UV固化制備聚（L?乳酸）/殼聚糖薄膜及其熱學、力學及抑菌性能研究

杜 樂，胡婭潔，胡 健，孫 滔，云雪艷，董同力嘎

（內蒙古農業大學食品科學與工程學院，呼和浩特 010018）

0 前言

PLLA 是一種脂肪族聚酯，具有高度透明、熱穩定較好的優勢，但卻存在韌性差、脆性大，細胞相容性不好、缺乏活性基團等缺點［1?2］，限制其在更多領域的廣泛應用，因此，出現很多生物基材料通過共混、共聚、接枝、縮聚等方法改善其性能［3?4］，滿足使用時的需求。Cs是提高聚合物性能而不影響其可持續性的最合適生物材料之一。Cs 作為自然界唯一的堿性多糖，是一種陽離子生物聚合物，具有生物相容好、可降解、安全無毒和廣譜抑菌性等優點，而且Cs 還具有良好的成膜性，但也因其力學性能等問題無法單獨使用［5］，常與其他材料相結合使用。Fathima 等［6］使用聚乙二醇為交聯劑、聚乙烯醇為增塑劑，將納米殼聚糖（NCs）嵌入PLLA 膜中，結果表明PLLA/NCs 薄膜具有良好的力學性能和熱封性。Wu 等［7］將Cs 和茜素（AL）與PLLA共混制備出具有良好柔韌性和高透明度的薄膜。Hos?seini等［8］選擇PLLA 為基材，肉桂醛?殼聚糖?聚乙烯醇?明膠（CPF）為涂層，通過氫鍵相互作用在PLLA 表面形成雙層涂層，提高了薄膜的機械強度、防水性和延展性，并使薄膜具有抗氧化和抗菌活性。

Cs 與PLLA 2 種材料具有良好的協同性能，通常Cs與PLLA 發生反應的條件有限，合成難度大，以往對二者采用共混的研究方法居多，通常此方法會很難解決2 種材料相溶性差的問題［9?11］，為使二者合成條件簡單、高效，可選擇先將PLLA與Cs分別進行改性再相結合的方式來制備性能優異的材料。聚（衣康酸?co?丁二醇）（PBI）是由 單 體 衣康 酸（BI）［12］和1，4?丁 二 醇（BDO）［13?14］合成的具有C=C 的不飽和生物基聚酯，作為柔性鏈段加入PLLA 中，可以起到改善PLLA 力學性能的作用［15］。并且鏈段中的C=C 可再繼續引入其他基團賦予材料新的性能。Cs中含有—OH、—NH2活潑基團反應活性較強，GMA 是酯類化合物，擁有可自由基聚合反應的雙鍵又有環氧基團，這二者在較低溫度下就可發生反應合成出帶有C=C 的殼聚糖衍生物Cs?g?GMA，使其殼聚糖衍生物廣泛用于醫學及包裝材料領域［16?17］。

本文旨在對引入PBI鏈段的PLLA薄膜接枝Cs?g?GMA 的研究，將Cs?g?GMA 與PLBI 薄膜進行接枝反應，進而研究其抑菌薄膜材料的熱力學性能及變化規律。實驗以脫水縮合的PLLA 為基材，與PBI 熔融共聚反應生成PLBI，采用溶液澆鑄法制備薄膜，通過UV照射與添加1 %（體積分數）光引發劑的Cs?g?GMA 溶液進行接枝反應，制備出PLBI/Cs?g?GMA 抑菌薄膜，對共聚物PLBI、Cs?g?GMA 進行核磁分析及對抑菌薄膜進行紅外分析，力學性能、熱學性能和親水性能、抑菌性能測試。

1 實驗部分

1.1 主要原料

L?乳酸（L?LA），純度≥90.0 %，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

衣康酸（IA），純度≥99.0 %，美國西格瑪?奧德里奇公司；

1，4?丁二醇（BDO），純度≥99.0 %，美國西格瑪?奧德里奇公司；

SnCl2·2H2O，純度≥99.5 %，美國西格瑪?奧德里奇公司；

對甲苯磺酸（TSA），純度≥99.5 %，美國西格瑪?奧德里奇公司；

Cs，脫乙酰度90 %，分子量2×105，北京索萊寶科技有限公司；

GMA，純度≥96 %，北京索萊寶科技有限公司；

2?羥基?2?甲基?1?苯基?1?丙酮（HMMP），純度98 %，北京索萊寶科技有限公司；

KBr、KOH、乙酸（AC）、無水乙醇、CHCl3，分析純，國藥集團化學試劑公司；

大腸桿菌，ATCC 6538 Escherichia coli，商城北納創聯生物科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

