聚乳酸／肉桂醛復合納米纖維膜的制備及表征

李林建，劉俊渤，唐珊珊，常海波，梁大棟

（吉林農業大學資源與環境學院，吉林 長春 130118）

0 前言

一維納米功能材料是國際上的研究熱點之一，其制備方法有氣相沉積法、模板法、靜電紡絲法及溶劑熱法等。其中靜電紡絲法由于設備簡單，方便高效及制備的纖維具有較大的比表面積與較高的孔隙率，使其不僅在實驗室研究中備受關注［1－2］，而且在藥物釋放及組織工程領域的應用研究更是受到了廣泛的重視［3－4］。

肉桂醛是一種天然廣譜抗菌劑，且具有很好的藥理活性。由于肉桂醛低濃度時對黃曲霉、白地霉、黑曲霉、酵母菌等均有強烈的抑菌作用［5］，且不受pH值影響，因此無論對于酸堿性物質，肉桂醛都具有很強的殺菌功能，可廣泛用于防腐、防霉及保鮮，近年來得到許多研究者的重視［6－7］。研究表明，肉桂醛對肉類及家禽類產品表面的沙門氏菌及大腸桿菌具有很強的抗菌作用，能有效控制食物表面有害病原體的傳播［8］。但肉桂醛易揮發，使其殺菌作用不持久，經過β－環糊精包合后具有緩釋特性，可達到氣態長效殺菌效果。

PLA是以玉米等農作物淀粉為原料，由生物發酵生成乳酸，然后經過化學合成得到的可生物吸收與降解的生物質材料，因不污染環境，具有良好的生物相容性、可降解性及力學性能等優點而被廣泛應用于醫用材料及食品包裝包材［9－10］。但研究發現單一PLA聚合物制備的材料存在功能上的不足或缺陷，因此有關PLA復合材料制備的報道［11－12］越來越多被關注，但添加肉桂醛的PLA復合納米纖維膜卻少有文獻報道。將廣譜天然抗菌劑肉桂醛添加到生物可降解高分子聚合物PLA溶液中，利用靜電紡絲技術制備PLA／肉桂醛復合納米纖維膜，不僅可賦予纖維膜的抗菌性能，使其擁有長效廣譜抗菌、殺菌作用，同時又可降低膜材料在生產、使用及廢棄后對環境的污染。

本研究采用靜電紡絲法制備了PLA／肉桂醛復合納米纖維膜，并探討了溶劑比例、紡絲液濃度、紡絲電壓、接收距離等因素對PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的纖維直徑及表面形態的影響，同時對其性能進行了表征。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA，薄膜級，相對分子質量為1.0×105，深圳光華偉業實業有限公司；

β－環糊精，分析純，天津市光復精細化工研究所；

肉桂醛，分析純，阿拉丁試劑（上海）有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺（DMF），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

丙酮，分析純，北京化工廠；

酵母提取物，生物試劑，北京奧博星生物技術有限公司；

胰蛋白胨，生物試劑，北京奧博星生物技術有限公司；

NaCl，分析純，天津市天新精細化工開發中心；

瓊脂，分析純，蘭州市鵬程生物技術有限公司。

1.2 主要設備及儀器

恒溫加熱攪拌機，501，上海實驗儀器有限公司；

高壓直流電源，DW-P503-1ACCC，天津市東文高壓電源廠；

熱失重分析儀（TG），SEM，JSM-6510，日本電子株式會社；

FTIR，Spectrum RSIFT-IR System，德國 Perkin Elmer公司；

微型電子拉力機，HZ（08）X-O，上海黑子儀器有限公司；

真空干燥箱，DZF-6020，上海恒科儀器有限公司；

綜合型熱分析儀，ZRY-ZP，北京大學儀器廠；

高壓蒸汽滅菌鍋，LDZX-30KBS，上海申安醫療機械廠；

恒溫培養箱，BPH-9082，上海凱朗儀器設備廠；

恒溫恒濕震蕩培養箱，LHS-250HC-I，上海一恒科技有限公司；

電子數顯卡尺，0-150mm，哈爾濱量具刃具集團有限公司。

1.3 樣品制備

稱取一定質量的β－環糊精加入到45℃的水中制成飽和溶液，按1gβ－環糊精加入0.1mL肉桂醛的比例添加肉桂醛，恒溫攪拌1h；包合完成后，降溫析出固體粉末得到包合物，用乙醚洗脫包合物直至洗脫溶液中檢測不到肉桂醛為止，置于烘箱50℃干燥2h得到肉桂醛／β－環糊精包合物；

