可直接還原銀納米粒子的兒茶酚基聚合物膜的制備及抗菌性能研究*

施冬健，張　蕾，劉蓉瑾，胡　娜，陳明清

(1. 江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122;2. 江陰職業技術學院 化學與紡織工程系，江蘇 江陰 214405)

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可直接還原銀納米粒子的兒茶酚基聚合物膜的制備及抗菌性能研究*

施冬健1，張蕾1，劉蓉瑾1，胡娜2，陳明清1

(1. 江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122;2. 江陰職業技術學院 化學與紡織工程系，江蘇 江陰 214405)

摘要：將預先合成的聚合物PVA-DOPA與PVA共混制備聚合物膜PVA/PVA-DOPA；由于含兒茶酚基的3,4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)具有氧化還原活性，可直接利用PVA/PVA-DOPA聚合物還原銀納米粒子并使其負載在PVA/PVA-DOPA膜表面。紫外可見光譜表明，PVA-DOPA與Ag+作用時，發生氧化還原反應，酚羥基被氧化成醌，在415 nm處出現特征吸收峰。通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，可觀察到聚合物膜表面Ag納米粒子的形態；并通過熱失重分析計算出PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的負載量。抗菌性研究測試表明制得的聚合物膜具有良好的抗菌性。因而，PVA/PVA-DOPA聚合物膜可用作抗菌性包裝材料、涂層材料和生物醫用材料等多種功能材料。

關鍵詞：聚乙烯醇；3,4-二羥基苯丙氨酸；銀納米粒子；抗菌性

0引言

聚乙烯醇(PVA)是一種水溶性高分子，具有許多優異的性能，如分子結構規整、生物相容性良好、成纖/成膜性和機械性能優異、高透明性、耐化學性以及熱穩定性等[1-2]。不僅如此，PVA還能形成非常強韌、耐撕裂和耐磨損的膜，且拉伸強度高于普通塑料。這些優良性能使其在建筑業、食品業、醫療等多個領域有廣泛的應用價值。而在食品及生物醫療領域中，為防止細菌的附著和增殖，制備功能PVA抗菌膜是十分必要的[3]。目前，已有研究報道向PVA中加入具有抗菌性的Ag粒子、堿式次氯酸鎂、多肽或銨鹽基團的聚合物[4-6]等，以提高PVA功能膜的抗菌能力。其中，納米尺度的銀具有廣譜、高效、持久的抗菌性，是無毒的和環境友好的抗菌材料，研究發現其對大腸桿菌、白念球菌、金黃色葡萄球菌、肺炎桿菌、枯草桿菌、霉菌等十六種細菌都有抑制和殺滅作用[7-8]。納米銀一般用化學還原法制備，但需在材料中添加硼氫化鈉和檸檬酸鈉等小分子還原劑[9]，而這些還原劑有可能影響膜材料的性質。3,4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)是一種含有兒茶酚基的生物基單體，來源于海洋生物[10]，它具有很強的粘附性，可粘附在無機、金屬、金屬氧化物和過渡金屬衍生物等多種基材的表面，對金屬離子也具有很好的絡合能力。同時，DOPA還具有氧化還原活性，可還原大部分的過渡金屬[11-12]。因此，含有DOPA的聚合物，不僅易于附著于材料表面，而且易于與Ag+絡合，其氧化還原性還可將Ag+還原成納米尺度的Ag，使其具有抗菌性。

本文設計通過酯化反應將DOPA接入PVA的側鏈，將得到聚合物PVA-DOPA與PVA共混制備PVA/PVA-DOPA，并利用DOPA的氧化還原性直接一步還原Ag+，制備負載Ag納米粒子的聚合物膜PVA/PVA-DOPA/Ag0。通過改變聚合物膜中DOPA的含量控制其對Ag+的還原，從而可控制Ag納米粒子的含量。通過UV-Vis、XRD、TGA、SEM和TEM等表征驗證其氧化還原機理，并研究聚合物膜PVA/PVA-DOPA/Ag0的表面形貌和抗菌性。

1實驗

1.1實驗原料

3,4-二羥基苯丙氨酸(DOPA，99%，阿拉丁)，聚乙烯醇(PVA，1799，四川維綸)，硝酸銀(AR，國藥集團)和瓊脂粉(BR，國藥集團)，實驗用水均為去離子水。

