植酸-金屬離子螯合物改性層狀黏土及其在聚己內酯中的增強與抗菌效應研究

毛 龍，劉小超，謝 斌，吳慧青，劉躍軍

(1 廈門理工學院 福建省功能材料及應用重點實驗室，福建 廈門 361024；2 湖南工業大學 先進包裝材料與技術湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412007)

近年來利用聚多巴胺(PDA)、單寧酸(TA)等對LDHs進行表面包覆改性已經有不少研究，并且取得了較好的效果。如Phua等[13]采用DA在LDHs表面自聚得到PDA改性LDHs，并將其應用到聚氨酯中來增強復合材料的力學性能和形狀記憶性能。又如Mao等[14]利用TA的多個鄰位酚羥基結構與金屬離子Fe(Ⅲ)發生絡合反應，從而在LDHs表面通過螯合和沉積作用形成穩定的核殼結構(LDHs@TA-Fe(Ⅲ))，最終提高了納米復合材料的力學和氣體阻隔等性能。研究發現，植酸(PA)，又為肌醇正六磷酸酯，是自然界中普遍存在的天然物質，廣泛存在于豆類、谷類、干果、蔬菜和水果等植物中[15]。相比于PDA和TA來說，PA具有來源廣泛、價格低廉、螯合能力強、光穩定性好等優點。特別指出的是，植酸與乙二胺四乙酸一樣具有較強的螯合能力，并且在很寬的pH值范圍內都具有螯合能力[16]。在生產實踐中，PA被用來作為金屬材料表面涂層達到耐腐蝕的目的，將其應用于納米材料的表面改性工作具有很好的研究意義，可豐富納米材料的表面改性方法。因此，通過簡單的一步法利用金屬離子與PA在水溶液中發生沉積和螯合作用形成穩定的配位化合物，實現對LDHs有效的表面包覆改性，形成核殼結構，為LDHs的表面改性方法提供更多的選擇性，具有簡單、有效和環保等優點，符合材料表面改性方法的發展趨勢。這種利用PA與金屬離子螯合對LDHs表面包覆改性的方法在文獻中鮮有報道[17]，是本研究的創新點。

本研究利用Ag+，Cu2+，Fe3+和Zn2+與PA發生螯合作用并沉積吸附在LDHs表面，制備出不同金屬離子負載的表面包覆改性LDHs(LDHs@PA-M)，研究LDHs@PA-M在不同金屬離子負載下的微觀形貌和抗菌特性。同時，這些表面包覆改性層狀納米黏土用來改性綠色可降解的脂肪族聚酯——聚己內酯(PCL)，提高PCL基材的阻隔性能和力學性能，賦予抗菌等功能性，提高其在綠色活性包裝領域的應用潛力。

1 實驗材料與方法

1.1 主要實驗原料

植酸水溶液，植酸(C6H18O24P6)質量分數為70%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；AgNO3，CuCl2·2H2O，ZnCl2，FeCl3·6H2O，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(C3H7NO)，分析純，西隴科學股份有限公司；MgAl-CO3LDHs，參考文獻[14]方法制備；PCL，6800型，熔融指數為7.3 g/10 min，重均分子量為80000，瑞典Perstorp公司。

1.2 LDHs@PA-M的制備

為了驗證何種金屬離子與PA通過螯合沉積作用能形成穩定和均勻的核殼結構，利用Ag+，Cu2+，Fe3+和Zn2+與PA發生螯合作用沉積吸附在LDHs表面，原理如圖1所示。將0.05 g的MgAl-CO3LDHs加入到100 mL去離子水中，超聲分散30 min，然后加入0.05 g的70% PA水溶液，室溫下磁力攪拌吸附15 min，得到溶有PA的MgAl-CO3LDHs分散液。

圖1 一步法制備LDHs@PA-M

1.2.1 LDHs@PA-Ag+的制備

稱取0.0090 g的AgNO3(0.053 mmol)加入到上述分散液中，70 ℃下反應2 h，反應過程中溶液顏色越來越深，反應結束后將反應液離心，洗滌3次后，冷凍干燥得到灰白色的LDHs@PA-Ag+。

1.2.2 LDHs@PA-Cu2+的制備

稱取0.0090 g的CuCl2·2H2O(0.053 mmol)加入到上述分散液中，常溫下反應2 h，反應結束后將反應液離心，洗滌3次后，冷凍干燥得到淡藍色的LDHs@PA-Cu2+。

