甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物光敏抗菌型納米纖維膜的制備及其性能表征

張 權， 李 深， 王清清， 魏取福

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物光敏抗菌型納米纖維膜的制備及其性能表征

張 權， 李 深， 王清清， 魏取福

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

針對全球范圍內細菌感染疾病加重的問題，研發了一種新型的抗菌材料。采用乳液聚合法合成一系列單體比例不同的甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物(P(MMA-co-MAA))，通過靜電紡絲技術制備納米纖維膜，并利用表面的羧酸基團吸附陽離子光敏藥物制備出一種光敏抗菌型靜電紡納米纖維。借助掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀分別對P(MAA-co-MAA)納米纖維膜的形貌及熱性能進行分析并探討其抗菌行為。結果表明：纖維直徑隨聚合物相對分子質量的增大而增加，隨著相對分子質量的多分散系數增大，纖維直徑均勻性呈下降趨勢；隨著甲基丙烯酸單體的增多，納米纖維膜的玻璃化轉變溫度、對光敏劑的吸附量、抗菌效果都有所提高。所制備的光敏抗菌納米纖維膜對S.aureus和E.coli抗菌效果可達到99%。

甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物； 單體比例； 乳液聚合； 靜電紡絲； 光動力抗菌

近年來，由于全球范圍內抗生素的濫用，導致耐藥性菌株增加，人們對于一些感染病例束手無策，迫切需要開發新的抗菌方法來解決這個問題。光動力抗菌化學療法(PACT)[1]作為最具前景的新療法之一，有望替代抗生素用于感染方面的治療。PACT基于光動力療法(PDT),通過光敏劑優先與細菌結合，在可見光的照射下產生有毒的活性氧物質來滅活微生物。活性氧物質并沒有特異性的靶目標，因此PACT在滅菌的過程中不易使微生物產生耐藥性[2]。

常見的光敏劑有吩噻嗪類、酞菁類、卟啉類光敏劑等。亞甲基藍(MB)作為一種吩噻嗪類光敏劑，低毒，價廉易得，具有良好的光化學和光物理性能，自身所帶的正電荷使得它對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有良好的抗菌效果[3]。將光敏劑MB固定化為其持續和可重復利用提供了條件。目前，光敏劑MB在硅酮聚合物[4-6]、硅橡膠[7-8]、聚苯乙烯薄膜[9]、醋酸纖維素[10-11]方面的固定化已被廣泛研究，但是對MB在靜電紡納米纖維表面固定化,并用于光動力抗菌方面的研究并不多。相比于其他的材料，靜電紡纖維直徑較細，比表面積較大，吸附性好，具有良好的可加工性。使用其作為基體材料可以通過多種方式實現光敏劑的固定化，并且在一定程度上可以提高抗菌效率[12-13]。

本文研究利用乳液聚合法制備不同單體比例的甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸(P(MMA-co-MAA))共聚物，通過靜電紡絲技術得到其納米纖維膜，并利用其表面羧基基團的靜電吸附作用固定光敏劑MB，分析了單體比例對所制備光敏抗菌納米纖維材料自身性能及MB固定量的影響，最后探討了所制備的光敏抗菌材料對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌效果。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

甲基丙烯酸甲酯(MMA)，分析純；甲基丙烯酸(MAA)，分析純；氫氧化鈉，分析純；三氯甲烷，分析純；過硫酸鉀，分析純，均購自中國醫藥集團上海化學試劑公司。十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS)，分析純；胰蛋白胨、大豆蛋白胨、亞甲基藍(MB)；吐溫80，分析純；氯化鉀，分析純；碘化鉀，分析純；磷酸氫二鈉，分析純；磷酸二氫鉀，分析純；N,N-二甲基甲酰氨(DMF)，色譜純，以上均購自國藥集團化學試劑有限公司。大腸桿菌(E.coli)(8099)；金黃色葡萄球菌(S.aureus) (AT CC6538)均購自上海協久生物科技有限公司。

靜電紡絲裝置(實驗室自制)； waters THF高效液相色譜儀(美國沃特世科技有限公司)；85-2A數顯恒溫測速磁力攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)；NICOLET IS10 傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)(中國賽默飛世爾科技有限公司)； Q200差示掃描量熱儀(美國TA公司)；UV-1200紫外/可見光分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)；SU1510掃描電子顯微鏡(SEM)(日本日立株式會社)；XQ500W氙燈(上海藍晟電子有限公司)；SW-CJ-ID單人凈化工作臺(蘇州凈化設備有限公司)；GR60DA高壓滅菌鍋(南京康辰科學儀器有限公司)；HC-2518高速離心機(中科中佳科學儀器有限公司)；BSP-150生化培養箱(上海博訊實業有限公司)。1.2 聚合物P(MMA-co-MAA)制備

