渠 赟，馬 維，劉 穎，任學(xué)宏

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

人類每時每刻都在接觸著無處不在的微生物，如細(xì)菌、霉菌、真菌，它們繁殖迅速，存活能力極強(qiáng)，可以通過空氣流動、直接接觸等方式傳播。微生物腐蝕每年在工業(yè)生產(chǎn)、食品安全以及醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域造成巨大的損失。傳統(tǒng)材料，如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等，難以在自然條件下降解從而導(dǎo)致白色污染。而生物可降解材料在一定的環(huán)境條件下，能被自然界微生物如細(xì)菌、真菌等作用而發(fā)生降解[1]，因此，開發(fā)一種環(huán)境友好的可降解抗菌材料進(jìn)而應(yīng)用于包裝或生物材料領(lǐng)域是十分必要的[2]。

聚羥基丁酸酯(PHB)是聚羥基脂肪酸酯(PHA)中的一種典型代表[3]，其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，較高的結(jié)晶度(5%～80%)導(dǎo)致其硬而脆。PHB熔點(180 ℃)接近分解溫度(190～200 ℃)，導(dǎo)致其加工溫度范圍較窄，限制了應(yīng)用范圍[4]。聚己內(nèi)酯(PCL)結(jié)晶度約為45%，具有優(yōu)異的鏈柔性[5]。將PHB與PCL共混，可得到一種力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料[7-8]。同時，PHB與PCL都擁有優(yōu)異的生物相容性及生物降解性，常應(yīng)用于組織工程及敷料，可有效促進(jìn)與生物組織細(xì)胞的增殖與分化。

無機(jī)抗菌劑有較高的耐熱能力，釋放作用時間長，具有廣譜抗菌性。ZnO是一種半導(dǎo)體材料，在抗菌、催化、食品包裝等方面有廣泛應(yīng)用[9]，但較低濃度的ZnO往往不具備高效的抗菌能力，可通過金屬/非金屬摻雜、半導(dǎo)體耦合以及負(fù)載有機(jī)抗菌劑等方法對ZnO進(jìn)行改性[10-11]。銀(Ag)作為一種被廣泛使用的貴金屬，可負(fù)載于不溶性硅酸鹽、鈣鹽、金屬氧化物以及石墨烯等材料上以改善材料的抗菌性或光催化效果[12]。Ag與ZnO界面建立的肖特基勢壘可使電子轉(zhuǎn)移的效率加快，進(jìn)而促進(jìn)抗菌及光降解性能[13]。Vaiano等[14]通過光沉積法制備了銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88%的Ag-ZnO摻雜材料，具有高效光催化性能，可在紫外光下降解苯酚。Panchal等[15]通過生物介導(dǎo)法合成Ag-ZnO復(fù)合材料，具有良好的抗菌性及優(yōu)異的染料光降解能力。因此，本文擬通過用Ag與ZnO摻雜制備復(fù)合顆粒，提高殺滅細(xì)菌與光催化降解的效率。同時，在成本低廉的ZnO顆粒中摻雜少量Ag，可減少二者用量而不降低使用效果，克服ZnO和Ag這2種材料的局限性而制備出具有高效光催化及抗菌效率的復(fù)合材料，具有一定的現(xiàn)實意義[16]。

目前，將銀摻雜ZnO顆粒應(yīng)用于抗菌高分子膜材料的研究相對較少。將納米顆?；烊腱o電紡絲液是制備復(fù)合纖維膜材料的良好手段，因此為拓寬其應(yīng)用范圍，本文將制備的Ag-ZnO抗菌劑添加入PHB/PCL紡絲液中，采用靜電紡絲技術(shù)制備出具有高效抗菌和光降解性能的可生物降解抗菌聚酯膜，并進(jìn)行一系列表征測試，探究其性能及應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

乙醇(分析純)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚羥基丁酸酯(PHB，相對分子質(zhì)量為3萬)，天津國韻生物材料有限公司；聚己內(nèi)酯(PCL，相對分子質(zhì)量為8萬)，SIGMA-ALDRICH有限公司；三氯甲烷(化學(xué)純)、硝酸銀(分析純)、抗壞血酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、亞甲基藍(lán)、磷酸鹽緩沖溶液(PBS)速溶顆粒，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二水合乙酸鋅(純度為99.99%)，阿拉丁試劑有限公司。

1.2 實驗儀器

UV-2450型紫外分光光度儀，島津(上海)實驗器材有限公司；VGT-2013QTD型超聲波清洗器，GT SONIC有限公司；TM3030型掃描電子顯微鏡，日本株式會社日立高新技術(shù)公司；NICOLET NEXUS IS5型傅里葉紅外變換光譜儀，Thermo電子儀器公司；D8 Advance X型射線衍射儀，德國布魯克AXS公司；CEL-500/350 汞燈光源，北京中教金源科技有限公司；JZB-1800D型雙道注射泵，費森尤斯卡比健源醫(yī)療科技有限公司；Zetasizer Nano-ZS型激光納米粒度Zeta電位儀，英國馬爾文儀器有限公司；HAAKE MARS型旋轉(zhuǎn)流變儀，賽默飛世爾科技有限公司；3385H-電子萬能材料試驗機(jī)，美國Instron Inc公司；FC型酶標(biāo)儀，賽默飛世爾科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 Ag-ZnO顆粒的制備