保持環境溫度為20～22℃，相對濕度為40%～50%；將肉桂醛／β－環糊精包合物添加到一定濃度的PLA紡絲溶液中，40℃恒溫水浴加熱攪拌5h；待溶液降溫到室溫，轉入注射器中（用7號針頭作為紡絲噴頭），以鋁箔（15cm×15cm）作為接收器，調節接收距離和紡絲電壓制備PLA／肉桂醛復合納米纖維膜；

PLA纖維膜的制備過程除不加肉桂醛／β－環糊精包合物外，其余過程與PLA／肉桂醛復合納米纖維膜制備條件相同。

1.4 性能測試與結構表征

根據文獻［5］報道的方法，配制肉桂醛／β－環糊精包合物無水乙醇溶液測定肉桂醛含量，按照式（1）計算得到包合率89.25%；

式中 R——包合率，%

Mc——包合物中肉桂醛的含量

Mb——包合前肉桂醛添加量

使用SEM進行纖維形貌的觀察，采用Nano Measurer 1.2軟件對纖維的直徑進行測量，統計直徑分布，比較不同樣品纖維形貌的差異，取樣品100根；

使用FTIR，利用KBr壓片法制樣，設置掃描范圍500～2500cm－1，測定真空干燥后纖維膜樣品的FTIR吸收光譜；

采用TG測定纖維膜的熱穩定性，稱取樣品10mg，氮氣氣氛，以10℃／min速度升溫，測定溫度范圍為30～900℃，分析復合纖維膜的分解溫度；

在25℃，65%濕度條件下測定纖維膜的拉伸性能，將纖維膜樣品平衡24h后裁剪成50mm×5mm樣條，選擇5個點測量其厚度并計算其平均厚度，通過拉力試驗測試纖維膜的拉伸強度及斷裂伸長率，每個樣品夾持長度為10mm，拉伸速率為5mm／min，5次測定取其平均值；

抑菌性測定：使用LB培養基，培養基在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌，將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌利用恒溫恒濕震蕩培養箱進行活化，于37℃培養1d時間，將裁剪好的樣品（直徑12mm圓片）膜覆蓋在涂有大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的培養皿上，進行抑菌圈實驗，每組平行5次試驗，培養皿置于37℃恒溫培養箱培養18h后取出觀察抑菌圈大小。

圖1 丙酮和DMF不同體積比例納米纖維膜的SEM照片Fig.1 SEM for nanofiber membranes with different volume ratio of acetone and DMF

2 結果與討論

2.1 混合溶劑體積比例對纖維形貌的影響

靜電紡絲纖維直徑和形貌受許多因素的影響，其中溶劑是主要影響因素之一。本研究使用丙酮和DMF混合溶液作為PLA的紡絲溶劑，當PLA質量分數為10%，紡絲電壓12kV，接收距離13cm，丙酮和DMF混合溶劑體積比例1∶2時，制備的纖維膜由于DMF含量較多，紡絲過程溶劑揮發較慢，PLA溶液部分凝膠造成纖維中出現了粘連串珠；當混合溶劑體積比例1∶1時，纖維膜纖維連續性及平整性較好，沒有串珠或斷絲現象。而混合溶劑體積比例2∶1時，此時丙酮含量較高，溶劑揮發過快，極易造成針孔尖端阻塞，而使靜電紡過程無法正常連續進行，結果圖1所示。

2.2 紡絲液濃度對纖維形貌及直徑的影響

固定混合溶劑體積比例1：1，在紡絲電壓12kV，接收距離15cm的條件下，不同質量分數PLA紡絲液（6%、8%、10%、12%）制備的 PLA 納米纖維膜SEM照片見圖2。由圖2可知，PLA質量分數為6%時，紡絲溶液濃度較低，黏度值偏低，纖維在電場中不易拉伸且溶劑揮發不完全，導致纖維中有斷裂和串珠現象。隨著溶液濃度的增加，斷裂和串珠逐漸消失，所得纖維直徑隨著溶液濃度的增加呈現逐漸增大的趨勢，PLA質量分數8%、10%、12%時，其纖維平均直徑分別為189、316、401nm。靜電紡絲過程中針頭噴射出來的帶電射流直經為影響纖維細度的重要因素，帶電射流半徑與溶液的濃度成正比［13］。PLA質量分數為8%時，依然存在少許纖維斷裂現象；而PLA質量分數為12%時，溶液濃度過高，黏度過大，纖維不易“分裂”，導致所得到的纖維直徑較大且分布離散度較大，因此，選擇PLA質量分數10%的溶液作為紡絲液。