1.2實驗方法

1.2.1PVA/PVA-DOPA膜的制備

PVA-DOPA聚合物的制備方法參見前期研究[13]。簡單說明如下，控制PVA和DOPA的摩爾比，將12mmolPVA1799在100 ℃的條件下溶于30mLDMSO中，待溶解后加入NaHSO4·H2O為催化劑；溫度降至80 ℃時，加入不同量的DOPA，N2保護下反應24h，反應結束后待溫度降至室溫時停止通N2，將溶液滴入到丙酮中沉淀，抽濾，用無水乙醇洗滌3次，所得白色固體在50 ℃下干燥24h，備用。制備的PVA-DOPA為PVA-DOPA12、PVA-DOPA8和PVA-DOPA3，其中DOPA的接枝率分別為80%，50%和10%。

將PVA(800mg)加入25mL去離子水中，加熱攪拌至完全溶解，溫度降至室溫后，再加入PVA-DOPA(125mg)，攪拌均勻，待溶解后將混合溶液倒入四氟乙烯板中，溶劑揮發后可制得PVA/PVA-DOPA膜(如圖1(a))。

1.2.2PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的制備

將制得的PVA/PVA-DOPA3、PVA/PVA-DOPA8、PVA/PVA-DOPA12膜分別浸泡在不同濃度的AgNO3溶液中，在25 ℃下靜置24h，即可制得附著了Ag納米粒子的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜(如圖1(b))，DOPA的氧化還原Ag納米粒子的示意圖如圖1(c)所示。

圖1PVA/PVA-DOPA膜,PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的光學照片和PVA-DOPA還原Ag+的示意圖

Fig1OpticalphotosofthePVA/PVA-DOPAfilms,PVA/PVA-DOPA/Ag0filmsandthereductionschematicofsilverionsbyPVA-DOPA

1.2.3PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的結構與性能表征

采用紫外-可見分光光度計測定吸收光譜：將AgNO3和PVA-DOPA分別配制成0.2和0.1mg/mL的水溶液，用紫外-可見分光光度計測定其吸收光譜。將上述配制的兩種溶液混合，靜置一段時間后，用紫外-可見分光光度計測定其吸收光譜。

采用德國布魯克公司型號為D8的X射線衍射儀對聚合物膜PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0的組成進行分析，掃描范圍30～80°，速率4°/min。

采用瑞士梅特勒-托利多型號為1100SF的熱重分析儀在N2氣氛中對PVA、PVA/PVA-DOPA及PVA/PVA-DOPA/Ag0聚合物膜的熱失重率進行測定，并計算PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的負載量，N2流速為20mL/min，溫度范圍為25～800 ℃，升溫速率20 ℃/min。

采用日立S-4800的場發射掃描電子顯微鏡對樣品膜的表面形貌進行觀察，將聚合物膜PVA、PVA/PVA-DOPA及PVA/PVA-DOPA/Ag0貼在帶有導電膠的樣品臺上，噴金后在場發射掃描電子顯微鏡下進行觀察。

采用日立JEM-2100的透射電子顯微鏡下對其結果進行觀察樣品膜的形態特征，將PVA-DOPA和PVA的混合溶液(PVA-DOPA的濃度為2.5mg/mL)與4mg/mL的AgNO3溶液混合，滴在銅網上，干燥后在透射電子顯微鏡下進行觀察。

采用革蘭氏陰性代表細菌大腸桿菌(E.coli)作為實驗菌株進行抗菌性能評價。菌株進行活化、分離、篩選培養，傳代3次后選取對數期的菌株，配制成濃度為1×108～5×108CFU/mL的細菌懸濁液作為接種液，PVA/PVA-DOPA膜和PVA/PVA-DOPA/Ag0膜裁成直徑為1cm的圓片，放在表面涂有大腸桿菌接種液的固體瓊脂培養基上，于37 ℃的培養箱中培養24h，觀察細菌在所制得膜周圍的生長情況，考察PVA/PVA-DOPA/Ag0的抗菌性。

2結果與討論

2.1PVA-DOPA中DOPA的氧化還原性

DOPA具有氧化還原活性，可將金屬離子還原成金屬單質。在此過程中，其自身發生氧化反應變成醌，顏色變深。圖2是AgNO3溶液、PVA-DOPA12溶液、PVA-DOPA12和AgNO3混合溶液所測得的紫外吸收光譜。從圖中可以看出，AgNO3溶液在紫外吸收光譜中無明顯特征吸收峰；PVA-DOPA中未氧化的兒茶酚基的特征吸收峰為λmax=280nm；將PVA-DOPA溶液和AgNO3溶液混合后，靜置一段時間，可觀察到混合溶液的顏色變深，變成棕色。紫外吸收光譜中也可明顯看到415nm處出現了氧化形成的醌特征吸收峰[14]，說明DOPA具有氧化還原性質。但415nm處的峰較寬，推斷是400nm處有納米Ag粒子的表面等離子共振峰，兩峰因重疊而引起的，這也說明了納米銀的存在。

