抗菌和防細菌黏附整理劑在棉織物改性中的應用

楊 堯， 程 偉， 余圓圓， 王 強， 王 平， 周 曼

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

棉織物廣泛應用于服裝、家紡、抗菌敷料等。由于棉織物具有親水性，容易黏附皮膚新陳代謝的油脂、汗液等分泌物，并且纖維主要組分為纖維素，是微生物生存繁衍的溫床，導致細菌在織物上大量繁殖，從而危害人體健康[1]。

傳統的抗菌紡織品在使用一段時間后，死亡的微生物會在織物表面形成生物膜，阻礙抗菌劑和微生物接觸，導致紡織品抗菌性能逐漸減弱，并且生物膜會為后續細菌的黏附提供新的位點，進一步降低了織物的抗菌效果[2-3]。針對死細菌黏附形成的生物膜會導致抗菌材料性能下降的問題，設計同時具有防細菌黏附和抑菌功能的材料是一種可行的方法[4]。親水性材料表面能夠減少微生物的非特異性吸附，因此，利用親水性物質對材料表面改性是構建防細菌黏附材料的主要方法之一。常用的親水性物質有聚氨基酸、聚乙烯醇、兩性離子聚合物、聚乙二醇及其衍生物等[5]。兩性離子聚合物的聚合單體中同時含有正離子和負離子[6]，如甜菜堿類銨鹽。甜菜堿類兩性離子聚合物能夠與水發生強相互作用，將其修飾于材料表面，能夠在材料表面形成水化層[7-8]，從而阻隔細菌與材料表面接觸，或者在水環境中將材料表面黏附的活/死細菌釋放[9]。Yan等將兩性離子聚合物(PSBMA)與季銨鹽陽離子聚合物(PDMAEMA+)結合，制備了一種內層殺菌、外層防細菌黏附的材料表面。在干態條件下，外層塌陷，內層結合吸附細菌發揮殺菌功能；在濕態條件下，由于兩性離子聚合物的親水性，外層聚合物分子鏈從塌陷狀態切換到伸直狀態，并與水結合形成水化層，釋放表面黏附的活/死細菌，阻礙細菌黏附[10]。

本文研究采用光控葡萄糖氧化酶(GOx)體系引發乙烯基單體自由基共聚合反應。在405 nm紫外光照射下，GOx氧化葡萄糖過程中輔酶因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)轉變成還原態的FADH-，進一步變成還原性更強的激發態(FADH-)*，從而將電子轉移給乙烯基單體引發自由基聚合反應[11]。選用含有乙烯基的3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)分別與含乙烯基陽離子單體甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和含乙烯基兩性離子單體[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA)進行共聚合反應[12]，分別得到聚合單元中含有硅甲氧基的抗菌陽離子聚合物或防細菌黏附的兩性離子聚合物[13]。硅甲氧基在水解后生成硅羥基，可與棉纖維中的羥基交聯，也可發生自交聯，因此制備得到的聚合物能通過共價鍵整理到棉織物上，從而實現織物的抗菌和防細菌黏附改性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：3-(異丁酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA，質量分數≥97%)、[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA，質量分數≥97%)、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA，質量分數≥99%)、葡萄糖氧化酶(GOx，酶活為100 U/mg)、溴乙烷(質量分數≥99%)，購自阿拉丁試劑有限公司；D-無水葡萄糖(AR)、冰醋酸(HAc，AR)、三(羥甲基)氨基甲烷(Tris，AR)，購自國藥集團化學試劑有限公司；SOTY 9/PI，購自賽默飛世爾科技(中國)有限公司；金黃色葡萄球菌(ATCC6538，S.aureus)、大腸桿菌(ATCC25992，E.coli)，購自南京樂診生物技術有限公司。

儀器：Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)，SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立株式會社)，Carl Zeiss LSM880高分辨率激光共聚焦顯微鏡(德國卡爾蔡司股份公司)，榮耀5050紫色LED燈(榮耀燈飾照明有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 防細菌黏附聚合物和抗菌聚合物的合成

