生物降解材料的制備和抗菌性能研究

王輝 郭旭 樊江平

摘 要：為解決生物降解材料使用過程中容易被腐蝕、使用壽命短等問題，研究以生物降解基Zntrs復合材料為例，通過抗菌劑的添加，與高分子材料聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）熔融共混加工，制備了生物可降解材料，實踐證實其能夠對大腸桿菌產生良好的抑制，抗菌作用強，擁有廣闊的發展前景。

關鍵詞：生物降解材料;制備;抗菌性能;貼膜法;平板培養基法

中圖分類號：TQ324.8?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0061-04

Study on the preparation and antibacterial properties of biodegradable materials

WANG Hui，GUO Xu，FAN Jiangping

（Baoding Center for Disease Control and Prevention，Baoding 071000，Hebei China）

Abstract：In order to solve the problems of easy corrosion and short service life of biodegradable materials during use，the study took biodegradable Zntrs composite materials as an example through the addition of antibacterial agents，melt blending with polymer materials PLA and PBS to prepare biodegradable materials.Practice has proved that it can produce good inhibition to E.coli，has strong antibacterial effect，and has broad development prospects.

Key words：biodegradable materials;preparation;antibacterial properties;film method;plate culture method

生物降解聚酯在食品包裝、醫療器械及生活用品等多個領域有著廣泛應用，其具有較好的生物相容性與降解性，未來將可能替代聚烯烴成為綠色環保材料。研究發現，生物降解聚酯材料容易受到細菌、病毒等微生物的污染，人接觸后增加了感染發生率及患病率，影響身心健康，因此其在包裝材料、玩具等中的應用受到了一定的限制[1]。隨著國家對于環保的重視程度不斷提升，“限塑令”以及“雙碳目標”等新政陸續出臺，各省市也積極響應國策號召，紛紛出臺具體意見和行動方案，加快推廣可降解塑料、紙質包裝等塑料的可替代產品是我國塑料污染治理的關鍵措施，亦給生物降解材料領域帶來發展機遇。在這一背景下有學者提出開發具有抗菌性能的生物降解材料，通過抑菌組分熔融共混或接枝共聚技術，能夠使得高分子材料具備抑菌性能，成為學者關注的熱點話題[2]。作為完全生物降解材料，聚乳酸材料在商業化領域有著廣泛的應用，主要包括包裝、骨組織固定及化肥等，隨著近年來人們對健康質量要求的提高，研究具有抗菌性能的聚乳酸（PLA）制品成為一個必不可擋的趨勢，同時也為未來食品包裝材料發展提供了新的方向。目前越來越多生物降解天然高分子材料得到了開發應用，常見包括PLA、聚丁二酸丁二醇酯（PBS），此次研究以生物降解基Zntrs復合材料為例，將Zntrs配合物作為抗菌劑，熔融共混PLA、PBS等生物降解高分子材料進行加工，制備復合材料，并對其抑菌性能進行研究，將研究結果予以如下匯報。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與儀器

研究所用Zntrs由天津市雄冠科技發展有限公司提供;PLA購自山東鴻達生物科技有限公司;PBS購自東莞晟東塑膠原料有限公司;聚乙烯（PE）購自西安基美科技有限公司;磷酸氫二鈉七水合物購自盼得（上海）國際貿易有限公司;磷酸二氫鉀由濟南眾杰化工有限公司提供;無水乙醇由濟南涵百化工有限公司提供;牛肉提取物購自陜西夏州生物科技有限公司;蛋白胨 P 購自北京索萊寶科技有限公司;瓊脂購自湖南聚碩生物科技有限公司;氯化鈉購自山東緒財生物科技有限公司;大腸埃希氏桿菌由上海撫生實業有限公司提供。

am消毒器由北京邁博潤環保技術有限公司提供;無菌酸性苯酚消毒劑購自深圳欣博盛生物科技有限公司;EHG恒溫培養箱購自常州蒙特儀器制造有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 Zntrs配合物合成

研究首先在適量高純水中加入丁二酸（5.8 g：0.05 mol）、六水硝酸鋅（7.4 g：0.025 mL）與1，2，4-三氮唑（3.45 g：0.05 mol），在硝酸鋅溶液中加入1，2，4-三氮唑溶液與丁二酸溶液，采用磁力攪拌器進行混合均勻攪拌處理;在混合液中加入1 mol/L NaOH溶液，將pH值控制在4～5，然后再次進行攪拌，充分反應4 h。將旋轉蒸發儀溫度調整為60 ℃，獲得白色粉末粗產品，經過提純處理，將其保存于真空干燥箱中進行烘干處理，溫度以100 ℃為宜;獲得的Zntrs配合物，其主要成分為1，2，4-三氮唑、丁二酸，熔點進行實驗測定為258～260 ℃。