1.2.3 LDHs@PA-Zn2+的制備

稱取0.0074 g的ZnCl2(0.053 mmol)加入到上述分散液中，常溫下反應2 h，反應結束后將反應液離心，洗滌3次后，冷凍干燥得到LDHs@PA-Zn2+。

1.2.4 LDHs@PA-Fe3+的制備

稱取0.0143 g的FeCl3·6H2O(0.053 mmol)加入上述到分散液中，常溫下反應2 h，反應結束后將反應液離心，洗滌3次后，冷凍干燥得到LDHs@PA-Fe3+。

1.3 LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的制備

稱取0.014 g的LDHs@PA-M加入到14 mL的N,N-二甲基甲酰胺中，超聲分散15 min，再加入1.4 g PCL，于40 ℃下磁力攪拌45 min后，升溫至80 ℃繼續攪拌30 min，隨后超聲15～20 min去除反應液中的氣泡，最后將反應液倒入水平放置的聚四氟乙烯模具中，置于60 ℃烘箱中烘干12 h，至溶劑揮發完全，即得到LDHs@PA-M/PCL復合薄膜。復合薄膜(分別命名為LDHs@PA-Ag+/PCL，LDHs@PA-Cu2+/PCL)中LDHs@PA-M的質量分數均為1%，并將MgAl-CO3LDHs以相同的質量分數與PCL復合作為對比樣(命名為LDHs/PCL)。

1.4 表征與測試

采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀對樣品進行化學結構的表征，KBr壓片，掃描區間為400～4000 cm-1；采用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品的表面微觀形貌進行了表征，樣品表面噴金；采用場發射透射電子顯微鏡(TEM)對樣品的微觀形貌進行了表征；采用能量色散X射線光譜儀(EDS)對樣品表面元素分布和含量進行了表征；采用萬能力學試驗機對樣品的力學性能進行了表征，測試樣條用裁刀裁切成型，樣品為啞鈴型，總長度為35 mm，標距長度為10 mm，寬度2 mm，厚度由厚度計測量得到，拉伸速率為20 mm/min。

1.5 抗菌性能測試

采用平板菌落計數法測試抗菌性能，抗菌對象為革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E.coli)。用接種環將保存的菌種接種到LB固體培養基中，于37 ℃培養箱中培養24 h；取生長好的菌落接種于LB液體培養基中，在恒溫培養搖床中37 ℃恒溫振蕩培養24 h，再將LB液體培養基稀釋，通過分光光度計調節吸光度至約0.1，即相應細菌濃度為1×108CFU/mL。在LB液體培養基中培養細菌12 h，稀釋細菌懸浮液直到600 nm吸光度值為≈0.1。將150 μL菌液滴至裝有15 mL液體培養基的錐形瓶中，此時菌液濃度為1×105CFU/mL。分別將粉末樣品(取50 mg)和復合薄膜樣品(直徑為10 mm的圓片)浸泡到含有菌液的錐形瓶中，使樣品充分浸潤在菌液中，再將錐形瓶放置于恒溫培養搖床中，37 ℃恒溫振蕩培養，24 h后取適量的稀釋菌液，涂布在培養皿上，置于恒溫培養搖床中繼續培養24 h，用菌落計數器統計培養皿上的菌落數，測試得到的數值單位是CFU/cm2，指每平方厘米樣品中含有的細菌群落總數。通過抗菌率來評估樣品的抗菌活性，抗菌率=[(對照的菌落數-樣品的菌落數)/對照的菌落數]×100%[18]。

2 結果與分析

2.1 LDHs@PA-M的化學結構分析

圖2 MgAl-CO3 LDHs和LDHs@PA-M的傅里葉紅外光譜圖

2.2 LDHs@PA-M的微觀形貌分析

圖3為不同視野下MgAl-CO3LDHs的SEM圖。從圖3中可以看到，合成的MgAl-CO3LDHs呈現出六邊形的層狀結構，這是一種典型的水滑石形貌，其直徑約為1500 nm，厚度約為40 nm，長徑比約為37.5。圖4為不同視野下LDHs@PA-M的SEM圖。從圖4中可以看到，4種LDHs@PA-M均呈現和MgAl-CO3LDHs相似的六邊形層狀結構，然而LDHs@PA-Zn2+和LDHs@PA-Fe3+表面粗糙，這表明LDHs@PA-Zn2+和LDHs@PA-Fe3+沒有實現有效均勻的包覆。因此在復合材料的制備中采用LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+，后面復合材料的討論只涉及LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+制備的復合材料。盡管LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+表面光滑平整，但是僅通過SEM無法判斷LDHs@PA-M的包覆厚度，需要進一步驗證LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+的表面包覆效果，故采用TEM來進行表征。

