甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物光敏抗菌型纳米纤维膜的制备及其性能表征

张 权， 李 深， 王清清， 魏取福

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物光敏抗菌型纳米纤维膜的制备及其性能表征

张 权， 李 深， 王清清， 魏取福

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

针对全球范围内细菌感染疾病加重的问题，研发了一种新型的抗菌材料。采用乳液聚合法合成一系列单体比例不同的甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物(P(MMA-co-MAA))，通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜，并利用表面的羧酸基团吸附阳离子光敏药物制备出一种光敏抗菌型静电纺纳米纤维。借助扫描电子显微镜、差示扫描量热仪分别对P(MAA-co-MAA)纳米纤维膜的形貌及热性能进行分析并探讨其抗菌行为。结果表明：纤维直径随聚合物相对分子质量的增大而增加，随着相对分子质量的多分散系数增大，纤维直径均匀性呈下降趋势；随着甲基丙烯酸单体的增多，纳米纤维膜的玻璃化转变温度、对光敏剂的吸附量、抗菌效果都有所提高。所制备的光敏抗菌纳米纤维膜对S.aureus和E.coli抗菌效果可达到99%。

甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸共聚物； 单体比例； 乳液聚合； 静电纺丝； 光动力抗菌

近年来，由于全球范围内抗生素的滥用，导致耐药性菌株增加，人们对于一些感染病例束手无策，迫切需要开发新的抗菌方法来解决这个问题。光动力抗菌化学疗法(PACT)[1]作为最具前景的新疗法之一，有望替代抗生素用于感染方面的治疗。PACT基于光动力疗法(PDT),通过光敏剂优先与细菌结合，在可见光的照射下产生有毒的活性氧物质来灭活微生物。活性氧物质并没有特异性的靶目标，因此PACT在灭菌的过程中不易使微生物产生耐药性[2]。

常见的光敏剂有吩噻嗪类、酞菁类、卟啉类光敏剂等。亚甲基蓝(MB)作为一种吩噻嗪类光敏剂，低毒，价廉易得，具有良好的光化学和光物理性能，自身所带的正电荷使得它对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有良好的抗菌效果[3]。将光敏剂MB固定化为其持续和可重复利用提供了条件。目前，光敏剂MB在硅酮聚合物[4-6]、硅橡胶[7-8]、聚苯乙烯薄膜[9]、醋酸纤维素[10-11]方面的固定化已被广泛研究，但是对MB在静电纺纳米纤维表面固定化,并用于光动力抗菌方面的研究并不多。相比于其他的材料，静电纺纤维直径较细，比表面积较大，吸附性好，具有良好的可加工性。使用其作为基体材料可以通过多种方式实现光敏剂的固定化，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备不同单体比例的甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸(P(MMA-co-MAA))共聚物，通过静电纺丝技术得到其纳米纤维膜，并利用其表面羧基基团的静电吸附作用固定光敏剂MB，分析了单体比例对所制备光敏抗菌纳米纤维材料自身性能及MB固定量的影响，最后探讨了所制备的光敏抗菌材料对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌效果。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

甲基丙烯酸甲酯(MMA)，分析纯；甲基丙烯酸(MAA)，分析纯；氢氧化钠，分析纯；三氯甲烷，分析纯；过硫酸钾，分析纯，均购自中国医药集团上海化学试剂公司。十二烷基苯磺酸钠 (SDBS)，分析纯；胰蛋白胨、大豆蛋白胨、亚甲基蓝(MB)；吐温80，分析纯；氯化钾，分析纯；碘化钾，分析纯；磷酸氢二钠，分析纯；磷酸二氢钾，分析纯；N,N-二甲基甲酰氨(DMF)，色谱纯，以上均购自国药集团化学试剂有限公司。大肠杆菌(E.coli)(8099)；金黄色葡萄球菌(S.aureus) (AT CC6538)均购自上海协久生物科技有限公司。

静电纺丝装置(实验室自制)； waters THF高效液相色谱仪(美国沃特世科技有限公司)；85-2A数显恒温测速磁力搅拌器(金坛市荣华仪器制造有限公司)；NICOLET IS10 傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)(中国赛默飞世尔科技有限公司)； Q200差示扫描量热仪(美国TA公司)；UV-1200紫外/可见光分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)；SU1510扫描电子显微镜(SEM)(日本日立株式会社)；XQ500W氙灯(上海蓝晟电子有限公司)；SW-CJ-ID单人净化工作台(苏州净化设备有限公司)；GR60DA高压灭菌锅(南京康辰科学仪器有限公司)；HC-2518高速离心机(中科中佳科学仪器有限公司)；BSP-150生化培养箱(上海博讯实业有限公司)。1.2 聚合物P(MMA-co-MAA)制备