2.3 操作電壓和接收距離對纖維形貌及直徑的影響

圖3（a）、（b）、（c）分別是固定紡絲電壓12kV，接收距離分別為13、15、17cm時制備PLA纖維膜SEM照片。隨著接收距離的增大，纖維平均直徑逐漸減少，但不顯著，分別為337、316、301nm。靜電紡絲過程中，針頭噴射的帶電射流半徑與紡絲距離成反比［13］，即紡絲距離的增大致使帶電射流半徑減小，從而纖維直徑也隨之減小。接收距離17cm時，PLA纖維膜的纖維直徑相對較小且粗細比較均勻，因此采用17cm作為靜電紡絲的接收距離。

圖3（c）、（d）、（e）是固定接收距離17cm，紡絲電壓分別為12、15、18kV時制備PLA纖維膜SEM照片。隨著紡絲電壓的提升，纖維平均直徑逐漸降低，分別為301、259、235nm。這是因為隨著電壓的增大，電場強度增強，纖維直徑逐漸減小。操作電壓增大到18kV時，PLA纖維膜的纖維直徑最小且分布離散度較小。綜合以上研究，本研究將采用PLA質量分數10%，接收距離17cm，紡絲電壓18kV的紡絲工藝條件制備PLA／肉桂醛復合納米纖維膜，該條件下制備得到的PLA納米纖維膜直徑分布如圖4所示。

圖2 不同PLA濃度納米纖維膜的SEM照片Fig.2 SEM for nanofiber membranes with different PLA concentrations

圖3 PLA納米纖維膜的SEM照片和纖維直徑分布Fig.3 SEM for PLA nanofiber membrane

圖4 PLA納米纖維膜的纖維直徑分布Fig.4 Fiber diameter distribution of PLA nanofiber membrane

2.4 PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的微觀結構

圖5 PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的SEM照片和纖維直徑分布Fig.5 SEM and fiber diameter distribution for PLA／cinnamic aldehyde composite nanofiber membrane

圖5是PLA質量分數10%，接收距離17cm，紡絲電壓18kV時，肉桂醛／β－環糊精包合物添加質量0.8g，即在紡絲液中占質量分數4%時制備的PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的SEM照片及直徑分布圖。相同紡絲條件下，PLA纖維膜的平均直徑為235nm，PLA／肉桂醛復合納米纖維膜平均直徑為175nm，和PLA纖維膜相比，肉桂醛／β－環糊精包合物的加入顯著降低了復合纖維膜的纖維直徑。這是由于肉桂醛／β－環糊精包合物的添加，改變了聚合物紡絲溶液的物理性質［14］（如極性、表面張力、電導率等），致使纖維直徑減少。

2.5 PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的FTIR分析

從圖6中可以看出，PLA纖維膜的FTIR對應的特征吸收峰主要是在755.96cm－1、869.73cm－1的C—H振動吸收峰，1045.23cm－1、1087.66cm－1的C—O吸收峰，1182.15cm－1的C—O—C伸縮振動吸收峰，1213.00cm－1的 C—C，1452.13cm－1的—CH3和1754.90cm－1的C== O振動吸收峰。添加肉桂醛／β－環糊精包合物后，其特征官能基并無明顯的偏移或改變，因此該PLA／肉桂醛復合納米纖維膜肉桂醛與PLA之間屬于物理混合。

圖6 PLA和PLA／肉桂醛納米纖維膜的FTIRFig.6 FTIR spectra of PLA and PLA／cinnamic aldehyde nanofiber membranes