圖3 MgAl-CO3 LDHs的SEM圖

圖4 不同視野下LDHs@PA-M的SEM圖

將PA-Ag+沉積吸附在MgAl-CO3LDHs上，形成的LDHs@PA-Ag+的TEM照片如圖5所示。從標尺為500 nm，100 nm的圖中可以明顯看到，在MgAl-CO3LDHs表面出現一層約20 nm的包覆物。TEM表明PA-Ag+已經成功對MgAl-CO3LDHs表面包覆改性。從標尺為10 nm的圖中可以看到，在LDHs@PA-Ag+上還存在一定數量納米尺寸的Ag+聚集體，尺寸大約在35 nm。LDHs@PA-Ag+的EDS元素分析結果如圖6所示。從EDS元素分布圖中可以看到六邊形MgAl-CO3LDHs中的金屬元素(Mg和Al)、PA中的P元素、Ag元素，這進一步表明PA-Ag+配位化合物的存在。同時，EDS能譜分析表明LDHs@PA-Ag+中Ag元素的質量分數達到了3.02%。

圖5 LDHs@PA-Ag+的TEM照片

圖6 LDHs@PA-Ag+ EDS面掃描元素分析結果

將PA-Cu2+沉積吸附在MgAl-CO3LDHs上，形成的LDHs@PA-Cu2+的TEM照片如圖7所示。從圖7中可以看到，在MgAl-CO3LDHs表面存在厚度約為12 nm的包覆物，但襯度區別并不是很明顯，需要采用線掃描進一步確認。LDHs@PA-Cu2+的EDS元素分析結果如圖8所示。從面掃描的元素分布圖(圖8(a)，(b))中可以看到，P元素和Cu元素均勻分布在MgAl-CO3LDHs表面，這表明PA-Cu2+在MgAl-CO3LDHs表面上均勻分布。EDS能譜分析表明LDHs@PA-Cu2+中Cu元素的質量分數為1.52%。EDS線掃描結果(圖8(c))表明Mg元素含量在MgAl-CO3LDHs的邊緣處開始顯著降低，而Cu元素含量沒有顯著變化，這更加確認了PA-Cu2+包覆物的存在。

圖7 LDHs@PA-Cu2+的TEM照片

圖8 LDHs@PA-Cu2+ EDS元素分析結果

2.3 LDHs@PA-M和LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的抗菌活性

為了定量評價LDHs@PA-M和LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的抗菌性能，采用菌落計數器統計浸有不同樣品的培養皿中的菌落數，利用抗菌率來評價樣品的抗菌活性，如圖9所示。圖9(a)為LDHs@PA-Cu2+和LDHs@PA-Ag+的抗菌測試結果。從圖9(a)中可以看到，MgAl-CO3LDHs對革蘭氏陰性菌-大腸桿菌(E.coil)表現出一定的抗菌活性，E.coli濃度僅從2.6×1013CFU/cm2降低到1.7×1013CFU/cm2，抗菌率為34.62%；LDHs@PA-Cu2+具有更強的抗菌能力，培養皿中細菌數量進一步降低為5.8×107CFU/cm2，抗菌率超過99.99%；LDHs@PA-Ag+則表現出了極其優異的抗菌性能，從圖中可以看出，培養基中并無菌落存在，抗菌率達到100%。這主要是由于負載在LDHs@PA-M上的Cu2+和Ag+與細菌的細胞膜接觸并破壞其結構，從而使細胞失去了生存和增殖的能力[20-21]。

