纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠的制備及抗菌性能研究

楊嶸晟, 朱俊芳, 馮樹波

(1.巴音郭楞職業技術學院, 新疆 庫爾勒 841000; 2.河北科技大學化學與制藥工程學院, 河北 石家莊 050018)

大量微生物存在人類生活環境中，如日常用的家用電器、纖維服裝、衛生陶瓷制品、塑料薄膜到建筑用的鋼材、涂料以及飲用水等[1]，它們在適宜溫度及養分下會迅速繁殖，導致物質的變質、腐敗、發霉以及傷口化膿感染等，嚴重威脅人類健康。這就使得抗菌材料成為當今新材料研究和開發的熱點之一[2]。超細無機抗菌材料是一種新型抗菌材料，與有機抗菌材料相比，具有廣譜、耐久、安全等特點[3]。隨著人們對環境質量要求的提高，無機抗菌材料具有廣闊的市場前景。超細氧化鋅作為無機抗菌材料之一，被廣泛應用。學者對氧化鋅抗菌性能的研究表明其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都具有很好的抗菌效果，而且對耐熱、耐抗菌劑能力很強的枯草芽抱桿菌的孢子也具有較強作用，是一種廣譜抗菌劑[4]。而單純的超細氧化鋅具有易團聚、難回收等缺點，為解決這一問題，許多研究者將超細無機物與有機物進行復合[5-6]，這樣不僅可以節約超細無機物的用量成本，還可以將超細無機物進行回收，實現多次利用。

纖維素是地球上最豐富的天然產物，具有許多優異的性能，如可再生、生物相容性、高強度等[7-9]。纖維素氣凝膠是將纖維素水凝膠冷凍干燥得到的多孔材料，具有豐富的多孔結構[10-11]，可作為許多無機物載體。將金屬氧化物負載在氣凝膠上，可以增加無機物的比表面積，而且有利于其回收，從而實現超細無機材料的再生利用。

本研究以醫用脫脂棉為原料，通過交聯法和冷凍干燥法制備了纖維素氣凝膠，并將此作為支撐材料，通過溶劑熱法制備超細氧化鋅。利用超細氧化鋅的抗菌性能和纖維素氣凝膠的多孔結構，制備具有抗菌性能的復合氣凝膠，利用抑菌圈法和抗菌率研究復合氣凝膠的抗菌性能。

1 實 驗

1.1 材料、試劑與儀器

醫用脫脂棉，河南飄安集團有限公司；NaOH、尿素、環氧氯丙烷、無水乙醇、醋酸鋅、乙二醇均為市售分析純。菌種為大腸桿菌，康斯普瑞動物藥業有限公司;培養基為瓊脂培養基。

JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡，日本電子公司；D8-Advance型X射線衍射(XRD)儀，德國Bruker公司；元素能量散射(EDS)儀，勞雷工業公司；Centriguge-5810 R高速冷凍離心機，德國Eppendorf公司。

1.2 樣品制備

1.2.1纖維素多孔氣凝膠的制備 參考文獻[12]制備方法，稱取2 g脫脂棉，浸泡在100 g 7% NaOH和12%尿素混合水溶液中，在-12 ℃下強力攪拌8 h，得到澄清的纖維素溶液。取纖維素溶液20 mL，加入2 mL環氧氯丙烷作為交聯劑并攪拌均勻，將此纖維素溶液倒入模具中，保持溶液厚度為0.5 cm，密封后放入烘箱，50 ℃下交聯反應1 h得到纖維素水凝膠。取出后水洗至溶液為中性，最后在-50 ℃下冷凍干燥24 h得到纖維素氣凝膠。

1.2.2超細氧化鋅的制備 取2.195 g Zn(CH3COO)2·2H2O置于250 mL燒杯中，加入100 mL乙二醇，油浴加熱，冷凝回流，控制反應溫度195 ℃，升溫速率4 ℃/min，反應1.5 h。將得到的乳白色膠體以6 500 r/min離心20 min。離心后棄去上層液體，并用乙醇清洗沉淀。充分振蕩后再次離心。棄去上層液體，剩余物在70 ℃干燥12 h，然后研磨成粉即得超細氧化鋅。

1.2.3纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠的制備 分別取超細氧化鋅0.005、 0.010、 0.015、 0.020 g分散到20 mL乙醇中，稱取纖維素氣凝膠各0.01 g分別放入上述不同質量濃度梯度的乙醇分散液中，攪拌24 h后取出。烘干后得到4種纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠。依次命名為CE/ZnO- 005、 CE/ZnO- 010、CE/ZnO- 015和CE/ZnO- 020。