將一定量的單體MMA和MAA(質量分數為20%)，乳化劑SDBS(質量分數0.5%)和去離子水加入燒杯中攪拌至完全溶解，制備出單體預乳化物。一定量的K2S2O8(質量分數0.2%)加入去離子水得到引發劑溶液。在500 mL的三口燒瓶中加入部分去離子水，將燒瓶放入油浴鍋中攪拌升溫至80 ℃后，加入1/3單體預乳化物及1/2引發劑溶液，待其均勻分散后，勻速滴加剩余的單體預乳化物及引發劑溶液，在N2的保護環境下反應4 h。待其冷卻后用鹽酸破乳，去離子水洗滌抽濾，真空干燥得到聚合物[14]。保持單體MMA的量不變，按照MMA與MAA單體的量比分別為2∶1、4∶1、6∶1、8∶1分別制備出相應的聚合物。

1.3 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜制備

將DMF與氯仿按質量比為3∶7混合，然后分別加入一定量不同單體比例的聚合物，在磁力攪拌器上攪拌12 h,配置出質量分數為6%的紡絲液。將紡絲液倒入標準容量為20 mL的注射器中,在針頭加上正電勢，用被鋁箔紙覆蓋的滾筒作為接收裝置。紡絲過程中電壓為20 kV，紡絲速度為1 mL/h，收集距離為15 cm，紡絲結束后，卸下錫箔紙，在室溫下存放，待溶劑揮發。

1.4 光敏劑的固定

準確稱取100 mg納米纖維膜，放入錐形瓶中，并向該錐形瓶中加入60 mL亞甲基藍(100 mg/L)溶液。將錐形瓶置于恒溫水浴搖床中(HH-4，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，設置溫度為30 ℃，轉速為100 r/min。每隔24 h記錄該溶液在664 nm處的吸光光度值。當吸光光度值趨于穩定時，將納米纖維膜取出，用去離子水充分清洗后烘干待用。整個過程在避光的條件下進行。

1.5 測試與表征

1.5.1 聚合物相對分子質量及分布

用高效液相色譜儀，以色譜純四氫呋喃(THF)為流動相，聚苯乙烯為標樣，測試試樣的相對分子質量及分布。

1.5.2 形貌觀察

使用掃描電子顯微鏡觀察纖維的表面形貌和結構，將拍攝的掃描電鏡圖片通過Nano Measurer測量軟件對直徑進行分析，在相同面積下選取40根纖維進行測量，計算樣品的平均直徑及標準差。

1.5.3 納米纖維膜的紅外光譜分析

借助傅里葉變換紅外光譜儀，對所需測試的粉末及納米纖維膜樣品進行分析，采用KBr壓片法制樣，分辨率為 4 cm-1，掃描次數為32次。

1.5.4 納米纖維膜的熱力學性能

利用差示掃描量熱儀來分析材料的熱力學性能。測試范圍為20～200 ℃，升溫速率為20 ℃/min，在氮氣保護下進行。

1.5.5 羧基含量的測定

采用Boehm滴定法[15]測定納米纖維膜表面的羧基含量。將NaHCO3溶液與0.1 g納米纖維膜混合振蕩48 h后過濾。在濾液及NaHCO3溶液加入指示劑溴甲酚綠-甲基紅，用標準濃度為0.05 mol/L的HCl溶液滴定至終點。通過HCl溶液用量的差值來得到納米纖維膜中羧基消耗NaHCO3的量，進一步計算出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜表面的羧基含量。

1.5.6 光敏劑MB固定量的測定

圖1示出MB溶液的標準曲線，在光敏劑固定化過程中，利用MB溶液的標準曲線，可以得到光敏劑固定化前后MB溶液的濃度差，然后計算出單位質量P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對MB的固定量。計算公式如下