1.2.2 生物降解基Zntrs材料的制備

將Zntrs配合物置于真空干燥箱中進行烘干處理，并采用研缽進行研磨使其成為細末狀，在對PLA、PBS進行烘干處理時，先將其置于真空干燥箱中，溫度設置為60 ℃;將PLA加工溫度調整為150 ℃;當加工PBS與PE時溫度調整為135 ℃。將適量聚合物基體加入雙錕混煉機中，確保聚合物熔融后，將不同配比Zntrs配合物加入其中，在常溫狀態下靜置一定時間后，采用平板硫化機進行熱壓成型，冷卻到室溫后，將其制為方片試樣，規格為4 cm×4 cm[3]。

1.2.3 貼膜法測生物降解基Zntrs材料抑菌性能

嚴格按照《抗菌塑料的抗菌性能試驗方法》進行測定，首先取大腸桿菌，在營養瓊脂培養基斜面上進行種植，將溫度設置為37 ℃，培養時間為24 h。在進行實驗時，將經過24 h培養的新鮮細菌取出，將其制為菌懸液，濃度以1×106cfu/mL為宜;在待測抑菌試片與空白試片上涂抹適量菌懸液，在試片中央貼上PE覆蓋膜（規格為30 mm×30 mm），采用滅菌培養皿對試片予以保存。設置培養箱溫度為37 ℃，將相對濕度調整為90%以上，進行24 h培養。將培養后的樣品取出，加入含有20 mL生理鹽水的洗脫液中，對樣品、覆蓋膜進行反復清洗，震蕩處理懸濁液使其充分搖勻，精密稱取0.1 mL，在營養瓊脂培養基上進行接種，設置溫度為37 ℃，進行24 h培養;對活菌計數，生物降解材料抗菌率計算方法為R=c（A-B）/A×100%，其中抑菌率采用R表示，A、B分別表示的是空白對照試樣與抗菌塑料試樣的回收菌落平均數[4]。

1.2.4 平板培養基法測定生物降解基Zntrs材料抑菌性能

將生物降解基Zntrs材料制作成為試樣，形狀為圓柱形，直徑以0.9 mm為宜，厚度為4 mm，將其在大腸桿菌液培養基中進行均勻涂抹，在平板上進行24 h培養，對試樣的抑菌情況進行分析。

2 結果與分析

2.2.1 貼膜法試驗結果分析

由試驗結果可知，101型號聚乳酸加工溫度最低為150 ℃，當熔融溫度設置為150 ℃時，Zntrs配合物得到分解但出現明顯變質，可聞到刺激性氣味，試驗以失敗告終。當PBS熔融溫度控制在105～140 ℃，PE為140 ℃時，可以發現Zntrs配合物未發生分解變質，獲得試驗成功，并成功制備了Zntrs/PBS與Zntrs/PE材料。

如表1所示，其展示的是Zntrs生物降解材料抑制大腸桿菌的性能，可以發現生物降解材料抑菌效果會隨著Zntrs質量分數增加呈現出增強趨勢，當質量分數達到10.0%，其抗菌率為92.82%，提示其抑菌作用強。

2.2.2 平板法試驗結果分析

不同Zntrs添量Zntrs/PBS生物降解材料中培養24 h大腸桿菌的結果如圖1所示。從圖1（a）可以發現，大腸桿菌的生長需要對PBS試樣進行依附;從圖2（b）中可見。大腸桿菌未對生物降解材料試樣進行依附，抑菌作用不強;從圖1（c）中可以發現，試樣周圍存在抑菌圈，但作用相對微弱，直徑在1 mm以下;圖1（d）顯示Zntrs質量分數為5%時，可見周圍有明顯抑菌圈，平均直徑為4 mm;從圖1（e）可以發現，試樣周圍有較大的抑菌圈，直徑在5 mm左右;從圖1（f）中可以發現，Zntrs質量分數為10%時，試樣均表現出明顯的抑菌作用。不難發現，兩種試驗方法獲得的結果具有較高的一致性，均提示隨著抑菌劑含量的增加，生物降解材料在抑制大腸桿菌方面作用越強，抑菌性能越強。

2.2.3 對比試驗結果分析

將生物降解聚酯材料與Zntrs進行共混，可以發現生物降解聚酯材料被賦予了抑菌性能，此次研究選擇塑料聚乙烯作為非生物降解材料，對比了其與Zntrs抑菌劑制備復合材料在抑菌方面的作用。如圖2所示其呈現的是添加不同Zntrs量所獲得的Zntrs復合材料的抑菌作用結果。從圖2（a）中可以發現，經過24 h培養，純PE試樣自薄膜轉移后，可見培養基上的大腸桿菌呈現稠密的菌斑。該研究結果提示，大腸桿菌接觸PE后大部分菌種均成活，培養過程中各菌落形成了激烈的競爭關系，細菌生長受到一定程度的限制;且影響了養分的吸收，難以形成大的菌落[5]。