2.6 PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的熱穩定性

圖7為PLA纖維膜與PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的TG譜圖。以TG曲線外推基線與曲線最大斜率處切線的交點溫度作為的初始熱分解溫度，圖中可以看出，PLA／肉桂醛復合納米纖維膜和PLA纖維膜的初始熱分解溫度分別為265.52、298.62℃，顯然PLA／肉桂醛復合納米纖維膜初始熱分解溫度比PLA纖維膜低，這是由于肉桂醛／β－環糊精包合物的熱分解溫度在220～260℃之間［15］，在熱分解過程中，PLA／肉桂醛復合納米纖維膜中的包合物先分解使其復合納米纖維膜熱分解初始溫度降低了。通過對比還可以看出，兩種纖維膜在310～380℃之間都出現了極大的質量損失，這是由于PLA主鏈的分解引起的［16］。

2.7 PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的力學性能

從圖8中可以看出，PLA／肉桂醛復合納米纖維膜的拉伸強度為2.45MPa，斷裂伸長率為19.94%。PLA纖維膜的拉伸強度為4.02MPa，斷裂伸長率為13.23%。相對PLA／肉桂醛復合納米纖維膜，PLA纖維膜的拉伸強度較大，這是由于其纖維直徑較大，纖維之間相互交絡使其拉伸強度大，斷裂伸長率小，而肉桂醛／β－環糊精包合物的添加，使纖維膜的纖維直徑減小，從而導致PLA／肉桂醛復合纖維膜拉伸強度降低。

圖7 PLA和PLA／肉桂醛納米纖維膜的TG譜圖Fig.7 TG of PLA and PLA／cinnamic aldehyde nanofiber membranes

圖8 PLA和PLA／肉桂醛納米纖維膜的拉伸強度曲線Fig.8 Tensile stress-strain curves of PLA and PLA／cinnamic aldehyde nanofiber membranes

2.8 抗菌性能的研究

圖9是PLA纖維膜和PLA／肉桂醛復合納米纖維膜對大腸桿菌［圖9（a）、（d）］、金黃色葡萄球菌［圖9（b）、（e）］和枯草芽孢桿菌［圖9（c）、（f）］的抑菌圈實驗，從圖中可以看出，PLA纖維膜對大腸桿菌［圖9（a）］、金黃色葡萄球菌［圖9（b）］和枯草芽孢桿菌［圖9（c）］的生長無抑制作用。添加了肉桂醛／β－環糊精包合物之后，PLA／肉桂醛復合納米纖維膜對大腸桿菌［圖9（d）］、金黃色葡萄球菌［圖9（e）］和枯草芽孢桿菌［圖9（f）］產生了明顯的抑菌圈，抑菌圈直徑分別為29、31、24mm。這主要是由于從膜中釋放出的肉桂醛通過破壞大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的細胞壁并滲入其細胞內，從而破壞細胞器而起到殺菌作用。由抑菌圈直徑可以看出PLA／肉桂醛復合納米纖維膜對金黃色葡萄球菌的抗菌效果最強，對枯草芽孢桿菌的抑菌性最弱。

圖9 PLA和PLA／肉桂醛納米纖維膜的抑菌性能Fig.9 Antibacterial ability of PLA and PLA／cinnamic aldehyde nanofiber membranes

3 結論

（1）復合纖維膜最佳制備條件為混合溶劑丙酮／DMF體積比為1∶1，PLA質量分數10%，接收距離17cm，紡絲電壓18kV；

（2）肉桂醛與PLA之間屬于物理混合，具有較好的熱穩定性與力學性能；

（3）PLA／肉桂醛復合納米纖維膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌均具有良好抑菌性，其中對金黃色葡萄球菌的抑菌性最強。

［1］Feng C H，Ruan S P，Zhu L H，et al，Preparation and Ethanol Sensing Properties of ZnO Nanofibers［J］.Chemical Research in Chinese Universities，2011，27（5）：720-723.

［2］Lu J，Liu J G，Song X F，et al.Sandwich Structure-like Meshes Fabricated via Electrospinning for Controllable Release of Zoledronic Acid［J］.Chemical Research in Chinese Universities，2011，27（3）：524-527.

［3］彭 慧，陶鑫峰，凌 君.低結晶度聚ε－己內酯電紡膜的制備及其藥物控釋行為［J］.高分子學報，2011，（5）：446-451.Peng Hui，Tao Xinfeng，Ling Jun.Controlled Release of Salicylic Acid From Electrospun Mats of Poly（ε-caprolac-tone）with Low Crystallinity［J］.Chinese Journal of Polymer Science，2011，（5）：446-451.