向錐形瓶依次加入20 mL Tris-HAc緩沖溶液(0.2 mol/L，pH值為5.5)，0.5 mL葡萄糖溶液(0.016 2 g/mL)，0.75 g TMSPMA，一定量的SBMA或DMAEMA。將上述溶液進行通氮氣脫氣處理20 min，加入0.5 mL GOx溶液(0.003 6 g/mL)，放置于磁力攪拌器上低速攪拌，紫色LED燈光照射，室溫反應8 h。按以上步驟，制備單體投料質量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)分別為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4和m(TMSPMA)：m(SBMA)分別為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4的聚合產物P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)。

1.2.2 防細菌黏附和抗菌聚合物處理棉織物

將制備得到的20 mL聚合產物P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)溶液倒入燒杯，放入1 g棉織物。燒杯置于水浴鍋振蕩(30 ℃，120 r/min)處理1 h。處理結束，將織物平鋪于玻璃表面皿，在60 ℃烘箱烘干，150 ℃焙烘5 min，制備得到P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)單獨整理棉織物。經單體投料質量比m(TMSPMA)：m(SBMA)為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制備的防細菌黏附聚合物處理棉織物樣品分別編號為1#，2#，3#，4#；經單體投料質量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制備的抗菌聚合物處理棉織物樣品分別編號為5#，6#，7#，8#。

將單體投料質量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶3與m(TMSPMA)：m(SBMA)為2∶3制備得到的聚合物，按不同體積比(1∶2、1∶1和2∶1)混合至20 mL，與單獨整理工藝流程相同，制備得到P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物。對P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)體積比為1∶2,1∶1和2∶1處理棉織物分別編號為9#，10#，11#。

P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物需進行季銨化處理，從而獲得抗菌功能。將整理后織物浸泡在含溴乙烷的乙腈溶液(體積分數為20%)中，40 ℃過夜反應；反應結束，使用乙醇和去離子水清洗棉織物，去除各種殘留物，得到季銨化P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物。

1.3 測試方法

1.3.1 化學結構表征

通過衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)對不同整理的棉織物進行結構表征，掃描波數范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數為32，分辨率為4 cm-1。

1.3.2 元素含量與分布測試

通過能量色散X射線能譜儀對不同織物樣品表面的C、N、O、S、Si元素含量及分布進行測定。

1.3.3 形貌觀察

通過導電膠將不同棉織物固定在電鏡臺上，然后進行噴金處理，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品表面形貌進行觀察，掃描電壓為5 kV。

1.3.4 抗菌性能測試

瓊脂平皿擴散法：在超凈臺上準備無菌培養基，向培養皿中倒入約15 mL瓊脂培養基，待其凝凍備用。將不同織物裁成直徑為2.5 cm的圓片，置于超凈臺紫外光照射1 h。按照GB/T 20944.1—2007《紡織品 抗菌性能的評價 第1部分：瓊脂平皿擴散法》制備接種菌懸液，將菌懸液用磷酸鹽緩沖液(PBS，pH值為7.2～7.4)稀釋1 000倍，移取1 mL菌液加入培養基，使用涂布棒刮涂均勻，隨后將不同織物樣品貼合在培養皿上，在37 ℃培養24 h，觀察培養基中織物周圍菌落生長情況并拍照。實驗菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

振蕩法：按照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》對整理前后棉織物的抑菌率進行測定。實驗菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

1.3.5 防活細菌黏附率測試

按照GB/T 20944.3—2008制備接種菌懸液，將菌懸液用PBS溶液稀釋成活菌數為1×107CFU/mL待用。實驗菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。裁剪2 cm×2 cm大小的不同織物，放入裝有20 mL菌液的試管中，在150 r/min，24 ℃條件下振蕩培養24 h。先用滅菌過的PBS溶液沖洗掉織物表面黏附不牢的細菌，接著將織物轉移到裝有10 mL PBS緩沖液的試管中，超聲波處理10 min，將織物表面牢固黏附的細菌洗脫至緩沖液中。采用10倍稀釋法將細菌洗脫液系列稀釋至不同濃度。取1 mL菌液均勻涂布于培養基表面，于37 ℃培養24 h，記錄培養基中菌落數并拍照[2]。防活細菌黏附率計算公式為