圖2AgNO3，PVA-DOPA12和PVA-DOPA12/AgNO3的紫外吸收光譜

Fig2UV-VisspectraofAgNO3,PVA-DOPA12andPVA-DOPA12/AgNO3

2.2Ag納米粒子的結構分析

圖3是聚合物膜PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0(以PVA/PVA-DOPA12/Ag0為例)的XRD衍射圖。對于PVA/PVA-DOPA復合物(圖3(a))，XRD中觀察不到特征衍射峰。PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的XRD衍射圖(圖3(b))中，38.2，44.6，64.2和77.1°處出現4個峰。通過對比JCPDS標準卡可知這4個峰是由于Ag的(111)、(200)、(220)和(311) 4個晶面的布拉格衍射而形成的[15]。樣品的衍射峰很尖銳，表明銀粒子具有良好的面心立方結構，且晶型很好；根據Scherrer公式計算出納米銀粒子的平均粒徑為 8.87nm。XRD結果表明PVA/PVA-DOPA膜與AgNO3溶液發生了氧化還原作用，Ag+被還原形成了納米粒子。

圖3PVA/PVA-DOPA12和PVA/PVA-DOPA12/Ag0的XRD衍射圖

Fig3XRDpatternsofPVA/PVA-DOPA12andPVA/PVA-DOPA12/Ag0

2.3Ag納米粒子的負載量

為分析Ag納米粒子在不同DOPA含量的聚合物膜上的負載量，用熱失重對PVA、PVA/PVA-DOPA12、PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜進行測試，結果如圖4所示。從圖中可以看出，800 ℃時，PVA和PVA/PVA-DOPA12膜的質量損失分別為95.6%和86.7%。當Ag負載于膜，PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的質量損失分別為82.9%，76.0%和68.8%。由此可以證明，Ag納米粒子成功負載在PVA/PVA-DOPA膜上。通過計算可得PVA/PVA-DOPA3/Ag0、PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜上負載Ag納米粒子的質量分數分別約為4%，11%和18%。說明DOPA接枝率的增加可以增加Ag納米粒子的負載量，同時說明了Ag的還原和負載主要是由于DOPA的氧化還原作用。

圖4PVA、PVA/PVA-DOPA及不同DOPA含量的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的熱失重曲線

Fig4TGAthermogramsofPVA,PVA/PVA-DOPAandPVA/PVA-DOPA/Ag0filmswithvariousDOPAcompositionsunderN2condition

2.4聚合物膜及Ag納米粒子的形態大小

通過SEM可對聚合物膜的表面形貌進行研究，圖5是聚合物膜PVA、PVA/PVA-DOPA12及PVA/PVA-DOPA12/Ag0在不同放大倍率下的掃描電鏡照片。

將PVA/PVA-DOPA12膜浸泡在AgNO3水溶液中，兒茶酚基被氧化成醌，進而由Ag+照片中可明顯看出，PVA膜的表面是平整、光滑的，即使在2萬倍的放大倍率下依然很平滑，PVA-DOPA12的加入使得膜表面變得粗糙，出現褶皺狀的表面形貌。被還原成Ag納米粒子。從圖中可以看出Ag納米粒子為立方結構，均勻地分散在PVA/PVA-DOPA12膜的表面，且計算得到Ag粒子的大小為約12nm，與XRD結果基本符合。改變DOPA的含量，研究結果表明Ag納米粒子結構與大小沒有變化。

進一步用TEM觀察Ag納米粒子的形貌，從照片中可清楚地觀察到(圖6)，PVA/PVA-DOPA12表面負載了Ag納米粒子，說明DOPA通過氧化還原作用將Ag+被還原成Ag納米粒子。通過計算，還原得到的Ag納米粒子的粒徑約為12nm，但少數Ag納米粒子發生了聚集。

2.5聚合物膜的抗菌性

納米銀已被證明具有較好的抗菌性，主要是由帶負電的納米銀穿透細胞壁進入細菌內，與細胞合成酶的巰基反應，破壞細胞合成酶的活性，細菌因此喪失分裂增殖的能力而死亡；納米銀從死亡的菌體游離出來，再發揮作用進行殺菌，如此反復，因此其抗菌效果優良、持久。

圖5PVA、PVA/PVA-DOPA12及PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的掃描電鏡照片