式中：Q為固定量，mg/g；c0、c1分別為MB溶液初始及最終質量濃度，mg/L；v為MB溶液的體積，L；m為納米纖維膜的質量，g。

圖1 MB溶液的標準曲線Fig.1 Standard curve of MB solution

1.5.7 光動力抗菌性能評價

參考GB/T 20944.2—2007 《紡織品抗菌性能的評價 第2部分：吸收法》對不同單體比例的P(MMA-co-MAA)納米纖維膜抗菌性能進行評價。

將干燥的空白纖維膜和固定MB的纖維膜作為空白對照樣和實驗樣。在各個樣品上剪取若干個形狀厚度均一的圓形試樣，平鋪于24孔板內。取0.1 mL濃度為1×108～3×108CFU/mL的菌液接種在各試樣上。每個樣品均分為2組，分別置于光照(光強為34.4 mw/cm2)及暗室的環境下培養30 min，隨后將原菌液及試樣上的菌液在離心管中依次等梯度稀釋106倍，制作出10倍稀釋系列。分別從稀釋系列的各離心管中取10 uL溶液注入含瓊脂培養基的平皿內，置于37 ℃的恒溫培養箱中培養24 h。最后對其菌落數測定，計算出抑菌率，對抗菌效果進行評價。

2 結果與討論

2.1 P(MMA-co-MAA)聚合物的表征

2.1.1 不同單體比例聚合物相對分子質量及其分布

通過凝膠滲透色譜法(GPC)測定了聚合物的相對分子質量，表1示出了單體的量比依次為2∶1，4∶1，6∶1，8∶1時聚合物的相對分子質量及其分布。由表可知，乳液聚合法所合成的P(MMA-co-MAA)聚合物的數均相對分子質量在1.14×105～2.77×105之間。聚合物的相對分子質量較大，比自由基溶液聚合法制備的聚合物相對分子質量高出一個數量級[16]，有利于靜電紡絲過程中纖維的成形。

2.1.2 P(MMA-co-MAA)聚合物紅外光譜分析

表1 單體比例不同時聚合物的相對分子質量及其分布Tab.1 Relative molecular weight and its distribution of polymer with different monomer ratio

注：Mn為數均相對分子質量；Mw為重均相對分子質量。

2.2 納米纖維膜的制備及表征

2.2.1 納米纖維膜羧基含量

表2示出通過Boehm滴定法對納米纖維膜表面羧基含量的測定結果。從表中可看出，隨著單體MAA用量的增加，納米纖維膜表面的羧基含量逐漸增加。

表2 單體比例不同時納米纖維膜的羧基含量Tab.2 Carboxyl group content of nanofibrous membrane at different monomer ratio

2.2.2 納米纖維膜的形貌結構及直徑分布

圖3示出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的掃描電鏡照片。由圖可看出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的直徑范圍在100～1 000 nm，纖維表面平滑，單根纖維粗細較為均勻。結合表1可得，聚合物的相對分子質量及多分散系數對P(MAA-co-MAA)納米纖維膜的直徑分布及均勻性有顯著的影響。隨著P(MMA-co-MAA)聚合物相對分子質量的增加，纖維的直徑明顯變粗。這是因為相同濃度的紡絲液，聚合物相對分子質量越大，紡絲液黏度越大，導致纖維的直徑增加[18]。而且聚合物相對分子質量多分散系數越大，納米纖維膜對應的標準差越大，纖維直徑均勻性呈下降趨勢。

圖3 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的SEM照片(×1 000)Fig.3 SEM images of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane(×1 000)

2.2.3 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜紅外光譜分析

圖4示出羧基含量不同的P(MMA-co-MAA)納米纖維膜在波數為1 665～1 800 cm-1范圍內的紅外吸光度光譜。從圖中可得，隨著聚合物中MMA量的增加，酰基的特征峰發生了藍移，從1 732 cm-1移動到1 717 cm-1，這是因為聚合物鏈上的MMA和MAA基團的比例發生變化，酯基上的羰基和羧基上的羰基峰型發生了變化，綜合作用導致酰基的特征峰發生變化[19]。

圖4 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的FT-IR圖像Fig.4 FT-IR spectrum of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.4 納米纖維膜的熱力學性能分析

通過差示掃描量熱法對P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的熱性能進行研究，圖5示出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的DSC曲線。從圖中可看出，隨著羧基含量的增加，P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的玻璃化轉變溫度Tg明顯提高，從126.94 ℃提高到161.70 ℃。

圖5 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的DSC曲線Fig.5 DSC graphs of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.5 納米纖維膜對MB的吸附平衡量