Z=(Q0-Q)/Q0×100%

式中：Z為整理織物的防活細菌黏附率，%；Q為整理織物上的黏附活細菌總數；Q0為未改性織物上的黏附活細菌總數。

1.3.6 織物表面活/死細菌數觀察

采用熒光染色法觀察織物表面活/死細菌。按照GB/T 20944.3—2008培養接種菌懸液，將制備的菌懸液加入200 mL滅菌PBS溶液。將2 cm×2 cm大小的不同織物放入上述溶液中，于24 ℃靜置培養24 h。先用滅菌過的PBS溶液將織物表面黏附不牢的細菌沖洗掉，接著將織物轉移到裝有10 mL PBS緩沖液的離心管中超聲波振蕩10 min。織物表面黏附的細菌脫落于溶液中。將載玻片置于無菌玻璃培養皿，取超聲波處理后的菌懸液300 μL于載玻片上均勻鋪展開，在無菌操作臺上風干。將熒光染色劑PI和SOTY 9混合涂覆于載玻片上，錫紙避光著色15 min。蓋上潔凈蓋玻片，然后倒置于激光共聚焦顯微鏡下觀察。

2 結果與討論

2.1 化學結構分析

圖1 未改性棉織物和不同整理棉織物的紅外光譜

2.2 元素含量分析

未改性和不同整理織物表面C、N、O、Si、S元素含量，結果如表1所示。未改性棉織物表面C、N、O、Si、S元素質量分數分別為46.41%，0.36%，51.98%，0.04%，1.21%。未改性棉織物中含有部分天然雜質，另外前處理加工使用的部分化學助劑殘留在織物表面，使得織物表面測得微量N、Si、S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物4#表面N、Si、S質量分數分別提升至2.33%，0.60%，2.82%，這是因為TMSPMA結構中含有Si，SBMA結構中含有N，S。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#表面O質量分數提升至52.47%，較未改性棉織物N增加至0.54%，S降低至0.79%，這是因為DMAEMA分子結構中含有N，并不含有S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物10#較未改性棉織物的Si、S和N質量分數分別提高0.56%、1.64%和2.08%。

表1 不同棉織物表面各元素含量占比

2.3 形貌分析

通過掃描電子顯微鏡觀察未改性棉織物、P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物4#與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#的表面形貌，結果如圖2所示。未改性棉織物表面相對粗糙，具有棉纖維天然溝壑;經過P(TMSPMA-co-SBMA)整理改性織物中棉纖維表面溝壑基本消失，并有1層膜狀物覆蓋；P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理改性織物，表面光滑，且纖維表面溝壑消失。

圖2 不同棉織物的SEM照片(×3 000)

2.4 織物抗菌性能分析

圖3為TMSPMA與SBMA或DMAEMA按不同投料比制備得到的P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物對S.aureus、E.coli的抑菌圈測試圖。可以看出，整理織物均無明顯的抑菌圈出現。這是因為P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)通過分子結構中的硅烷水解產生的硅羥基與棉纖維上的羥基發生交聯反應，使得P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)與棉織物之間牢固結合，抗菌劑不會釋放到周圍環境中，因此不會出現抑菌圈。

注：3#、4#為防細菌黏附整理棉織物；5#，6#，7#，8#為抗菌整理棉織物。

表2示出TMSPMA與SBMA或DMAEMA按不同投料比制備得到的P(TMSPMA-co-DMAEMA)或P(TMSPMA-co-SBMA)單獨整理棉織物對S.aureus和E.coli的抑菌率。經P(TMSPMA-co-SBMA)整理后的織物對S.aureus和E.coli均具有抑菌作用，抑菌率在85%～90%之間。本實驗采用振蕩燒瓶法測試織物抗菌性，織物與菌液接觸一定時間，以溶液中的細菌濃度表征織物的抗菌效果。經P(TMSPMA-co-SBMA)整理的織物表面帶有大量兩性離子基團，當織物在溶液中時，會在織物表面形成水化層，從而阻礙細菌與織物接觸，使細菌無法以織物為營養源而大量繁殖。另外，也有文獻表明聚兩性離子化合物具有一定的抗菌性能[14]。經P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理后的織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有很強的抑菌作用，抑菌率達到99%以上。這是由于P(TMSPMA-co-DMAEMA)中含有大量陽離子基團，具有很強的抑菌作用。

