溶菌酶在等離子體改性PLA纖維上的固定

孫欣悅，薛亞玲，逯向陽，戴圣軒，麻文效

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古自治區 呼和浩特 010800)

隨著環境的日益惡化，人們的生活水平要求也逐漸提高，關于日用保健醫療功能材料的開發正引人注目。PLA是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，由可再生的植物資源(玉米等)所提出的淀粉原料制成，使用后能被自然界中微生物在一定的條件下完全降解，不產生污染環境，是公認的生態友好材料[1-5]。PLA還具有優良的芯吸性與導濕快干性，性能優于常見的合成纖維[6]。廣泛分布于動物、植物和微生物中的溶菌酶(Lysozyme)，能有效地水解細菌細胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺的β- 1,4糖苷鍵，使細菌細胞壁變得松弛衰亡[7]。另外溶菌酶通常帶有大量的正電荷，可與帶負電荷的病毒蛋白直接結合，與DNA、RNA脫輔基蛋白形成復鹽，使病毒失活[8]。進行溶菌酶在PLA纖維布接枝，將賦予PLA纖維一定的抗菌等生物功能。

為增加纖維的接枝點，本實驗首先利用氧氣低溫等離子處理PLA纖維以產生更多的含氧基團，然后在交聯劑架橋下進行溶菌酶的嫁接固定，旨在開發醫用功能PLA纖維制品，進而提高PLA纖維材料的附加值。

1 實驗部分

1.1 材料

材料：PLA無紡布(80 g/m2)。

試劑：溶菌酶(鄭州蒼宇化工)、聚碳化二亞胺UN557、多官能團氮丙啶交聯劑TTMAP、環氧交聯劑EDGE(成都艾科達化學試劑有限公司)、亞甲基藍、乙醇、溴化鉀、丙酮、冰醋酸、NaOH(天津市北聯精細化學品開發有限公司)。三種交聯劑的結構簡式如圖1所示。

圖1 交聯劑結構簡式

1.2 實驗儀器

Omega DT-03型低溫等離子體處理儀，島津傅里葉變換紅外光譜儀 IRAffinity-1，HD101A型電熱鼓風烘箱(南通宏大實驗儀器有限公司)，水浴恒溫振蕩器。

1.3 實驗方法

1.3.1 PLA的預處理

采用丙酮溶液(5%)對PLA無紡布進行表面清洗以去除污漬等的表面雜質。

工藝處方及條件：在超聲清洗器中清洗30 min，之后在恒溫45℃的水浴鍋中浸泡8 h。預處理結束用去離子水充分洗滌，烘干備用。

1.3.2 低溫等離子體改性

將1 g的PLA無紡布放入兩電級為8.5 cm低溫等離子體處理腔中，抽真空到20 Pa，打開減壓閥通入氧氣，設定不同參數的壓強、功率和放電時間進行輝光放電處理。之后將PLA布取出置于空氣中30 min后待接枝。

1.3.3 溶菌酶在PLA纖維上的固定

4塊等離子體處理無紡布用于溶菌酶的接枝。將PLA試樣分別先置于4個100 mL濃度為5 g/L溶菌酶水溶液燒瓶中，其中1個不加任何交聯劑，另3個分別加入0.1 g氮丙啶、聚碳化二亞胺、環氧三種交聯劑；調整EDGE交聯液pH值=9～10；氮丙啶交聯劑與聚碳化二亞胺交聯劑接枝液pH值=4～5。在一定溫度下，磁力攪拌2～6 h后，取出用去離子水充分洗滌，50℃烘干8 min后自然晾干。