Fig5SEMimagesofPVA,PVA/PVA-DOPA12andPVA/PVA-DOPA12/Ag0films

圖6　PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的透射電鏡照片

為檢測PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的抗菌性，選用大腸桿菌為模型細菌，將PVA/PVA-DOPA和PVA/PVA-DOPA/Ag0兩種膜材料分別置于含有大腸桿菌的培養皿中，在37 ℃的培養箱中培養24h后觀察大腸桿菌的生長情況，結果如圖7所示。從圖中可看到，PVA/PVA-DOPA聚合物周圍長滿了細菌沒有抗菌圈(圖7(a))，說明其不具有抗菌性。同樣條件下，PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的周圍都出現明顯的抑菌圈，其抑菌圈面積的大小即為樣品抗菌能力的大小，以游標卡尺測量抑菌圈的半徑，PVA/PVA-DOPA12/Ag0膜的抗菌圈約為(0.8±0.05)cm(圖7(b))，而PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA3/Ag0膜的抗菌圈分別約為(0.6±0.05)和(0.5±0.1)cm(圖7(c)、(d))，說明負載了Ag納米粒子的PVA/PVA-DOPA/Ag0膜具有顯著的抗菌性，且DOPA含量越高，還原的Ag納米粒子量也越高，致使其抗菌性增強。以上結果證明，DOPA可直接還原Ag離子，且可以通過調節聚合物膜中DOPA的含量，以控制Ag的負載量，從而實現對膜材料抗菌性能的調控。

圖7PVA/PVA-DOPA,PVA/PVA-DOPA12/Ag0,PVA/PVA-DOPA8/Ag0和PVA/PVA-DOPA3/Ag0膜的抗菌性

Fig7Anti-bacterialacitivititiesofPVA/PVA-DOPA,PVA/PVA-DOPA12/Ag0,PVA/PVA-DOPA8/Ag0andPVA/PVA-DOPA3/Ag0films

3結論

用功能性聚合物PVA-DOPA與PVA共混制備聚合物膜，并利用DOPA對金屬離子的還原性，直接一步制備負載Ag納米粒子的抗菌性聚合物膜。紫外-可見光譜表明，PVA-DOPA與Ag+作用時，發生氧化還原反應，酚羥基被氧化成醌，在415nm處出現特征吸收峰。通過X射線衍射證明，PVA/PVA-DOPA/Ag0膜的表面存在Ag，并通過熱失重曲線可計算出PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的含量。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡中，也可明顯觀察到Ag納米粒子的存在。經抗菌性測試，制得的聚合物膜具有較好的抗菌性，且可通過聚合物中DOPA的含量調控Ag納米粒子的負載量及抗菌性。因而，PVA/PVA-DOPA聚合物膜可用作抗菌性包裝材料、涂層材料和生物功能材料用于多個領域。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07017-05

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51173072)；中央高校科技自主資助項目(JUSRP51408B)

作者簡介：施冬健(1979-)，女，江蘇啟東人，副教授、博士，主要研究方向為功能高分子材料。

中圖分類號：O631.3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.004

Preparation of catechol-based polymer film for direct reduction silvernanoparticleanditsantibacterialproperty

SHI Dongjian1, ZHANG Lei1, LIU Rongjin1, HU Na2, CHEN Mingqing1

(1.TheKeyLaboratoryofFoodColloidsandBiotechnology,MinistryofEducation,SchoolofChemicalandMaterialEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.SchoolofChemicalandTextileEngineering,JiangyinPolytechnicCollege,Jiangyin214405,China)

Abstract:PVA/PVA-DOPA polymer film was prepared by blending PVA and pre-synthesized PVA-DOPA. Since 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA), a compound containing catechol groups, has the oxidation-reduction property, Ag nanoparticles could be directly reduced and then loaded on the PVA/PVA-DOPA polymer film. UV-visible spectrum of the PVA-DOPA/Ag+ mixture showed the presence of a new broad absorption at λmax=415 nm, which assigned to the special adsorption peak of the oxidized quinone groups. This result indicated the occurring oxidation-reduction reaction of DOPA. SEM and TEM images of the PVA/PVA-DOPA/Ag0 films showed that the Ag0 nanoparticles were formed on the surface of the PVA/PVA-DOPAfilms.The amount of the silver nanoparticles loaded on the PVA/PVA-DOPA films was calculated by TGA diagram. Antimicrobial assessment showed that the prepared PVA/PVA-DOPA/Ag0 film has a high antibacterial activity.Thus, the PVA/PVA-DOPA polymer film has the potential applications as antibacterial package material, coating material and bio-functional material in many fields.

Key words:poly(vinyl alcohol); 3,4-dihydroxyphenylalanine; silver nanoparticle; antibacterial property

收到初稿日期：2015-07-13 收到修改稿日期：2015-11-18 通訊作者：施冬健，E-mail:djshi@jiangnan.edu.cn, 陳明清