改性桑枝韌皮纖維素納米協同抗菌劑的研究

王小燕 劉利 曾秀 谷山林 馬群忠 熊定奎 王海燕

摘要： 為了克服無機抗菌劑納米銀易團聚的缺點，有效改善四環素長期使用產生的耐藥性及副作用問題，以廢棄桑枝韌皮為原料，采用化學方法去除果膠、木質素和半纖維素制備桑枝韌皮纖維素，用氯乙酸反應對桑枝韌皮進行表面改性，并將四環素以化學鍵形式牢固修飾在纖維素表面，納米銀成功負載在纖維素中，創造性地制備了載銀改性桑枝韌皮纖維素（Ag?T?CMC）協同抗菌劑。試驗結果表明：Ag?T?CMC呈現出優異的抗菌性能和較好的協同抗菌性，載銀量在1.5%時抗菌性能最優;且對動物細胞無細胞毒性，有望實現在傷口敷料上的應用。

關鍵詞： 桑枝韌皮;纖維素;納米銀;抗生素;耐藥性;協同抗菌

Study on synergistic antibacterial agent of Ag?carried tetracycline?mulberry bast carboxymethyl cellulose

WANG Xiaoyan1， LIU Li2， ZENG Xiu1， GU Shanlin1， MA Qunzhong1， XIONG Dingkui1， WANG Haiyan1

（1.Chongqing Academic of Animal Science， Chongqing 402460， China;

2.Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection of Third Branch， Chongqing 402160， China）

Abstract： In order to overcome the shortcoming of inorganic antibacterial agent nano?Ag easy to agglomerate， and effectively solve the drug resistance and side effects caused by the long?term use of tetracycline， Ag?modified mulberry bast fiber （Ag?T?CMC） synergistic antibacterial agent was creatively prepared by the following method and materials： discarded mulberry bast was used as the raw material， and pectin， lignin and hemicellulose were removed chemically to prepare mulberry bast cellulose; chloroacetic acid was used to modify mulberry bast， and tetracycline is firmly modified on cellulose surface in the form of chemical bond to successfully load nano?Ag in cellulose. The results showed that Ag?T?CMC exhibited excellent antibacterial properties and good synergistic antibacterial properties. The antibacterial property was optimal when the Ag?loaded quantity was 1.5%. Besides， it is not cytotoxic to animal cells， so it is expected to be applied to wound dressings.

Key words： mulberry bast; cellulose; nano?Ag; antibiotic; drug resistance; synergistic antiseptic

四環素是一種廣譜抗生素[1]，有較強的抗菌作用，但四環素進入人體內會產生很多副作用[2]，如導致牙黃和影響胃腸功能，并且長期使用容易使細菌產生耐藥性[3];無機納米抗菌劑較傳統抗生素不存在耐藥性問題[4]。其中納米銀抗菌效果最好，但是納米銀有易團聚的特點，且納米銀單獨使用具有細胞毒性。為了克服單一抗菌劑的缺點，LIU等[4]首次制備出載銀有機膦酸鋯有機?無機協同抗菌劑，創造性地組合了有機抗菌劑和無機抗菌劑的優點，但其價格昂貴難以從應用上得到推廣。

桑枝為桑園冬管的大宗副產物，量大且是制漿、制板的良好材料，其韌皮還可以提取纖維素進一步制備納米纖維素。納米纖維素具有較大的比表面積[5]，故具有較大的吸附能力，能夠吸附納米銀等納米顆粒，因此，納米纖維素可以作為納米銀的載體。且納米纖維素分子具有較多羥基官能團，能夠用氯乙酸進行表面修飾得到化學活性更好的羧甲基納米纖維素[6]，進而能夠在纖維素表面修飾具有抗菌功能的官能團。制備出有機?無機協同抗菌劑，該抗菌劑既擁有有機抗菌劑的廣譜抗菌性和無機抗菌劑的長效性等優點，能有效解決四環素長期使用產生的耐藥性、副作用和無機抗菌劑易團聚的問題。

1?試?驗

1.1?材料與試劑

桑枝（重慶市畜牧科學院蠶業研究所），無水乙醇、異丙醇、甲基異丙酮、氯乙酸、硝酸銀、葡萄糖均為國產分析純AR（成都市科龍化工試劑廠），牛肉膏、蛋白胨、瓊脂粉為生化試劑BR（北京奧博星生物技術有限責任公司），金黃色葡萄球菌、大腸桿菌（青島海博生物技術有限公司）。