核磁共振譜儀（1H?NMR），400MHzAdvance 2B，德國Bruker公司；

傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），IRAffinity?1，日本島津公司；

智能電子拉力試驗機，XLW?EC，濟南蘭光機電技術有限公司；

接觸角測量儀，SL200KB，美國KINO Industry公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），TM400，日本日立公司；

差示掃描量熱儀（MDSC），DSC?Q20，美國TA公司；

UV 固化機，RW?UVAT201?20，深圳市潤沃機電有限公司。

1.3 樣品制備

Cs?g?GMA 制備：參考Uspenskii［16］等的方法并稍作修改，將1 g Cs 溶于盛有0.1 M 100 mL 乙酸的三口燒瓶中，室溫攪拌溶解，緩慢滴加GMA，加入5 %（體積分數）0.05 M 的氫氧化鉀溶液，N2氣氛下，60 ℃反應4 h，制得Cs?g?GMA；其中Cs與GMA按摩爾比1/0.4、1/0.6、1/0.8、1/1進行反應，反應產物分別命名為Cs?g?GMA0.4、Cs?g?GMA0.6、Cs?g?GMA0.8、Cs?g?GMA1；

PLBI 薄膜制備：共聚物PLBI 的合成采用熔融縮聚法；首先，將IA 和BDO 以摩爾比1/1 添加到三口燒瓶中，反應裝置完全密閉；反應前N2置換3 次，將反應溫度調至150 ℃，反應2 h，再在真空條件下反應4 h 合成PBI；然后，將700 g 90 %（質量分數）的L?乳酸溶液倒入帶有攪拌器和冷能回流裝置的反應釜中，110 ℃、40 kPa 下脫水反應1 h，將溫度升溫至150 ℃，降壓到13 kPa，反應2 h，再升溫至180 ℃、降壓至4 kPa 下抽真空4 h，制備出低分子量PLLA；按照質量比（8/92）將PBI加入到PLLA 中，然后加入SnCl2·2H2O 和TSA，催化劑添加量為總反應物質量的0.5 %，真空下180 ℃反應至待反應物黏度增大至出現攪拌器電機扭矩增大的情況下停止；將反應物在室溫下冷卻得到粗產物，將其破碎成粉末后于150 ℃固相36 h，經沉降、干燥等步驟進行純化得到PLBI 終產物；最后，采用溶液澆鑄法制備薄膜，稱取2.5 g PLBI 溶于70 mL 氯仿中，溶解后倒在干凈、光滑的玻璃板上，待溶劑揮發后揭下薄膜，放入真空干燥箱等待各項測試及實驗；

PLBI/Cs?g?GMA 抑菌薄膜的制備：將上述制備的PLBI 薄膜浸泡在合成的Cs?g?GMA0.4、Cs?g?GMA0.6、Cs?g?GMA0.8、Cs?g?GMA1溶液中，加入1 %（體積分數）的光引發劑HMMP，經過UV（360 W）照射15 s，用AC 和蒸餾水反復沖洗薄膜，真空干燥后等待備用；將此薄膜分別命名為PLBI/Cs?g?GMA0.4、PLBI/Cs?g?GMA0.6、PLBI/Cs?g?GMA0.8、PLBI/Cs?g?GMA1.0。