圖6示出羧基含量不同的納米纖維膜對MB吸附平衡量的曲線圖。由圖可看出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對MB的吸附在48 h后基本達到平衡。由于羧基與陽離子光敏劑MB通過靜電作用結合，導致羧基含量的增加，納米纖維膜對MB的吸附量增大，最大可達到38.42 mg/g，表現出良好的光敏抗菌性能。

圖6 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對MB的平衡吸附量Fig.6 Adsorption equilibrium capacity of MB by P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.6 抗菌效率

在可見光照射下，羧基含量不同的P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌都有較好的抗菌效果。P(MMA-co-MAA)納米纖維膜本身無抗菌效果，并且光照處理對細菌自身也無影響。固定MB后，納米纖維膜在光照條件下具有良好的抗菌效果，其中MB固定量最多的納米纖維膜(MMA與MAA的物質的量比為2∶1)對2種細菌的抗菌效果最好，金黃色葡萄球菌的殺菌率達到99.99%，大腸桿菌達到99.71%。

革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽性菌自身結構上有一定的差異。作為革蘭氏陽性菌，金黃色葡萄球菌外膜主要由疏松多孔的肽聚糖組成，光敏劑MB及其在可見光的照射下產生的活性氧物質易穿透這層膜進入細菌體內殺死細菌[20]，而革蘭氏陰性菌除了肽聚糖層，其細胞壁外還有一層由脂多糖，脂質雙層和脂蛋白組成的較為致密的外膜。這層外膜是一種通透性屏障，在一定程度上阻止了光敏劑和活性氧物質的侵入，導致大腸桿菌的殺菌率低于金黃色葡萄球菌[21]。

3 結 論

1)通過改變反應單體比例制備出相對分子質量較大的P(MMA-co-MAA)聚合物，利用靜電紡絲技術制備出其納米纖維膜。纖維膜的直徑和均勻度受聚合物相對分子質量及多分散系數的影響，隨著相對分子質量的增加，納米纖維膜的直徑增大，相分子質量分散系數越小，納米纖維膜的直徑越均勻。

2)隨著反應單體中MAA的比例增加，納米纖維膜表面的羧基含量增加，納米纖維膜的玻璃化轉變溫度升高，對陽離子光敏劑MB的最大吸附量增加，光敏抗菌效果增強。

3)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的細胞壁結構不同，導致固定等量光敏劑MB的納米纖維膜對2種細菌的抗菌效果不同，二者的殺菌率均可達到99%，其中金黃色葡萄球菌的抗菌效果優于大腸桿菌。

FZXB

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Preparation and characterization of photodynamic antimicrobial poly(methyl mecthacrylate-co-methacrylic acid) electrospun nanofibrous membrane

ZHANG Quan, LI Shen, WANG Qingqing, WEI Qufu

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Research in new antimicrobial materials is becoming more important to meet the increasing challenge of arising bacterial infections diseases in the world. Poly(methyl mecthacrylate-co-methacrylic acid) (PCMAA-co-MAA)with different monomer ratios synthesized by emulsion polymerization were electrospun into nanofibers, the carboxyl groups of which was used to adsorb cationic photosensitizers to fabricate photodynamic antimicrobial nanofibrous membrane. Scanning electron microscopy and differential scanning calorimetry were utilized to analyze the surface morphology of the P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane as well as its thermal properties. And finally the antimicrobial behavior of the as-prepared material was evaluated. The results indicated that the fiber diameter increased with the increase of relative molecular weight, and the uniformity decreased with the increase of polydispersity index. The glass transition temperature, adsorption capacity of the photosensitizer and antimicrobial effect were improved with the increase of MAA. Furthermore, the photodynamic antimicrobial nanofibrous membrane showed good antimicrobial effect on theS.aureusandE.coli. The sterilization rate can reach 99%.

poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid); monomer ratio; emulsion polymerization; electrostatic spinning; photodynamic antimicrobial

10.13475/j.fzxb.20161000706

2016-10-04

2016-11-15

江蘇省自然科學基金項目(BK20150155)；中央高?？蒲袑ｍ椈痦椖?JUSRP115A04)

張權(1992—)，男，碩士生。研究方向為功能紡織材料。魏取福，通信作者，E-mail:qfwei@jiangnan.edu.cn。

TQ 342，O 614.41

A

獲獎說明：本文榮獲中國紡織工程學會頒發的第17屆陳維稷優秀論文獎