抗菌可降解聚乳酸薄膜制備與性能測(cè)試

關(guān)國(guó)濤，劉晨澤，何世權(quán)，宋超洋，張響*，趙娜，王超*

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)護(hù)理與健康學(xué)院，鄭州 450001；3.鄭州四六零醫(yī)院，鄭州 450001；4.國(guó)家級(jí)微納成型技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001；5.河南省微成型技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

0 前言

新冠和甲流爆發(fā)以來(lái)，全球口罩等醫(yī)療防護(hù)用品消耗量急劇增加，隨之而來(lái)的一些問(wèn)題如部分防護(hù)口罩的防病菌等級(jí)達(dá)不到所需要的防護(hù)需求、積累過(guò)多的醫(yī)療垃圾從而需要消耗大量人力物力來(lái)進(jìn)行垃圾無(wú)害化處理。聚乳酸（polylactic acid，PLA）獲取簡(jiǎn)單，可以從淀粉等農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中制得［1］，其良好的生物相容性和生物降解性［2］越來(lái)越受到人們重視，且PLA優(yōu)異的力學(xué)性能使其可以通過(guò)多種方式加工成膜［3-4］。PLA為結(jié)晶型高分子材料，具備一定的抑菌性［5］，經(jīng)過(guò)生物降解會(huì)形成二氧化碳和水。Satti 等［6］研究了鞘氨醇桿菌 Sphingobacterium sp.S2 菌株能產(chǎn)生 PLA 降解酶，可以用于PLA的回收處理，證明了PLA的生物降解性。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)范少華［7］在田間實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PBAT/PLA地膜4個(gè)月即出現(xiàn)斷截面空隙增大和斷截面破碎的現(xiàn)象。Zaaba團(tuán)隊(duì)［8］發(fā)現(xiàn)紫外線照射可以改變PLA的力學(xué)性能，如斷裂時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的降低，隨著時(shí)間的推移，PLA會(huì)變脆。此外，PLA暴露于紫外線和陽(yáng)光下時(shí)會(huì)發(fā)生光降解。靜電紡絲技術(shù)是利用高壓靜電場(chǎng)對(duì)高分子溶液進(jìn)行紡射噴絲來(lái)制備納微米纖維材料的方法，其基本原理是在噴射裝置和接收裝置之間施加高壓靜電場(chǎng)，從紡絲溶液的錐體端部形成射流并在電場(chǎng)中被拉伸，最終在接收裝置上形成無(wú)紡狀態(tài)的纖維。采用靜電紡絲技術(shù)制成的纖維直徑小［9］，可達(dá)到微米甚至納米級(jí)，可制成孔隙率高、比表面積大、纖維精細(xì)程度與均一性高的無(wú)紡布，在生物醫(yī)用防護(hù)口罩材料中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

生活中常見(jiàn)的細(xì)菌病毒如大腸桿菌，金黃色葡萄球菌等具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)菌的生物膜是與陽(yáng)離子聚合物的殺菌活性密切相關(guān)的作用靶點(diǎn)，其生物膜上的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)可以與抗菌劑的疏水部分結(jié)合，從而分解細(xì)菌膜，破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，防止細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性［10］。同時(shí)，季銨鹽類也有抗病毒的作用，例如新冠病毒和甲流病毒屬于包膜病毒，季銨鹽可以通過(guò)破壞病毒的脂質(zhì)包膜，病毒結(jié)構(gòu)破裂失去活性［11］。季銨鹽是一類陽(yáng)離子表面活性劑，被廣泛地用于醫(yī)療器械和外科手術(shù)的殺菌消毒劑。季銨鹽種類繁多，按照其結(jié)構(gòu)不同，可分為單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、雙鏈雙季銨鹽以及其他季銨鹽。其中，單鏈季銨鹽常見(jiàn)的是十二烷基二甲基芐基氯化銨［12］和十六烷基二甲基芐基溴化銨［13］等，單鏈季銨鹽消毒劑易溶于水和乙醇，不易揮發(fā)，性能穩(wěn)定，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存；雙鏈季銨鹽消毒劑以雙癸基二甲基溴化銨［4］為代表，可滅殺多種微生物，維持良好的滅菌效果，其殺菌作用比單鏈季銨鹽更強(qiáng)，殺菌圖譜更廣。