1.3 樣品表征

1.3.1纖維素氣凝膠的表征 采用掃描電子顯微鏡對纖維素氣凝膠、超細氧化鋅、纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠進行觀察，掃描電壓15 kV，工作間距8 mm;通過EDS分析復合氣凝膠表面樣品組成成分及各元素的比例關系，操作條件為20 kV，2 000倍放大，15 mm 的工作間距;采用X射線衍射儀對纖維素氣凝膠、超細氧化鋅和復合氣凝膠的晶型結構進行表征，操作條件為電壓40 kV，電流100 mA，掃描范圍10°～90°。

1.3.2復合氣凝膠抗菌性能研究 將滅菌后的瓊脂培養基倒入已滅菌的培養皿中，制成平板，然后取混合菌液(在瓊脂培養基中添加5×10-5CFU/mL的懸浮細菌培養物50 μL)0.3 mL置于平板上，用刮刀涂布均勻。分別將純纖維素氣凝膠和4種不同的復合氣凝膠，用刀切割，制成片劑(直徑5 mm、厚度2 mm)，置于平板中央，再將培養皿置于30 ℃的恒溫培養箱中，24 h后測定試樣周圍抑菌圈的大小，以抑菌圈直徑作為評價材料抗菌性能的依據，定性地表征材料的抗菌性。

為了定量地測出復合氣凝膠的滅菌率，采用菌落計數法[13]進行測定。以0.5 mL初始大腸桿菌菌懸液作為參比液，測出其中細菌的初始數量。然后在裝有100 mL無菌水的錐形瓶中加入抗菌材料和0.5 mL的初始混合菌液，30 ℃恒溫搖床培養12 h后，測量剩余的菌落數目，進而推斷出活細菌總數，用滅菌率作為指標來定量評價材料的抗菌性能，滅菌率(R)[13]按式(1)計算。

R=(W0-Wt)/W0×100%

(1)

式中:W0—最初的大腸桿菌數量，個；Wt—滅菌后剩余的大腸桿菌數量，個。

2 結果與討論

2.1 XRD分析表征

圖1是 CE、 ZnO和CE/ZnO氣凝膠的XRD圖譜，從圖中可以看出，纖維素在2θ=22.9°有明顯的衍射峰，這是纖維素的特征衍射峰，氧化鋅的7個主要特征衍射峰在圖中都有顯示(2θ=30.9°、 34.70°、 36.53°、 47.86°、 56.87°、 63.07°、 68.26°)[14]，并且峰形尖銳，說明結晶性良好。CE/ZnO復合氣凝膠的XRD衍射峰除了具有氧化鋅的7個明顯的特征衍射峰外，在2θ=22.9°處也有纖維素的特征衍射峰，說明纖維素和氧化鋅成功復合。

2.2 形貌分析

纖維素氣凝膠的宏觀形貌如圖2所示，從圖2(b)中可以看出氣凝膠基底可彎曲，具有柔韌性。

圖1 XRD圖譜

a.平鋪tiled; b.彎曲bended

超細氧化鋅和纖維素氣凝膠分別通過溶劑熱法和冷凍干燥法制備，圖3為超細氧化鋅、纖維素氣凝膠以及復合氣凝膠的掃描電鏡圖。

a.ZnO, ×20 000; b.纖維素氣凝膠CE aerogel, ×100; c.纖維素氣凝膠表面surface of the CE aerogel, ×5 000; d.復合氣凝膠表面surface of the CE/ZnO aerogel, ×5 000

圖4 復合氣凝膠元素能量散射圖

由圖3(a)可以看出，超細氧化鋅直徑大約為500 nm，呈球形結構，球形可以增加氧化鋅的比表面積，使其能充分地與細菌接觸。圖3(b)為纖維素氣凝膠結構，可以看出氣凝膠內部呈三維網絡多孔結構，這種多孔結構能提供更多的空間，有利于更多的超細氧化鋅附著，從而更好地發揮超細氧化鋅的抗菌效果。圖3(c)為纖維素氣凝膠表面放大圖，由圖可知純纖維素氣凝膠內部光滑，沒有任何的顆粒附著在上面。圖3(d)為纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠表面放大圖，從圖中可以看出氣凝膠上有許多的納米顆粒。在制備超細氧化鋅時，使用乙二醇作為分散劑，使得超細氧化鋅表面含有豐富的羥基，而纖維素分子結構中也有羥基的存在，纖維素和超細氧化鋅就可以通過氫鍵進行復合。再結合元素能量散射圖(圖4)分析，這些顆粒主要為鋅和氧元素，說明了ZnO的存在，圖譜中也有碳元素的存在，說明是纖維素上的碳。再次證實了纖維素和氧化鋅的成功復合。