将一定量的单体MMA和MAA(质量分数为20%)，乳化剂SDBS(质量分数0.5%)和去离子水加入烧杯中搅拌至完全溶解，制备出单体预乳化物。一定量的K2S2O8(质量分数0.2%)加入去离子水得到引发剂溶液。在500 mL的三口烧瓶中加入部分去离子水，将烧瓶放入油浴锅中搅拌升温至80 ℃后，加入1/3单体预乳化物及1/2引发剂溶液，待其均匀分散后，匀速滴加剩余的单体预乳化物及引发剂溶液，在N2的保护环境下反应4 h。待其冷却后用盐酸破乳，去离子水洗涤抽滤，真空干燥得到聚合物[14]。保持单体MMA的量不变，按照MMA与MAA单体的量比分别为2∶1、4∶1、6∶1、8∶1分别制备出相应的聚合物。

1.3 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜制备

将DMF与氯仿按质量比为3∶7混合，然后分别加入一定量不同单体比例的聚合物，在磁力搅拌器上搅拌12 h,配置出质量分数为6%的纺丝液。将纺丝液倒入标准容量为20 mL的注射器中,在针头加上正电势，用被铝箔纸覆盖的滚筒作为接收装置。纺丝过程中电压为20 kV，纺丝速度为1 mL/h，收集距离为15 cm，纺丝结束后，卸下锡箔纸，在室温下存放，待溶剂挥发。

1.4 光敏剂的固定

准确称取100 mg纳米纤维膜，放入锥形瓶中，并向该锥形瓶中加入60 mL亚甲基蓝(100 mg/L)溶液。将锥形瓶置于恒温水浴摇床中(HH-4，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)，设置温度为30 ℃，转速为100 r/min。每隔24 h记录该溶液在664 nm处的吸光光度值。当吸光光度值趋于稳定时，将纳米纤维膜取出，用去离子水充分清洗后烘干待用。整个过程在避光的条件下进行。

1.5 测试与表征

1.5.1 聚合物相对分子质量及分布

用高效液相色谱仪，以色谱纯四氢呋喃(THF)为流动相，聚苯乙烯为标样，测试试样的相对分子质量及分布。

1.5.2 形貌观察

使用扫描电子显微镜观察纤维的表面形貌和结构，将拍摄的扫描电镜图片通过Nano Measurer测量软件对直径进行分析，在相同面积下选取40根纤维进行测量，计算样品的平均直径及标准差。

1.5.3 纳米纤维膜的红外光谱分析

借助傅里叶变换红外光谱仪，对所需测试的粉末及纳米纤维膜样品进行分析，采用KBr压片法制样，分辨率为 4 cm-1，扫描次数为32次。

1.5.4 纳米纤维膜的热力学性能

利用差示扫描量热仪来分析材料的热力学性能。测试范围为20～200 ℃，升温速率为20 ℃/min，在氮气保护下进行。

1.5.5 羧基含量的测定

采用Boehm滴定法[15]测定纳米纤维膜表面的羧基含量。将NaHCO3溶液与0.1 g纳米纤维膜混合振荡48 h后过滤。在滤液及NaHCO3溶液加入指示剂溴甲酚绿-甲基红，用标准浓度为0.05 mol/L的HCl溶液滴定至终点。通过HCl溶液用量的差值来得到纳米纤维膜中羧基消耗NaHCO3的量，进一步计算出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜表面的羧基含量。

1.5.6 光敏剂MB固定量的测定

图1示出MB溶液的标准曲线，在光敏剂固定化过程中，利用MB溶液的标准曲线，可以得到光敏剂固定化前后MB溶液的浓度差，然后计算出单位质量P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对MB的固定量。计算公式如下

式中：Q为固定量，mg/g；c0、c1分别为MB溶液初始及最终质量浓度，mg/L；v为MB溶液的体积，L；m为纳米纤维膜的质量，g。

图1 MB溶液的标准曲线Fig.1 Standard curve of MB solution

1.5.7 光动力抗菌性能评价

参考GB/T 20944.2—2007 《纺织品抗菌性能的评价 第2部分：吸收法》对不同单体比例的P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜抗菌性能进行评价。

将干燥的空白纤维膜和固定MB的纤维膜作为空白对照样和实验样。在各个样品上剪取若干个形状厚度均一的圆形试样，平铺于24孔板内。取0.1 mL浓度为1×108～3×108CFU/mL的菌液接种在各试样上。每个样品均分为2组，分别置于光照(光强为34.4 mw/cm2)及暗室的环境下培养30 min，随后将原菌液及试样上的菌液在离心管中依次等梯度稀释106倍，制作出10倍稀释系列。分别从稀释系列的各离心管中取10 uL溶液注入含琼脂培养基的平皿内，置于37 ℃的恒温培养箱中培养24 h。最后对其菌落数测定，计算出抑菌率，对抗菌效果进行评价。

2 结果与讨论

2.1 P(MMA-co-MAA)聚合物的表征

2.1.1 不同单体比例聚合物相对分子质量及其分布

通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定了聚合物的相对分子质量，表1示出了单体的量比依次为2∶1，4∶1，6∶1，8∶1时聚合物的相对分子质量及其分布。由表可知，乳液聚合法所合成的P(MMA-co-MAA)聚合物的数均相对分子质量在1.14×105～2.77×105之间。聚合物的相对分子质量较大，比自由基溶液聚合法制备的聚合物相对分子质量高出一个数量级[16]，有利于静电纺丝过程中纤维的成形。