目前，關(guān)于聚合物添加殺菌劑成型加工，并對(duì)制品表面殺菌效果沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法。北京化工大學(xué)丁雪佳團(tuán)隊(duì)［14］與河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)共同研究了一種新型抗菌劑雙季銨鹽，作為添加劑與聚氯乙烯（PVC）進(jìn)行物理共混和壓片，制備了一種抗菌性能良好的改性PVC材料。結(jié)果表明：殺菌劑與PVC共混后的樣品表面能夠有效殺滅金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，但是抗菌劑的加入降低了PVC材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。吳威等［15］將3種抗菌劑和PVC共混制備抗菌PVC材料，殺菌效果表明：當(dāng)抗菌劑含量為1份以下時(shí)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率可達(dá)到98%。周麗佳等［16］以PLA為原料，將自噬抑制劑氯喹、化療藥順鉑利用靜電紡絲技術(shù)制備了靜電紡絲膜作用于口腔癌CAL-27細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PLA對(duì)藥物的包埋性好，能夠增強(qiáng)藥物對(duì)細(xì)胞的殺傷性。Liu等［17］將肉桂精油（CEO）加入到PLA中，通過(guò)靜電紡絲方法制備PLA/CS-CEO復(fù)合纖維，結(jié)果表明：加入CEO可以提高PLA/CS-CEO纖維的抗菌效果。Ding等［18］在PLA中加入氧化鋅（ZnO）溶膠，獲得了具有良好物理化學(xué)性能和抗菌性能的抗腐敗鏈球菌的食品包裝材料。因此，將PLA與季銨鹽類殺菌劑相結(jié)合，制備出生物可降解醫(yī)療防護(hù)殺菌器材（例如：抗菌口罩、防護(hù)外套等）具有重要的應(yīng)用意義。

本文采用靜電紡絲技術(shù)以PLA為紡絲液，引入季銨鹽，聯(lián)合制備了一種新型的PLA/季銨鹽薄膜材料。研究了不同季銨鹽種類和含量對(duì)PLA/季銨鹽紡絲薄膜力學(xué)性能，抗菌性能等的影響規(guī)律，制得兼具優(yōu)異抗菌性能和良好力學(xué)性能的可降解薄膜材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PLA，NatureWorks 4032D，密度：1.24 g/cm3，熔點(diǎn)：155～170 ℃，熔體密度：108 g/cm3（230 ℃），拉伸強(qiáng)度：53 MPa，拉伸模量：3.5 GPa，工業(yè)級(jí)，美國(guó)Nature Works公司；

單鏈季銨鹽（十二烷基二甲基芐基氯化銨），工業(yè)級(jí)，山東攀澤化工科技有限公司；

雙鏈季銨鹽（雙癸基二甲基溴化銨），工業(yè)級(jí)，上海升緯化工原料有限公司；

六氟異丙醇（C3H2F6O），工業(yè)級(jí)，上海源葉生物科技有限公司；

大腸桿菌（E.coil，ATCC25922），中國(guó)科學(xué)院微生物研究所。

1.2 主要設(shè)備及儀器

靜電紡絲機(jī)，ESM-C01，上海育明納米科技有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），Zeiss Sigma 300，德國(guó)ZEISS公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，UTM2203，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；

加熱磁力攪拌器，DF-101S，上海力辰邦西儀器科技有限公司；

顯微鏡，DMM-440C，上海蔡康光學(xué)儀器有限公司。

1.3 樣品制備

取10 mL六氟異丙醇作為溶劑，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的PLA（置于磁力攪拌器中，設(shè)置溫度60 ℃）攪拌溶解，攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min，時(shí)間3 h，至溶解完全；之后加入季銨鹽類抗菌劑（其中雙癸基二甲基溴化銨抗菌劑體積分?jǐn)?shù)控制在0.15%，0.3%，命名為d1，d2；十二烷基二甲基芐基氯化銨體積分?jǐn)?shù)控制在0.15%，0.3%，命名為s1，s2；對(duì)照組不添加抗菌劑，命名為s3。

取紡絲溶液在室溫（30 ℃）下進(jìn)行靜電紡絲。在靜電紡絲前，先將錫紙平鋪于滾筒上，紡絲溶液在重力作用下在針頭處自然下滴，由于單/雙鏈季銨鹽與PLA混合液黏度不同，故PLA/單鏈季銨鹽選用19 G（針頭內(nèi)徑為0.69 mm）紡絲針頭，PLA/雙鏈季銨鹽選用20 G（針頭內(nèi)徑為0.58 mm）紡絲針頭，注射器體積為10 mL，其余參數(shù)保持一致。調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速500 r/min，紡絲針頭到錫箔紙的接收距離19 cm，設(shè)置紡絲電壓18 kV，打開(kāi)直流電壓，保證靜電紡絲機(jī)正常工作，制備PLA靜電紡絲薄膜材料。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

SEM分析：將上述薄膜材料分別進(jìn)行裁剪處理，使用噴金儀對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，之后使用SEM對(duì)纖維膜微觀形貌進(jìn)行觀察。