［4］尉繼征，楊立新，胡秀麗，等.應用光親和分子進行PEG的光照修飾及蛋白質的光照偶聯［J］.高分子學報，2011，（11）：1341-1348.Wei Jizheng，Yang Lixin，Hu Xiuli，et al.PEG Modification and Protein Conjugation by Virtue of Azidobenzoic Acid as A Photoaffinity Molecule［J］.Chinese Journal of Polymer Science，2011，（11）：1341-1348.

［5］錢亮亮，金征宇，鄧 力.密封控溫法制備控釋材料肉桂醛-β－環糊精包合物［J］.食品與發酵工業，2007，33（12）：13-16.Qian Liangliang，Jin Zhengyu，Deng Li.Preperation of Inclusion Complex of Cinnamaldehyde andβ-Cyclodextrin by Sealed Thermal Control Method［J］.Food and Fermentation Industries，2007，33（12）：13-16.

［6］Mari P B，Gracia L C，Ramon C，et al.Antifungal Properties of Gliadin Films Incorporating Cinnamaldehyde and Application in Active Food Packaging of Bread and Cheese Spread Foodstuffs［J］.International Journal of Food Microbiology，2013，166（3）：369-377

［7］Abad A M，Sanchez G，Fuster V，et al.Antibacterial Performance of Solvent Cast Polycaprolactone（PCL）Films Containing Essential Oils［J］.Food Control，2013，34（1）：214-220.

［8］Sadhaha R，Zhu L B，Carl W O，et al.Edible Apple Film Wraps Containing Plant Antimicrobials Inactivate Foodborne Pathogens on Meat and Poultry Products［J］.Journal of Food Science，2009，74（8）：M440-M445.

［9］Sansone L，Aldi A，Musto P，et al.Assessing the Suitability of Polylactic Acid Flexible Films for High Pressure Pasteurization and Sterilization of Packaged Foodstuff［J］.Journal of Food Engineering，2012，111（1）：34-45.

［10］Chih F K，Tsao N，Chou H H，et al.Release of FITCBSA From Poly（L-lactic acid）Microspheres Analysis Using Flow Cytometry［J］.Colloids Surf B，2012，89（1）：271-276.

［11］沈 斌，劉 亮，林水興，等.聚乳酸／蒙脫土納米復合材料的制備及其性能研究［J］.中國塑料，2010，24（9）：17-21.Shen Bin，Liu Liang，Lin Shuixing，et al.Preparation and Properties of Poly（lactic acid）／Montmorillonite Ano-Composites［J］.China Plastics，2010，24（9）：17-21.

［12］鄧長勇，張秀成.聚乳酸／酯化纖維復合材料的制備與表征［J］.中國塑料，2009，23（7）：18-22.Deng Changyong，Zhang Xiucheng.Preparation and Characterization of PLA／Esterified Cellulose Composites［J］.China Plastics，2009，23（7）：18-22.

［13］Fong H，Chun I，Reneker D H.Beaded Nanofibers Formed During Electrospinning［J］.Polymer，1999，40：4585-4592.

［14］Park S W，Bae H S，Xing Z C，et al.Preparation and Properties of Silver-containing Nylon6Nanofibers Formed by Electrospinning［J］.Journal of Applied Polymer Science，2009，112（4）：2320-2326.

［15］李光水，夏文水.β－環糊精與肉桂醛包合物的制備及熱分解動力學研究［J］.食品科學，2005，26（2）：142-145.Li Guangshui，Xia Wenshui.Kinetics of Thermal Decomposition of the Inclusion Complex of Cinnamaldehyde andβ-cyclodextrin［J］.Food Science，2005，26（2）：142-145.

［16］閏明濤，胡曉敏，高俊剛.聚乳酸／羧基化聚丙烯共混物的形態與熱性能研究［J］.高分子學報，2007，（12）：1121-1127.Run Mingtao，Hu Xiaomin，Gao Jungang.Morphology and Thermal Properties of The Poly（lactic acid）／Carboxylated Polypropylene Blends［J］.Chinese Journal of Polymer Science，2007，（12）：1121-1127.