由圖3（b）～（f）可以發現，復合材料上轉移的菌液所能夠培養的菌落會隨著抗菌劑的增加而出現降低趨勢;說明活菌在菌液中的數量分布有一定程度的減少，強化了復合材料的抑菌效果[6～7]。表2所示為Zntrs/PE復合材料在抑制大腸桿菌方面的效果，可以發現抑菌效果在抑菌劑質量分數達到5%后有明顯的表現;當添加抑菌劑質量分數為7%時，測量其抑菌直徑在4 mm，抗菌效果達到93.64%;當抑菌劑質量分數增加至10%時，對細菌的抑制能力達到95.69%，提示其具有極強的抗細菌效果。

采用平板培養基法對Zntrs/PE復合材料抑菌情況進行測定，從圖3可以發現其與貼膜法存在較高的一致性。當Zntrs抗菌劑含量增多時，復合材料的抑菌性能提升，表現為抑菌率的提升，當Zntrs抗菌劑質量分數達到10%后，其抑菌圈覆蓋4 mm直徑范圍，體現出較高的抑菌強度。

研究對生物降解聚酯與常規的塑料聚乙烯抗菌能力進行對比分析，可以發現這兩類塑料中加入Zntrs抗菌劑均具有極強的可行性，其能夠使得塑料具備抗菌作用。當Zntrs抗菌劑含量增多后，塑料的抑菌效果也會發生一定的變化，抑菌效果不斷增強。PBS塑料在Zntrs抗菌劑質量分數為1%～5%時，其對大腸桿菌生長及繁殖的抑制作用優于PE;若繼續增加Zntrs抗菌劑含量，增加至質量分數為7%～10%時，可以發現常規塑料PE抗菌率得到了進一步提升，分別為93.82%、95.67%，顯現了極強的抑菌效果[8]。但添加質量分數為9%的Zntrs抑菌劑于PBS后，可以發現復合材料抑菌率僅為92.89%;這與常規塑料相比，其抑菌效果相對較差，抑菌率低。

3 結語

研究所用抑菌劑為自制Zntrs，按照流程制備了Zntrs/PLA、Zntrs/PBS抗菌復合材料，對各復合材料的抗菌效果進行分析;對常規塑料PE在添加Zntrs復合材料的情況下抑菌性能作出了分析，得出了如下結論：

（1）對PLA、Zntrs配合物進行熔融處理時，填充過程中可以發現顏色變黃，產生刺激性氣味，經過復合材料制備對其抑菌性能進行分析可以發現抑菌率均為0，提示未能產生抑菌作用。這是因為抑菌劑經過高溫作用加工后會出現分解現象，導致失效;

（2）大腸桿菌會受到Zntrs復合材料的影響，對其生長繁殖產生一定的作用，可以發現復合材料抑菌效果會隨著Zntrs抑菌劑含量的升高呈現出增強趨勢。復合材料抑菌性能在Zntrs抑菌劑質量分數為10%時，能夠達到更強的抗菌效果;

（3）研究比較了常規塑料PE與Zntrs抑菌劑填充后的性能，可以發現常規塑料在加入Zntrs抑菌劑后能夠發揮抗菌效果，在較少Zntrs含量狀態下，生物降解聚酯塑料抑菌效果更好;當Zntrs抑菌劑質量分數達7%～10%后，常規塑料抑菌效果更好。

【參考文獻】

[1]李玉竹，姚利輝，葉世強，等.生物降解材料在水環境中降解性能的研究進展[J].中國塑料，2021，35（7）：103-114.

[2] 陳一凡，唐曉寧，張彬，等.TiO2@SiO2復合材料的制備及其光催化 與抗菌性能的研究[J].無機材料學報，2019，34（12）：1 325-1 333.

[3] MA Z，GAO M，NA D，et al.Study on a biodegradable antibacterial Fe-Mn-C-Cu alloy as urinary implant material[J].Materials Science & Engineering，C.Materials for biological applications，2019，103（Oct.）：109 718.1-109 718.8.

[4] NIDA IQBAL，SAMAN IQBAL，TANVEER IQBAL，et al.摻鋅羥基磷灰石-沸石/聚己內酯復合材料作為鎂基體涂層提高其體外腐蝕和抗菌性能[J].中國有色金屬學報（英文版），2020，30（1）：123-133.

[5] 康曉鷗，易蘭花，鄧麗莉，等.納米纖維素基抗菌復合材料及其在食品包裝中的研究進展[J].食品科學，2020，41（11）：317-326.

[6] 曾少華，申明霞，段鵬鵬，等.可生物降解高分子材料的研究與進展[J].粘接，2015，25（1）：72-76.

[7] 湯莉，馮學鵬，任文惠，等.輻射固化可生物降解聚氨酯丙烯酸酯的合成及體外藥物釋放[J].高分子材料科學與工程，2020，36（8）：138-145.

[8] 謝中，羊明智，薛靜波，等.可降解鋅合金植入材料的體內抗菌性[J].中國組織工程研究，2019，23（14）：2 196-2 201.