1.4 測定

1.4.1 染色性能

PLA纖維在經過氧氣的低溫等離子氣體改性后，PLA纖維表面會主要產生羥基和羧基，用亞甲基藍在pH值=8的條件下常溫著色，測定著色K/S值。

1.4.2 接枝率

根據接枝前后的質量來計算織物的增重率，接枝率按照公式

G=(W-W0)/W0×100%

式中：G為接枝率，W為未整理的PLA纖維的絕對干質量；W0為溶菌酶經交聯劑接枝的絕對干質量。

1.4.3 紅外光譜

本實驗利用傅立葉變換紅外光譜(FTIR-ATR)來進行PLA的表面化學成分分析。全反射棱鏡為ZnSe棱鏡，方向為45°，設置掃描次數100次，掃描范圍400 cm-1到4000 cm-1，實驗數據再經過計算機系統處理并輸出，最后經過origin軟件繪制得到紅外譜線。

1.4.4 固定化酶活力

采用金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)和大腸埃希菌(革蘭氏陰性菌)進行檢測。抗菌性能測試將參照 GB/T 20944.3-2008 標準，選用振蕩燒瓶法對改性PLA纖維樣品進行抗菌性能測試。

評價測試：樣品的抗菌性能通過抑菌率進行評價，可按下列公式計算得出：

XS=(A-B)/A

式中：XS-抑菌率，%；A-被試樣品振蕩前平均菌落數；B-被試樣品振蕩后平均菌落數。

2 結果與討論

2.1 染色性能

表1 亞甲基藍著色PLA纖維的K/S值

PLA纖維經不同氧氣離子體處理后亞甲基藍著色K/S值如表1所示。可以發現，氧氣等離子體處理后，PLA的染色效果得到大幅度的提升，這是等離子體處理在纖維表面引入了新的羧基，進而增加了陽離子性亞甲基藍的著色部位。幾種進氣量、放電時間以及電功率的因素對等離子體處理染色效果的影響中，壓強為35 Pa、處理時間為3 min、處理功率為250 W時PLA纖維的上染率最好。圖2展示了等離子體未處理與最優處理的著色效果。

圖2 氧氣等離子體處理PLA前后亞甲基藍的著色對比

2.2 溶菌酶接枝

溶菌酶是蛋白質，分子中含有大量的氨基與羧基，而PLA是聚乳酸高分子，活性基團是羥基與羧基，要使二者共價鍵結合，交聯劑應為多官能基化合物，其一端能與羧基或氨基反應而另一端可與羥基或羧基反應。纖維改性常用交聯劑有醛類交聯劑、異氰酸酯交聯劑、氮丙啶交聯劑、環氧交聯劑、丙烯酰胺類交聯劑[9]。其中醛類交聯劑一般難與羥基或羧基反應，異氰酸酯交聯劑極易與水反應，丙烯酰胺類交聯劑需要高溫，故氮丙啶交聯劑與環氧交聯劑可應用于本實驗方案。另外聚碳化二亞胺交聯劑被報道是一種常溫皮革交聯劑，與羧基有高的反應性[10]，也很適合在溶菌酶和PLA的羧基間架橋。

2.2.1 反應溫度對接枝率的影響

在適宜反應時間和交聯劑用量條件下，以反應溫度為單一變量進行多組實驗。固定溶菌酶0.2 g、交聯劑0.1 g；時間為4 h，溫度選取常溫、30、40、50、60℃，交聯反應后接枝率變化如表2所示。

表2 反應溫度對接枝率的影響

可以看出當使用EDGE交聯劑時，溶菌酶接枝率隨著溫度的不斷升高而增加，表明交聯劑需在高溫條件下才能完成較好的接枝反應，但過高的溫度可能不適合溶菌酶存活，因此應選60℃左右進行接枝反應。溶菌酶經聚碳化二亞胺和氮丙啶接枝時，30℃以后接枝率基本穩定，略有所提高，這說明二者在低溫下的反應活性已經很好，提高溫度對接枝影響不大。

2.2.2 反應時間對接枝率的影響

根據交聯劑的有效接枝溫度，固定EDGE交聯在60℃時、聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯在30℃，以反應時間為單一變量進行多組實驗。實驗中，0.2 g溶菌酶和0.1 g交聯劑的添加量不變。表3給出了不同時間后的接枝情況。