薄膜材料纖維直徑分布分析：取d1、d2、s1、s2、s3組分纖維膜，置于偏光顯微鏡下進(jìn)行纖維直徑統(tǒng)計(jì)，取不同部位纖維各50根以上，去除每組最大值和最小值，利用Origin繪圖軟件進(jìn)行圖表繪制。

薄膜材料抗菌性能測(cè)試：取d1、d2、s1、s2、s3組分纖維膜，使用液體培養(yǎng)基對(duì)大腸桿菌進(jìn)行培養(yǎng)，之后在真空操作臺(tái)將加熱狀態(tài)下的固體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿20 mL左右，使用涂布法將大腸桿菌均勻接種在固體培養(yǎng)基上，對(duì)上述薄膜材料進(jìn)行滅菌處理，每個(gè)培養(yǎng)皿三角法放置滅菌后的薄膜材料，培養(yǎng)24 h后進(jìn)行抗菌效果觀測(cè)。

薄膜材料力學(xué)性能測(cè)試：將d1、d2、s1、s2、s3組分纖維膜裁剪為1 cm寬、5 cm長(zhǎng)的拉伸樣條進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，每組至少開(kāi)展5組平行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算平均值，得到對(duì)應(yīng)拉伸樣條的拉伸曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲薄膜的微觀形貌

從圖1可以看出，與不添加任何抗菌劑的s3［圖1（i）、（j）］純PLA靜紡纖維膜相比，d1、d2［圖1（a）～（d）］制備的薄膜材料中雙鏈季銨鹽抗菌劑均勻負(fù)載在PLA紡絲膜上。并且，隨著雙鏈季銨鹽體積分?jǐn)?shù)的增加，纖維表面點(diǎn)狀分布的抗菌劑連成片，有效地提高負(fù)載效率。而s1、s2［圖1（e）、（f）］制備的薄膜材料中有塊狀團(tuán)聚，且隨著單鏈季銨鹽抗菌劑添加量的增大、塊狀團(tuán)聚增多且纖維表面有細(xì)小的裂縫，說(shuō)明單鏈季銨鹽抗菌劑與PLA纖維的結(jié)合力，相對(duì)雙鏈季銨鹽抗菌劑稍差一些，在一定程度上會(huì)影響PLA纖維膜的力學(xué)性能。因?yàn)榧句@鹽基團(tuán)中帶正電的氮原子與烷基鏈型形成帶正電荷的陽(yáng)離子基團(tuán)，且聚合物與表面活性劑之間有靜電吸引作用。通過(guò)高壓靜電場(chǎng)的作用下，隨著PLA溶液電紡成纖維膜，其中雙鏈季銨鹽比單鏈季銨鹽多一條烷基鏈相互作用點(diǎn)，在混合體系中與PLA分子鏈間協(xié)同作用更強(qiáng)，可以結(jié)合均勻黏附在纖維絲的表面。

圖1 不同膜的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM of different membranes

此外，不同分子結(jié)構(gòu)的抗菌劑對(duì)PLA紡絲膜纖維直徑有一定影響。從圖2可以看出，純PLA制備的薄膜材料中纖維直徑在1.0～1.2 μm之間；添加0.15%雙鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料的纖維直徑無(wú)明顯變化，添加0.3%雙鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料的纖維直徑略有減小，在0.8～1.0 μm之間；而添加單鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料的纖維直徑明顯增大，其中添加0.15%單鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料的纖維直徑在1.4～1.6 μm之間，添加0.3%單鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料的纖維直徑在1.8～2.0 μm之間。主要原因是單鏈季銨鹽與PLA結(jié)合性較差且會(huì)破壞PLA纖維本體，由圖1 （e）～（h）可知，濃度為0.15%的單鏈季銨鹽在PLA纖維上有塊狀團(tuán)聚導(dǎo)致纖維直徑增加；而0.3%的單鏈季銨鹽在塊狀團(tuán)聚的同時(shí)使纖維出現(xiàn)裂縫整體直徑再次增大。由上述結(jié)果可知，不同季銨鹽種類和濃度對(duì)纖維直徑有較大影響，從而影響紡絲薄膜的透氣性。通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維直徑可控化，這也是下一步將要研究的內(nèi)容。