2.3 抗菌性能研究

為了更直觀地了解CE/ZnO復合氣凝膠的抗菌性能，本研究利用測定抑菌圈的大小來評估復合氣凝膠的抗菌效果，結果如圖5所示。圖5(a)中基本沒有明顯的抑菌圈存在，說明純的纖維素氣凝膠對大腸桿菌基本沒有抗菌性，而圖5(b)～5(e)中，可以看出明顯的抑菌圈，并且隨著氧化鋅含量的增加，抑菌圈從0.12 cm增加到0.28 cm，說明在復合氣凝膠中，氧化鋅是主要的抗菌劑，氧化鋅的用量越大越有利于抗菌。但ZnO用量過多會對纖維素氣凝膠結構有一定影響，使纖維素氣凝膠無法負載更多的ZnO，從而影響其抗菌效果。

a.纖維素氣凝膠 CE aerogel; b.CE/ZnO- 005; c.CE/ZnO- 010; d.CE/ZnO- 015; e.CE/ZnO- 020

a.抗菌前before sterilization; b.加CE/ZnO- 020抗菌后after sterilization by CE/ZnO- 020

由圖5可知，CE/ZnO- 020復合氣凝膠的抗菌效果最為顯著，故采用菌落計數法對CE/ZnO- 020復合氣凝膠進行滅菌率測定，用來評價復合氣凝膠的抗菌性能。圖6可以清晰地看到抗菌前后細菌數量的變化，未抗菌的細菌培養基上含有大量的細菌，且分布均勻，而抗菌后的只存在少量細菌，通過菌落計數法計算得到CE/ZnO- 020對大腸桿菌的滅菌率為95.25%，說明纖維素/超細氧化鋅復合氣凝膠對大腸桿菌具有很好的抗菌性。

2.4 抗菌機理研究

氧化鋅是傳統的無機抗菌材料之一，細菌培養基中含有一定量的水，氧化鋅在含水介質中可緩慢釋放出Zn2+，細菌表面由于游離—COOH的存在而帶負電荷，Zn2+憑借庫侖引力被吸附到細菌表面，使細菌細胞膜受損，鋅離子與蛋白質中的N和O元素絡合，破壞酶蛋白分子的空間構象；或者是鋅離子代替了激發酶活性的金屬離子如Mg2+、Fe3+和Ca2+等，導致酶類變性從而達到抗菌目的[15-16]。在殺滅細菌后，鋅離子可從細胞內游離出來，重復上述過程，這也是氧化鋅抗菌性持久的原因。超細氧化鋅除具有傳統氧化鋅的抗菌作用外，由于粒子粒徑達到納米級，具有納米粒子特有的表面界面效應，體現在抗菌效果方面，納米粒子的表面原子數量大大多于傳統粒子，表面原子由于缺少鄰近的配位原子而具備很高能量，可增強氧化鋅與細菌的親和力，提高抗菌的效率[17]。將超細氧化鋅與纖維素氣凝膠復合，由于纖維素屬于有機天然產物，它能使細菌更容易與抗菌劑接觸，吸引細菌在纖維素氣凝膠附近生長，使氧化鋅能更好地接觸細菌，將其殺滅，可以更充分地發揮超細氧化鋅的抗菌性。

3 結 論

以溶液交聯法和冷凍干燥法制備的纖維素氣凝膠為載體，溶劑熱法制備的超細氧化鋅作為抗菌劑，通過浸泡法制備了纖維素/超細氧化鋅(CE/ZnO)復合氣凝膠抗菌劑，并對其進行結構表征和抗菌性能分析，XRD圖和SEM圖證明研究成功制備了CE/ZnO復合氣凝膠，且其具有很好的三維網絡多孔結構。CE/ZnO復合氣凝膠具有很好的抗菌性能，并隨著氧化鋅的含量的增加其抗菌性能也在增加，纖維素氣凝膠和超細氧化鋅質量比1∶2制備的復合氣凝膠CE/ZnO- 020對大腸桿菌的滅菌率達到95.25%。