EDGE用作交聯劑時，8 h后接枝達到平衡，之后稍有下降，可能是一部分物理粘附物被清洗下去的原因。氮丙啶和聚碳化二亞胺作為交聯劑，接枝時間在12 h后達到最佳。另外發現，氮丙啶交聯劑的接枝效果要比聚碳化二亞胺要好一些，這可能是聚碳化二亞胺分子量太大，產生了一定的空間位阻，進而影響溶菌酶的嫁接。

表3 反應時間對溶菌酶接枝率的影響

注：EDGE交聯溫度為60℃，聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯均為30℃。

2.2.3 溶菌酶在PLA纖維的直接固定

為了分析氧氣等離子體處理和交聯劑架橋的有效作用，三種等離子體未處理的PLA纖維在最優處理條件下分別用氮丙啶、環氧基、聚碳化二亞胺交聯劑進行了溶菌酶嫁接。另外，最優氧氣等離子體處理后，無交聯劑添加的條件下，溶菌酶在PLA纖維的固定也做了實驗。表4給出了相應的接枝結果，很明顯，溶菌酶接枝率遠都低于氧氣等離子體處理后加入交聯劑的情況。同時發現，EDGE的交聯最差，可能基于環氧基與羥基或氨基在高溫下開環反應的原因。關于無交聯劑情況下，溶菌酶在PLA纖維的接枝率0.59%應該是酸性條件下，二者以電價鍵的方式發生了嫁接。

表4 等離子體未處理和交聯劑無添加的接枝率

注：無交聯劑嫁接和EDGE交聯嫁接均為60℃、8 h；聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯為30℃、12 h。

2.3 紅外光譜分析

圖3 PLA改性前后及接枝溶菌酶的紅外光譜圖

PLA纖維經氧氣等離子體處理前后及溶菌酶接枝的樣品進行了紅外光譜測試，相應波譜如圖3所示。與未處理PLA樣品相比，等離子體處理后在3400 cm-1和1700 cm-1附近出現了幅度變化較大的-OH與-COOH吸收峰，這是PLA被氧化的結果。溶菌酶接枝后，1540 cm-1產生了新的波峰，可以認為是其氨基酸中大量-NH2的彎曲振動吸收，同時，3400 cm-1的吸收也變寬。這些表明PLA纖維經氧氣低溫等離子體改性使溶菌酶成功固定在其表面。

2.4 抗菌性能測試

溶菌酶固定在PLA上最重要的功效是具備抗菌性能，經等離子體處理與交聯劑輔助接枝率雖然得到很大的提升，但其失活與否是至關重要的。表5顯示了PLA纖維對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抗菌實驗結果。可以看出，未處理PLA纖維的菌落數極多，缺乏抗菌性。溶菌酶在PLA上固定后的菌落數大大降低，抗菌性能有了很好的改善，該實驗材料有望作為醫療衛生保健材料。

表5 溶菌酶在PLA上固定化的抗菌性測試

3 結論

對PLA纖維進行低溫等離子體輻射改性，經氧氣等離子體處理的PLA纖維表面增加了-OH與-COOH，為溶菌酶接枝實驗提供了多位點接枝條件。等離子體處理采用單因素法，改變三種影響參數，經亞甲基藍著色效果選擇出了最優工藝。接枝反應中，環氧交聯劑、環氮交聯劑、聚碳化二亞胺三種交聯劑分別被使用。增重率分析得出，氮丙啶與溶菌酶接枝效果最好，適用于蛋白質類物質的低溫嫁接。紅外光譜證實等離子體對PLA產生氧化基團，另外溶菌酶的氨基峰也出現在接枝PLA纖維表面。溶菌酶固定PLA纖維具有了好的抗菌能力，對金黃葡糖球菌和大腸桿菌的抑菌率均超出80%，這將有助于其更好地運用在保健抗菌領域。改性PLA纖維將滿足人們對于紡織品更高的需求。