1.4 性能測試與結構表征

核磁分析：采用1H?NMR 表征合成的PLBI、Cs?g?GMA 共聚物；PLBI共聚物以氘代三氯甲烷為溶劑；Cs?g?GMA以重水為溶劑，測定條件室溫；

紅外分析：將PLBI 薄膜與PLBI/Cs?g?GMA 抑菌薄膜分別進行紅外測定，分辨率4 cm-1，波長范圍400～4 000 cm-1，掃描64次；

熱性能分析：稱取8～10 mg樣品于坩堝，氮氣氣氛下以2 ℃/min的加熱速率從-50 ℃升溫至200 ℃；可直接得到各樣品的玻璃化轉變溫度（Tg）、熔點（Tm）、冷結晶溫度（Tcc）等熱學參數，通過積分計算得到冷結晶焓（ΔHcc，J/g）和熔融焓（△Hm，J/g），根據式（1）計算得出材料的結晶度（Xc，%），其中△Ho是純聚合物理想狀態下100 %結晶時的熱焓值（PLLA的△H0=93.6 J/g）［18］；

拉伸性能測試：根據ASTM D882?09，使用智能電子拉伸試驗機測量膜樣品的拉伸性能，試驗在室溫、10 mm/min 的速率下進行，每個試樣的有效拉伸長度和寬度分別為28 mm 和5 mm，每個試樣測試3 組取平均值；

斷裂面形態表征：采用SEM 觀察樣品拉伸斷裂面形態；將拉伸測試后的樣品斷裂面垂直黏附在導電膠表面；

靜態水接觸角測試：采用接觸角測量儀測定PLBI及PLBI/Cs?g?GMA 抑菌薄膜的接觸角；每個試樣測試3組取平均值；

薄膜抑菌性測定：采用ASTM E2180?07 標準，通過平板培養計數檢測PLBI/Cs?g?GMA 薄膜對大腸桿菌的抗菌活性；每個試驗設置3個平行，通過式（2）計算薄膜抑菌率（X，%）：

式中CA——空白組的菌落總數，log（CFU/mL）

CB——處理組的菌落總數，log（CFU/mL）

2 結果討論

2.1 核磁分析

圖1 為PLBI 共聚物的1H?NMR 譜圖，如圖中所示，對PLBI 中的H 依次編號。在1H?NMR 圖中，1.54處的二重峰和5.13處的四重峰分別代表聚乳酸中甲基（—CH3）和次甲基（—CH）的H 質子共振峰［19］。通過已知IA、BDO 分子鏈段結構中羥基、酯基等基團具有一定的吸電子效應，氫質子離羥基越近，氫原子核周圍的電子云密度越低，該氫質子的化學位移越大，通過此原理得出結果，1.68、4.12 處是BDO 中亞甲基（—CH2）上H質子共振峰；5.76、6.34是IA中乙烯基端（=CH2）上H 質子的共振峰，3.37 處是IA 中亞甲基（—CH2）的H 質子共振峰。這表明PBI 確實已經嵌入到PLLA 的鏈段中，通過計算BDO 上—CH2質子（4.12處）與乳酸中的—CH 質子（5.13 處）的積分比，得出PBI 在PLLA 嵌段分子的質量比。經計算得知PBI 占7.5 %（質量分數），略低于實際投料比（92/8），這是因為PBI在反應中未能100 %參與反應，未經反應的PBI已在沉降過程去除。由此可說明PBI 鏈段成功接枝到PLLA鏈段中，此檢測結果也與文獻結果一致［20?21］。

圖1 PLBI共聚物的1H?NMR譜圖Fig.1 1H?NMR spectrum of PLBI copolymer

圖2為Cs?g?GMA 共聚物的1H?NMR譜圖，如圖中所示，對Cs?g?GMA 中的H 依次編號。其中Cs 環形質子特征共振峰出現在3.66～3.96 之間，圖中GMA 中的甲基（—CH3）的H 質子振動峰出現在1.57 處，7.53、7.58 處出現GMA 中乙烯基端（=CH2）的H 質子振動峰，這些信號峰的出現證實了GMA 與Cs 之間的反應，而且環氧基團的特征共振峰應在2.60～2.90 之間，而圖中此處并無出現峰，證實了GMA中的環氧基團參與了反應，成功合成出Cs?g?GMA。