1.2?儀器與設備

恒溫水浴鍋（北京中興偉業儀器有限公司），SHZ?D循環真空泵和DF?101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責任公司），THC?10B數控超聲波提取機（濟寧天華超聲電子儀器有限公司），Nicolet170SX傅立葉變換紅外光譜儀（美國Madison公司），XRD?3D X射線衍射儀（北京普析通用儀器有限公司）。

1.3?羧甲基化纖維素的制備

將桑枝韌皮干燥后粉碎過60目篩，稱取桑枝韌皮粉60g，加甲基異丙酮300mL，95%乙醇192mL，異丙醇60mL，去離子水48mL，于1000mL圓底燒瓶中。在溫度60℃，功率600W提取120min，40℃恒溫水浴保溫3h，待完全沉淀后抽濾，95%乙醇洗滌去雜質，取濾餅50℃干燥得桑枝韌皮纖維素，取10g桑枝韌皮纖維素，400mL異丙醇，10mL 50%氯乙酸乙醇溶液于1000mL圓底燒瓶中，80℃恒溫水浴2h，抽濾，無水乙醇洗滌去雜質，50℃干燥得羧甲基化纖維素（carboxymethyl cellulose， CMC）。

1.4?改性桑枝韌皮纖維素納米協同抗菌劑的制備

取10g上述羧甲基化纖維素，加600mL 95%乙醇于1000mL圓底燒瓶中，待磁力攪拌分散均勻后，加入5g四環素，于室溫條件下避光反應6h，抽濾，烘干得四環素?羧甲基韌皮纖維素（tetracycline?carboxymethyl cellulose T?CMC）;取5g上述四環素?羧甲基韌皮纖維素于500mL圓底燒瓶中，加250mL 95%乙醇，磁力攪拌分散均勻后加入0.1g硝酸銀，室溫攪拌反應2h后加入1mL 0.05g/mL的抗壞血酸乙醇溶液，攪拌反應0.5h后過濾干燥即得載銀改性桑枝韌皮纖維素（Ag?tetracycline?carboxymethyl cellulose， Ag?T?CMC）協同抗菌材料。

1.5?抗菌性能評價

取具有代表性的兩種細菌進行抗菌試驗：即金黃色葡萄球菌ATCC25923、大腸桿菌ATCC25922。

抗菌性能測試通過二倍稀釋法在96孔板上完成，由紫外?可見分光光度計來測試細菌生長狀況，波長600nm測OD值，每個組重復測3次，結果取平均值。其中最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration， MIC）是指目標化合物可以殺死99%的細菌的最低濃度，通常以美國國家實驗室標準委員會推薦的方法為標準[7]。選用革蘭氏陽性、陰性菌各一種：即金黃色葡萄球菌ATCC25923、大腸桿菌ATCC25922評價制備的改性桑枝韌皮纖維素納米協同抗菌材料的抗菌活性。

1.6?安全性評價

1.6.1?四環素釋放測試

取1g抗菌性能最佳的Ag?T?CMC樣品于半透膜中，將半透膜置于燒杯中，加入100mL、pH7.4的緩沖溶液攪拌，每隔1h用紫外?可見分光光度計在波長為350nm處測試溶液中四環素的濃度。

1.6.2?細胞毒性試驗

T?CMC和Ag?T?CMC體外細胞毒性試驗測試細胞選用人體肺腺癌細胞（A549）。用細胞計數（cell counting Kit?8，CCK?8）法分析[8]，當有活細胞存在時CCK?8的主要成分2?（2?甲氧基?4?硝苯基）?3?（4?硝苯基）?5?（2，4?二磺基苯）?2H?四唑單鈉鹽（WST?8）會被還原為水溶性的黃色的甲臜產物，生成的甲臜物的數量與活細胞的數量成正比，細胞的存活率通過紫外分光光度計在波長為450nm處的OD值檢測。

2?結果與分析

2.1?結構分析

2.1.1?紅外數據分析

桑枝韌皮纖維素、羧甲基化纖維素（CMC）、四環素?羧甲基韌皮纖維素（T?CMC）的傅里葉紅外光譜如圖1所示。由圖1可知，波長在3430cm-1處有較強的吸收峰，對應纖維素的━OH伸縮振動吸收峰，2900cm-1處的峰對應━C━H伸縮振動吸收峰，1635cm-1處的峰對應━C═O吸收峰，1060cm-1處的峰對應━C━O伸縮振動吸收峰，668cm-1處的峰對應━OH變形振動峰，以上共同構成了纖維素的紅外光譜圖。圖1中，T?CMC在1320cm-1處出現了特征吸收峰，該峰對應四環素中━C━N吸收峰，證明成功合成了四環素?羧甲基韌皮纖維素。