表2 不同改性織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌抑菌率

2.5 織物防活細菌黏附性能

表3示出P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的防活細菌黏附率。該方法表征織物表面黏附的活細菌量。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物具有很強的抑菌作用，織物表面活菌數量很少，所以改性織物的防活細菌黏附率達90%以上，但是該結果無法反映織物表面的死細菌量。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物的防活細菌黏附率隨著單體SBMA投料比的增加而提高，最高能達到97%以上。P(TMSPMA-co-SBMA)的抑菌能力相對較弱，但是其整理棉織物的防活細菌黏附率卻很高。這是因為SBMA化學結構中含有兩性離子基團，在溶液環境下，該基團與水分子結合，在織物表面形成水化層，阻礙溶液中細菌黏附到織物上，并能夠將織物表面已黏附的活/死細菌釋放到溶液中。SBMA用量增加，使聚合物中兩性離子基團數量增加，有利于織物表面水化層的形成，織物防活細菌黏附率提高。

表3 不同棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的防活細菌黏附率

2.6 織物抗菌防細菌黏附性能

由P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)單獨整理織物的防活細菌黏附結果可知，聚合反應時控制m(TMSPMA)：m(SBMA)和m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶3，制備得到的聚合物整理織物具有較高的防活細菌黏附率和抑菌率。采用此投料比制備的P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物，對改性織物的防活細菌黏附率和抑菌率進行測試，結果如表4所示。

表4 不同棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的防活菌黏附率和抑菌率

用P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物的抑菌率基本達到99%。當P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)用量不同時，共同整理后織物的防活細菌黏附率不同。P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)體積比分別為1∶2、1∶1和2∶1時，整理后織物對金黃色葡萄球菌的防活細菌黏附率分別為33.67%，41.70%和81.90%；對大腸桿菌的防活細菌黏附率分別為44.67%，68.18%和81.06%。可以看出，隨著P(TMSPMA-co-SBMA)用量的增加，整理織物的抗活細菌黏附性能提升。

2.7 改性棉織物表面細菌黏附情況

利用激光共聚焦顯微鏡觀察從織物表面洗脫下的活/死細菌，結果如圖4所示。圖中綠色為活細菌，紅色和黃色為死細菌。可以看出，未整理棉織物表面洗脫下大量的活菌，并且死細菌數量很少。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#洗脫菌液中觀察到大量死細菌，這與P(TMSPMA-co-DMAEMA)具有抑菌作用一致。P(TMSPMA-co-SBMA)整理織物4#洗脫下的主要還是活細菌，但與未整理棉織物相比，活細菌的數量明顯減少；與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#相比，死細菌數量減少。結果表明，P(TMSPMA-co-SBMA)整理織物4#具有防活/死細菌黏附性能。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物11#洗脫液中僅觀察到少量死/活細菌，表明織物既具有抑菌性能，又具有很好的防死/活細菌黏附性能。

圖4 不同織物表面金黃色葡萄球菌和大腸桿菌熒光染色圖

3 結 論

本文利用光控葡萄糖氧化酶(Gox)體系合成3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)抗菌共聚物P(TMSPMA-co-DMAEME)與3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA)防細菌黏附聚合物P(TMSPMA-co-SBMA)，并將2種聚合物整理到棉織物上，得到以下主要結論。

1)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率達99%以上；P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物的防活細菌黏附率最高能達到97%以上。

2)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉織物不具有防死細菌黏附功能，與菌液接觸后，織物表面牢固黏附大量死細菌。經P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物既具有優異的抗菌功能，又具有良好的防死/活細菌黏附性能。

3)抗菌防細菌黏附功能棉織物有效阻礙死/活細菌在紡織品表面牢固黏附，提高織物的抗菌性和耐久性，在鞋襪，安全衛生和野外活動等領域具有很好的應用前景。