圖2 Cs?g?GMA共聚物的1H?NMR譜圖Fig.2 1H?NMR spectrum of Cs?g?GMA copolymer

2.2 紅外分析

圖3 是PLBI、PLBI/Cs?g?GMA 薄膜的FTIR 譜圖。從圖中可觀察到在PLBI曲線中1 640 cm-1處出現了1 個小峰，這是PBI 中的C=C 官能團引起的，說明PBI 與PLLA 成功發生反應。而在PLBI/Cs?g?GMA曲線中1 640 cm-1處C=C 所在的峰趨于平緩，這是因為PLBI與Cs?g?GMA發生接枝反應，C=C發生反應雙鍵峰趨于平緩，在3 400 cm-1附近出現1個較寬的小峰，是因為Cs?g?GMA中的—OH造成的，并且在1 660 cm-1附近出現了Cs 酰胺Ⅰ帶的特征峰。因此，從譜圖結果來看PLBI 薄膜與Cs?g?GMA 成功發生接枝反應，成功制備出了PLBI/Cs?g?GMA抑菌薄膜。

圖3 PLBI和PLBI/Cs?g?GMA薄膜的FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectra of PLBI and PLBI/Cs?g?GMA films

2.3 熱學性能分析

圖4 為各薄膜的MDSC 總熱流、可逆熱流及不可逆熱流曲線，表1為材料各組分的熱性能。從圖表中數據 可 得 到PLBI 薄 膜 的Tg、Tcc、Tm、Xc分 別 為23.5、68.3、135.1 ℃，5.0 %，Cs?g?GMA 中僅出現1 個較寬的熔融峰，是水分的蒸發導致的，在此溫度區間內并無出現Tg、Tcc、Tm。表面接枝了Cs?g?GMA 后，薄膜的Tg是沒有明顯變化的，Tcc由68.3 ℃降低至65 ℃，經計算得知隨著接枝Cs?g?GMA 摩爾比的增加，Xc由5 %增加到15.6 %，這表明Cs?g?GMA 在PLBI 表面結晶過程中起到成核劑的作用，促進PLBI 的異相成核，使得PLBI 鏈段在較低溫度下有序排列堆砌成晶區，結晶度隨之提高，因而Cs?g?GMA 的加入使PLBI 結晶能力提高，且隨著Cs?g?GMA 摩爾比的增加，PLBI 與其接枝量的增加，成核位點變多結晶越容易發生［22］，更多分子從無定形轉變為結晶態。

圖4 薄膜的MDSC曲線Fig.4 MDSC curves of the films

表1 PLBI和PLBI/Cs?g?GMA 薄膜的熱性能Tab.1 Thermal properties of PLBI and PLBI/Cs?g?GMA films

2.4 拉伸性能分析

力學性能是作為包裝性能最為主要的性能。如表2所示，添加了7.5 %（質量分數）PBI 的PLBI 薄膜斷裂伸長可至214.3 %，這一結果是由于PBI的引入破壞了PLLA 分子鏈間的緊密結構，分子鏈間作用力減小，分子間鏈運動增加，削弱了材料的剛性，增加了柔韌性［23］，且僅引入少量的PBI，薄膜的彈性模量就降低至197.4 MPa，表現出良好的柔韌性。經過UV 固化接枝Cs?g?GMA 的薄膜力學性能也有著不同程度的變化。隨接枝Cs?g?GMA 摩爾比的增加，PLBI/Cs?g?GMA0.4、PLBI/Cs?g?GMA0.6、PLBI/Cs?g?GMA0.8、PLBI/Cs?g?GMA1。0薄膜斷裂伸長率分別為211.8 %、113.7 %、75.1 %、67.3 %。并且屈服強度和彈性模量出現先降低后升高現象，一方面是經UV 照射時PLBI 與Cs?g?GMA 的接枝程度取決于二者C=C 的含量，在保證PLBI 的C=C 含量一致的情況下，Cs?g?GMA 摩爾比越大生成的C=C 含量越多，與PLBI反應程度越大，使得PLBI 分子鏈段支化嚴重，限制了分子鏈的運動，導致材料剛性增加［24］，這與上述MDSC中結果一致，另一方面歸因于UV 照射會加速老化，會使其C—O、C—N、C—H鍵斷裂，導致的薄膜力學性能下降［25］。

