于1∶1型電解質(zhì)[14]。

3.2 樣品的紫外光譜和紅外光譜

如圖4所示,溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽樣品在291 nm處有最大吸收,歸屬于—N(CH3)2基團(tuán)中氮原子和吡啶環(huán)之間的n→π*躍遷[15]。將適量季鏻鹽固體樣品和KBr混勻,研磨成細(xì)粉，并用液壓壓片機(jī)壓成透明薄片,然后用Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀掃描化合物400～4 000 cm-1的紅外光譜。由圖5可知, 所制備的樣品中苯環(huán)的 C—H伸縮振動(dòng)峰位于3 037 cm-1處,甲基和亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰分別為2 956和2 887 cm-1, 苯環(huán)和吡啶環(huán)中的CC和CN的伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在1 645 cm-1、1 572 cm-1和1 448 cm-1處, 816 cm-1歸屬于吡啶環(huán)上的 C—H面外彎曲振動(dòng),771 cm-1和723 cm-1歸屬于苯環(huán)上的 C—H面外彎曲振動(dòng)[15]。

圖4 樣品的紫外光譜

圖5 樣品的紅外光譜

3.3 聚丙烯腈/取代芐基季銨鹽薄膜的緩釋性

由圖6中可以看出,所制備的纖維膜在120 min 內(nèi)的釋藥可以分為二個(gè)階段:(1)在60 min 內(nèi),季銨鹽的釋放速率較快,其原因可能是超細(xì)纖維表面的溴化芐基-4-二甲氨基吡啶鹽經(jīng)緩沖溶液的沖刷,擴(kuò)散阻力小,很容易從PAN纖維表面釋放,同時(shí)纖維表面溴吡啶季銨鹽的溶解釋放為纖維內(nèi)部季銨鹽的釋放提供了通道；(2) 在60～120 min 時(shí)間范圍,季銨鹽的釋放速率較緩慢,原因是纖維表面的吡啶季銨鹽已經(jīng)基本釋放完全,而纖維內(nèi)部的吡啶季銨鹽則需要過擴(kuò)散的方式從纖維內(nèi)部釋放,降低了釋放的速率。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)季銨鹽纖維膜的緩釋性能

3.4 抗菌性能

表1列出了3種含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季銨鹽薄膜材料對(duì)金葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑,可以看出聚丙烯腈/溴化芐基-4-二甲氨基吡啶季銨鹽纖維薄膜有明顯的抗菌作用, 對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑隨薄膜材料中添加吡啶季銨鹽量的增加而增大,抗菌作用越好。

表1 3種不同濃度的季銨鹽薄膜抑菌圈直徑

4 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將季銨鹽的制備、超聲合成、組成和結(jié)構(gòu)分析、靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用和抗菌活性的測定等內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,涵蓋多個(gè)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn),及多項(xiàng)基本操作技術(shù)和多種現(xiàn)代化儀器的應(yīng)用,綜合性強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn),可以拓展學(xué)生的視野,培養(yǎng)學(xué)生科研興趣,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。