圖9 LDHs@PA-M(a)和LDHs@PA-M/PCL納米復合材料(b)的抗菌性能測試結果

圖9(b)為LDHs@PA-Cu2+/PCL和LDHs@PA-Ag+/PCL納米復合材料抗菌測試結果。從圖9(b)中可以看到，LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的抗菌性與LDHs@PA-M的抗菌性呈現良好的相關性。LDHs/PCL的抗菌率僅為42.31%；LDHs@PA-Cu2+/PCL復合材料對應的E.coli濃度從空白對比樣的3.4×1012CFU/cm2降低到5.5×105CFU/cm2，抗菌率超過99.99%；LDHs@PA-Ag+/PCL納米復合材料對應的E.coli濃度更是降低至3.4×104CFU/cm2，抗菌率超過99.99%，表現出最為優異的抗菌活性。

2.4 LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的力學性能

圖10為LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的力學性能。從圖10中可以看到，純PCL的拉伸強度和斷裂伸長率分別為31.3 MPa和612%；在MgAl-CO3LDHs加入到純PCL之后，LDHs/PCL納米復合材料的拉伸強度得到一定程度的提高。在利用PA-Ag+包覆層對MgAl-CO3LDHs進行改性之后，LDHs@PA-Ag+/PCL納米復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率達到了38.8 MPa和762%，力學增強效果顯著。在利用PA-Cu2+包覆層對MgAl-CO3LDHs進行改性之后，LDHs@PA-Cu2+/PCL納米復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了30.7%和33.3%，達到了40.9 MPa和816%，力學性能增強效果最為顯著。復合材料的強度與樣品缺陷和裂縫大小及分布密切相關，這些缺陷和裂縫大小及分布的負載程度顯著惡化材料抗斷裂的能力[22]。力學分析結果表明，LDHs@PA-M對PCL基材力學性能改善效果更好，這是由于表面包覆改性能提高MgAl-CO3LDHs與基材PCL的界面相容性，減少界面缺陷[14]。此外，LDHs@PA-Cu2+/PCL納米復合材料表現出更好的力學性能，結合前面的LDHs@PA-M微觀形貌分析，原因可能是LDHs@PA-Cu2+的包覆表面更加均勻，而LDHs@PA-Ag+表面還是存在一定的不均勻性。因此，合適添加量的LDHs@PA-M能夠在PCL基材中起到較好的增強與增韌作用。

圖10 LDHs@PA-M/PCL納米復合材料的力學性能

為了解釋力學性能變化的原因，對LDHs/PCL，LDHs@PA-Ag+/PCL和LDHs@PA-Cu2+/PCL納米復合材料的斷面進行微觀形貌分析，如圖11所示。在MgAl-CO3LDHs加入到PCL之后，MgAl-CO3LDHs與PCL基材之間出現較為明顯的界面缺陷(箭頭所指的區域，圖11(a))；而LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+表現出更好的界面相容性，沒有出現明顯的界面缺陷，在塑性破壞的過程中能夠更好地抵抗外力產生的形變。結合LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+的微觀形貌，LDHs@PA-Cu2+/PCL比LDHs@PA-Ag+/PCL表現出更好的力學性能原因可能是由于LDHs@PA-Ag+表面存在一定尺寸Ag+聚集體，對LDHs@PA-Ag+與PCL基材的界面結合力和相容性有一定的負面作用。

圖11 LDHs/PCL(a)，LDHs@PA-Ag+/PCL(b)和LDHs@PA-Cu2+/PCL(c)的斷面掃描電鏡圖

3 結論

(1)Ag+和Cu2+與PA能夠在MgAl-CO3LDHs表面形成穩定、均勻的納米包覆層，而Fe3+和Zn2+未能與PA在LDHs表面形成穩定、均勻的包覆層。

(2)利用金屬Ag+和Cu2+優異的抗菌活性，LDHs@PA-Cu2+對大腸桿菌(E.coli)的抗菌率超過99.99%，LDHs@PA-Ag+的抗菌率更是達到了100%，而MgAl-CO3LDHs的抗菌性僅為34.62%。

(3)相比于純的PCL，制備的LDHs@PA-Cu2+/PCL納米復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了30.7%和33.3%，達到了40.9 MPa和816%，力學性能增強效果最為顯著；LDHs@PA-Ag+/PCL納米復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率也分別達到了38.8 MPa和762%，力學性能增強效果次之。

(4)LDHs@PA-Cu2+/PCL和LDHs@PA-Ag+/PCL納米復合材料對E.coli的抗菌率均超過99.99%，表現出優異的抗菌活性，拓展了層狀黏土/生物基高分子復合材料在活性包裝領域的應用。