圖2 不同膜的纖維直徑分布Fig.2 Fiber diameter distribution of different membranes

2.2 抗菌性能

從圖3 （e）可以看出，普通PLA薄膜材料不具備抗菌性能，大腸桿菌正常生長(zhǎng)。s1［圖3 （c）］制備的薄膜材料的培養(yǎng)皿中，大腸桿菌生長(zhǎng)受到抑制，抑菌圈直徑約為1.9 cm；s2［圖3 （d）］制備的薄膜材料的培養(yǎng)皿中，大腸桿菌生長(zhǎng)受到抑制，抑菌圈直徑約為2.1 cm；由此可見(jiàn)，薄膜材料的抗菌效果隨單鏈季銨鹽抗菌劑添加量的增大而提高。d1［圖3 （a）］制備的抗菌薄膜材料的培養(yǎng)皿中，抑菌圈直徑不規(guī)范，大腸桿菌生長(zhǎng)受到明顯抑制；d2［圖3（b）］制備的抗菌薄膜材料的培養(yǎng)皿中，形成大片抑菌區(qū)域，大腸桿菌生長(zhǎng)受到顯著抑制。經(jīng)Image J數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)可知，d1制備的抗菌薄膜材料的抑菌（面積）率為33%，d2制備的抗菌薄膜材料的抑菌（面積）率為46%，抗菌效果隨著雙鏈季銨鹽抗菌劑添加量的增大而提高，且雙鏈季銨鹽抗菌劑較單鏈季銨鹽抗菌劑的抗菌效果顯著增強(qiáng)。其可能的原因是，雙鏈季銨鹽與單鏈季銨鹽相比，雙鏈結(jié)構(gòu)水溶性更好，降低表面張力的能力更強(qiáng)，具有更好的穩(wěn)定性。此外，帶有更多正電荷的雙鏈季銨鹽與聚合物共同形成帶正電高聚物，在培養(yǎng)皿中正電季銨鹽離子吸附于帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面，通過(guò)滲透作用進(jìn)入細(xì)胞膜的類脂層和蛋白層，從而改變細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，繼而發(fā)生溶胞作用，破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，引起細(xì)菌的溶解和死亡。此外，雙鏈季銨鹽除上述抗菌機(jī)理（機(jī)理圖如圖4所示），較單鏈季銨鹽還可干擾細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)的合成，抗菌效果更好［16-17］。

圖3 不同膜的抗菌性能Fig.3 Antibacterial properties of different membranes

圖4 季銨鹽殺菌機(jī)理示意圖Fig.4 Diagram of germicidal mechanism of quaternary ammonium salt

2.3 彈性模量和斷裂強(qiáng)度

從圖5應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，添加雙鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料斷裂強(qiáng)度增大，彈性模量明顯提高，而添加單鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料斷裂強(qiáng)度和彈性模量都低于不添加抗菌劑的PLA薄膜材料。說(shuō)明添加雙鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料能提高力學(xué)性能，且力學(xué)性能優(yōu)于添加單鏈季銨鹽抗菌劑的薄膜材料。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，單鏈季銨鹽有一個(gè)烷基鏈一個(gè)有機(jī)根（本文所用單鏈季銨鹽的有機(jī)根為芳香烴鏈）因此單鏈季銨鹽的剛性大，靜電紡絲纖維表面易出現(xiàn)裂紋，也直接影響材料的力學(xué)性能；雙鏈季銨鹽有兩個(gè)柔性烷基鏈與PLA分子鏈結(jié)合較好，力學(xué)性能好。

圖5 不同電紡纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of different electrospun fibers

2.4 可降解性能

由于時(shí)間關(guān)系未對(duì)季銨鹽抗菌PLA薄膜降解過(guò)程進(jìn)行研究。PLA 的降解方式包括水解降解和微生物酶催化降解等，影響降解的因素也很多，如溫度，濕度，堆肥條件等［19］。研究發(fā)現(xiàn)加入抗菌顆粒銀和氧化銅不會(huì)影響PLA的降解速率［20］。PLA薄膜中未釋放出來(lái)的季銨鹽可能會(huì)延長(zhǎng)PLA的降解時(shí)間，但由于季銨鹽含量低0.15%～0.3%，并且季銨鹽易溶于水，會(huì)被土壤環(huán)境所稀釋和吸收，不會(huì)對(duì)PLA降解造成太大的影響，具體降解過(guò)程和機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）以PLA、季銨鹽類抗菌劑為主要制備原料，采用靜電紡絲技術(shù)制備抗菌可降解薄膜材料，成膜均勻，雙鏈抗菌劑分散性好并在一定程度上提高了薄膜材料的抗菌性能，同時(shí)保證了薄膜材料具有良好的拉伸/斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

（2）纖維薄膜的制備工藝簡(jiǎn)單，原材料易得，成本低廉，適于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；可以用于醫(yī)用防護(hù)用品包括口罩、防護(hù)服、敷料、手術(shù)衣、消毒包布以及衛(wèi)生用品。