表2 PLBI/Cs?g?GMA 薄膜的力學性能Tab.2 Mechanical properties of PLBI/Cs?g?GMA films

2.5 拉伸斷裂面分析

由圖5 可清楚薄膜的拉伸斷裂面微觀結構。從PLBI 的照片中可看到，其斷裂面是粗糙的，出現纖維絲狀粘連，表現出韌性斷裂的特征，這些紋路是銀紋擴散的結果，銀紋通常出現在無定形聚合物中，表明PBI的引入改變了PLLA 的狀態，此時PLBI 薄膜更多的是處于無定形態，降低了PLLA 鏈段的結晶能力，與MD?SC 中的結果一致。隨著接枝Cs?g?GMA 后，薄膜開始絲狀粘連減小，抗形變能力減弱，并且在薄膜接枝表面出現整齊的斷裂口，說明接枝Cs?g?GMA 會導致薄膜接枝表面變脆，導致其力學性能降低，這與上述的力學性能測試結果一致。

圖5 薄膜拉伸斷面的SEM照片Fig.5 SEM images of tensile sections of the films

2.6 靜態水接觸角分析

親水性是物質一種內在性質，是由物質分子結構中對水具有很大親和力的極性基團所賦予的，其外在表現是物體表面對水的鋪展能力——即濕潤性［26］。PLLA 由于鏈段的中的疏水基團酯基、烷基較多，致使PLLA 表現出疏水性［27］。如表3 所示，PLBI 薄膜水接觸角為71.8 °，表現出親水性是由于PBI中的親水基團—OH、—COOH 引起的；并且隨著Cs?g?GMA 的引入水接觸角在逐漸減小，一方面是因為引入的親水基團—OH［28?29］，另一方面是因為Cs?g?GMA 中的N 原子容易與水形成氫鍵，易形成富集在材料表面的親水層［8］。因此，PLBI/Cs?g?GMA 薄膜親水性增強、具有良好的細胞相容性，有利于細胞的黏附、遷移。

2.7 薄膜抑菌性能分析

圖6 為PLBI 和PLBI/Cs?g?GMA 薄膜對大腸桿菌的抑菌效果。可以看出，PLBI 薄膜對大腸桿菌有4.3 %的抑菌率，這是大腸桿菌在生長過程中自然凋亡導致的，因此PLBI 對細菌是沒有殺菌作用的。而PLBI/Cs?g?GMA 薄膜對大腸桿菌表現出良好的抑菌效果，隨薄膜接枝Cs?g?GMA 摩爾比的增加，致死對數值由0.03 log（CFU/mL）增加到0.98 log（CFU/mL），抑菌率從4.3 %增加到83.4 %。此結果由兩方面造成：一方面是殼聚糖自身所具有抑菌性，自身所帶的正電荷通過靜電吸附作用對細胞膜結構造成損傷，改變了細胞膜的通透性，造成大量胞內物質泄漏，對細胞的生長、繁殖造成一定影響，從而導致其活性下降甚至死亡；另一方面也與上述水接觸角結果相關，親水性的增加細胞相容性好，使細菌更容易與薄膜進行接觸，增加了更多的接觸位點，使其薄膜抑菌性效果增強。

圖6 PLBI和PLBI/Cs?g?GMA薄膜對大腸桿菌的抑菌效果Fig.6 Bacteriostatic effect of PLBI and PLBI/Cs?g?GMA films on escherichia coli

3 結論

（1）成功合成出PLBI 和Cs?g?GMA 共聚物，并在UV照射下制備出PLBI/Cs?g?GMA抑菌薄膜；

（2）PBI 的引入破壞了PLLA 鏈段規整度，增加了PLLA 分子鏈段的運動能力，使其薄膜斷裂伸長率增加到214.3 %，接枝Cs?g?GMA 造成PLBI 分子鏈段支鏈化嚴重，PLBI/Cs?g?GMA1.0薄膜斷裂伸長率降至67.3 %；

（3）隨PBI和Cs?g?GMA中親水基團的增多使薄膜表現出良好的親水性，PLBI/Cs?g?GMA1.0薄膜水接觸角最小降低至40.7°，并且PLBI/Cs?g?GMA 薄膜具有抑菌性，PLBI/Cs?g?GMA1.0薄膜抑菌率達到83.4 %。