2.1.2 P(MMA-co-MAA)聚合物红外光谱分析

表1 单体比例不同时聚合物的相对分子质量及其分布Tab.1 Relative molecular weight and its distribution of polymer with different monomer ratio

注：Mn为数均相对分子质量；Mw为重均相对分子质量。

2.2 纳米纤维膜的制备及表征

2.2.1 纳米纤维膜羧基含量

表2示出通过Boehm滴定法对纳米纤维膜表面羧基含量的测定结果。从表中可看出，随着单体MAA用量的增加，纳米纤维膜表面的羧基含量逐渐增加。

表2 单体比例不同时纳米纤维膜的羧基含量Tab.2 Carboxyl group content of nanofibrous membrane at different monomer ratio

2.2.2 纳米纤维膜的形貌结构及直径分布

图3示出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的扫描电镜照片。由图可看出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的直径范围在100～1 000 nm，纤维表面平滑，单根纤维粗细较为均匀。结合表1可得，聚合物的相对分子质量及多分散系数对P(MAA-co-MAA)纳米纤维膜的直径分布及均匀性有显著的影响。随着P(MMA-co-MAA)聚合物相对分子质量的增加，纤维的直径明显变粗。这是因为相同浓度的纺丝液，聚合物相对分子质量越大，纺丝液黏度越大，导致纤维的直径增加[18]。而且聚合物相对分子质量多分散系数越大，纳米纤维膜对应的标准差越大，纤维直径均匀性呈下降趋势。

图3 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的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)纳米纤维膜红外光谱分析

图4示出羧基含量不同的P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜在波数为1 665～1 800 cm-1范围内的红外吸光度光谱。从图中可得，随着聚合物中MMA量的增加，酰基的特征峰发生了蓝移，从1 732 cm-1移动到1 717 cm-1，这是因为聚合物链上的MMA和MAA基团的比例发生变化，酯基上的羰基和羧基上的羰基峰型发生了变化，综合作用导致酰基的特征峰发生变化[19]。

图4 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的FT-IR图像Fig.4 FT-IR spectrum of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.4 纳米纤维膜的热力学性能分析

通过差示扫描量热法对P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的热性能进行研究，图5示出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的DSC曲线。从图中可看出，随着羧基含量的增加，P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的玻璃化转变温度Tg明显提高，从126.94 ℃提高到161.70 ℃。

图5 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的DSC曲线Fig.5 DSC graphs of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.5 纳米纤维膜对MB的吸附平衡量

图6示出羧基含量不同的纳米纤维膜对MB吸附平衡量的曲线图。由图可看出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对MB的吸附在48 h后基本达到平衡。由于羧基与阳离子光敏剂MB通过静电作用结合，导致羧基含量的增加，纳米纤维膜对MB的吸附量增大，最大可达到38.42 mg/g，表现出良好的光敏抗菌性能。

图6 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对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

在可见光照射下，羧基含量不同的P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌都有较好的抗菌效果。P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜本身无抗菌效果，并且光照处理对细菌自身也无影响。固定MB后，纳米纤维膜在光照条件下具有良好的抗菌效果，其中MB固定量最多的纳米纤维膜(MMA与MAA的物质的量比为2∶1)对2种细菌的抗菌效果最好，金黄色葡萄球菌的杀菌率达到99.99%，大肠杆菌达到99.71%。

革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌自身结构上有一定的差异。作为革兰氏阳性菌，金黄色葡萄球菌外膜主要由疏松多孔的肽聚糖组成，光敏剂MB及其在可见光的照射下产生的活性氧物质易穿透这层膜进入细菌体内杀死细菌[20]，而革兰氏阴性菌除了肽聚糖层，其细胞壁外还有一层由脂多糖，脂质双层和脂蛋白组成的较为致密的外膜。这层外膜是一种通透性屏障，在一定程度上阻止了光敏剂和活性氧物质的侵入，导致大肠杆菌的杀菌率低于金黄色葡萄球菌[21]。

3 结 论

1)通过改变反应单体比例制备出相对分子质量较大的P(MMA-co-MAA)聚合物，利用静电纺丝技术制备出其纳米纤维膜。纤维膜的直径和均匀度受聚合物相对分子质量及多分散系数的影响，随着相对分子质量的增加，纳米纤维膜的直径增大，相分子质量分散系数越小，纳米纤维膜的直径越均匀。

2)随着反应单体中MAA的比例增加，纳米纤维膜表面的羧基含量增加，纳米纤维膜的玻璃化转变温度升高，对阳离子光敏剂MB的最大吸附量增加，光敏抗菌效果增强。

3)革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构不同，导致固定等量光敏剂MB的纳米纤维膜对2种细菌的抗菌效果不同，二者的杀菌率均可达到99%，其中金黄色葡萄球菌的抗菌效果优于大肠杆菌。

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

江苏省自然科学基金项目(BK20150155)；中央高校科研专项基金项目(JUSRP115A04)

张权(1992—)，男，硕士生。研究方向为功能纺织材料。魏取福，通信作者，E-mail:qfwei@jiangnan.edu.cn。

TQ 342，O 614.41

A

获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第17届陈维稷优秀论文奖