2.1.2?X射線衍射分析（XRD）

桑枝韌皮纖維素、T?CMC、Ag?T?CMC的X射線衍射如圖2所示。由圖2可知，在2θ角為22.7°處有共同衍射峰，該峰對應纖維素[002]晶面衍射峰;圖2中，Ag?T?CMC在2θ角為38.3°處出現一個較強的衍射峰，對應納米銀的[111]晶面的衍射峰，證明納米銀被成功負載。

2.1.3?透射電鏡分析（TEM）

Ag?T?CMC的TEM表征如圖3所示。從圖3可以看見，納米銀顆粒均勻分布在纖維素之間，與X射線衍射分析相對應，證明成功負載了納米銀，納米銀平均尺寸約為20nm。

2.2?抗菌性能表征

2.2.1?MIC值

抗菌性能采用MIC值判定，納米銀、T?CMC、Ag?T?CMC的MIC值如表1所示，納米銀對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別是64μg/mL和128μg/mL[9]，Ag?T?CMC對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別是8μg/mL和16μg/mL，比單獨的納米銀和T?CMC的抗菌性能強。為了探索Ag?T?CMC中的最佳納米銀比例，做了不同納米銀含量的Ag?T?CMC的MIC值，結果如圖4所示，隨著納米銀含量的增大，MIC值先減小后增大，當納米銀含量在1.5%時達到最低。出現這種結果的原因，分析認為：開始，隨著納米銀含量的增加，Ag?T?CMC的協同抗菌性能增強;但隨著納米銀含量的增大，大于1.5%時，納米銀的尺寸變大，Ag?T?CMC的抗菌效果減弱。

2.2.2?協同抗菌性

分級抑菌濃度（fractional inhibitory concentration， FIC）用MIC值通過式（1）計算，當FIC≤0.5，為協同作用;當0.52，為拮抗作用[10?11]。不同納米銀含量的Ag?T?CMC的FIC值見表2，當納米銀含量為0.25%時Ag?T?CMC中的納米銀和T?CMC無相關作用;隨著納米銀含量增加到0.5%時，Ag?T?CMC中的納米銀和T?CMC呈現出相加作用;當納米銀含量進一步增大，Ag?T?CMC中的納米銀和T?CMC呈現出協同抗菌作用，且協同抗菌性變化趨勢與抗菌性保持一致。

FIC=MIC0MIC1+MIC0MIC2（1）

式中：MIC0為Ag?T?CMC的MIC值，MIC1為T?CMC的MIC值，MIC2為Ag NPS的MIC值。

2.3?安全性能表征

2.3.1?四環素釋放表征

四環素進入人體會對人造成一定副作用，為了保證抗菌劑的安全性，Ag?T?CMC中的四環素必須牢固負載在纖維素上。為了探究Ag?T?CMC的安全性，模擬人體pH值環境（pH7.4）做四環素釋放表征。四環素釋放結果如圖5所示，在5h前Ag?T?CMC緩慢釋放出微量四環素，釋放最大濃度為0.11μg/mL，當5h后四環素不再被釋放。分析認為，這可能是大部分四環素與羧甲基化的纖維素以化學鍵牢固結合的同時，有微量四環素是被物理表面吸附在纖維素中，在溶液中微量四環素被釋放出來。為了進一步探索四環素釋放原因，取出釋放24h的樣品再次放入100mL緩沖溶液（pH7.4）中進行釋放表征，在新的緩沖溶液中未檢測出四環素，進一步證明猜想是正確的。

2.3.2?細胞毒性

圖6為細胞毒性試驗數據。從圖6可以看出，當Ag?T?CMC的質量濃度達到256μg/mL時A549細胞存活率依然是100%，證明在該濃度下Ag?T?CMC對細胞活性也無毒性，進一步說明在Ag?T?CMC抗菌劑使用量的范圍內對人體和動物是無細胞毒性的。

3?結?論

本研究制備的協同抗菌劑載銀改性桑枝韌皮纖維素（Ag?T?CMC），載銀比例在1.5%時Ag?T?CMC的抗菌性能最佳，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的MIC值分別是8μg/mL和16μg/mL，且該比例協同抗菌性最佳（FIC 0.125），四環素以化學鍵形式與纖維素牢固結合，在Ag?T?CMC的質量濃度達到256μg/mL時依然對A549細胞無細胞毒性。Ag?T?CMC優異的抗菌性能和良好的生物相容性，使得它在醫藥衛生領域尤其是傷口敷料上有潛在的應用價值。

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