稱取0.1 g硝酸銀溶解在100 mL無水乙醇中，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙?，加?.1 g抗壞血酸，充分?jǐn)嚢?。稱取1.9 g二水合乙酸鋅，加入硝酸銀溶液中，在電磁攪拌器上室溫攪拌30 min，將反應(yīng)液全部轉(zhuǎn)移至高壓釜中，100 ℃反應(yīng)24 h后取出，離心后用無水乙醇清洗2～3次，再用去離子水清洗1～2次。取出產(chǎn)物，于80 ℃烘箱中干燥12 h，研磨成粉末備用。氧化鋅顆粒的制備方法同上。

1.3.2 Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的制備

分別稱取PHB和PCL(質(zhì)量比為40∶60)于具塞錐形瓶中，加入三氯甲烷，PHB/PCL的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，混合均勻后放入超聲波振蕩機(jī)中，于 35 ℃ 超聲波處理2 h，充分溶解后，放在電磁攪拌器室溫攪拌24 h。用注射器吸取紡絲液，安裝在注射泵上，用鋁箔紙作為承接表面。電壓設(shè)置為20 kV，針頭到滾筒的距離為20 cm，注射速度為1.0 mL/h，滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，收集20 h。按照Ag-ZnO 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的梯度配制紡絲液。稱取相應(yīng)質(zhì)量的Ag-ZnO顆粒，超聲波分散于三氯甲烷之中，再加入PHB/PCL繼續(xù)超聲波分散 2 h，充分溶解后，放在電磁攪拌器室溫攪拌 24 h。ZnO-PHB/PCL膜制備同上。

1.4 測試與表征

1.4.1 樣品表征

使用傅里葉紅外變換光譜儀測試顆粒及纖維膜樣品半反射紅外光譜，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

樣品噴金后，使用掃描電子顯微鏡在15 kV的電壓下觀察Ag-ZnO及Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜形貌。

使用X射線衍射儀表征樣品結(jié)晶狀態(tài)，設(shè)置步長為0.05°，角度范圍為10°～80°。

使用熱重分析儀測試樣品的熱質(zhì)量損失，升溫速率20 ℃/min，溫度設(shè)定范圍為50～800 ℃。

使用激光納米粒度Zeta電位儀表征樣品粒徑分布。將樣品分散在無水乙醇中，超聲10 min使其形成均勻的懸浮液用于測定樣品粒徑。

使用旋轉(zhuǎn)流變儀測試紡絲液的黏度。設(shè)置溫度為25 ℃，圓盤間隙為0.050 mm，取少量紡絲液均勻涂抹在圓盤之間，待其旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后讀取黏度數(shù)值。

1.4.2 強(qiáng)力測試

將含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag-ZnO顆粒的Ag-ZnO-PHB/PCL和純PHB/PCL纖維膜，分別剪取100 mm × 20 mm 大小的待測樣5份，于45 ℃干燥24 h，在恒溫(20 ℃)、恒濕(65%)的條件下，使用電子萬能材料試驗機(jī)測試樣品拉伸性能，夾持距離為5 mm，拉伸速度為50 mm/min。每個樣品測5次，取平均值。

1.4.3 抗菌測試及生物被膜測試

根據(jù)AATCC 100—2004《紡織品材料上耐細(xì)菌整理:評定》中改良實驗方法來檢測樣品的抗菌性能。選用革蘭氏陰性大腸桿菌O157:H7(ATCC 43895)和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)作為測試菌種，對空白對照樣品純PHB/PCL膜，ZnO-PHB/PCL 膜和Ag-ZnO-PHB/PCL膜進(jìn)行抗菌測試，每個試樣大小為2.54 cm × 2.54 cm。首先將2種細(xì)菌懸浮在磷酸鹽緩沖溶液中，配制出測試所需濃度的菌液。取一片纖維膜在中心滴加25 μL菌液，再取另一片纖維膜覆蓋在上面，將無菌砝碼置于上方，確保2個試樣與菌液的充分接觸。接觸時間設(shè)置為10、30、60 min，達(dá)到接觸時間后，用磷酸鹽緩沖溶液將所得上清液進(jìn)行一系列濃度梯度的稀釋，并接種在培養(yǎng)基中。于37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后，記錄細(xì)菌菌落數(shù)，評價其抗菌效果。抑菌率計算方法如下：

式中：R為抑菌率，%；A為實驗組菌落數(shù)量,CFU；B為對照組菌落數(shù)量,CFU。

選取同上大腸桿菌菌種，配制107～108CFU/mL的細(xì)菌懸浮液備用，分別準(zhǔn)備1 cm2的純PHB/PCL膜和Ag-ZnO-PHB/PCL膜樣品，投入裝有10 mL菌液的離心管中。到達(dá)設(shè)置的黏附時間(30、120 min) 后取出樣品，用PBS沖洗3次，放入裝有 5 mL 營養(yǎng)肉湯的搖菌管中，在空氣搖床(37 ℃，12 h) 中振蕩培養(yǎng)。取出樣品，用PBS充分清洗后，將其剪半，一半放入盛有10 mL PBS的離心管中，超聲波振蕩10 min，再渦旋2 min，對其進(jìn)行一系列梯度稀釋后點板。另一半樣品在3%戊二醛溶液中固定(-4 ℃，24 h)。采用體積分?jǐn)?shù)分別為30%、50%、70%、90%的乙醇水溶液對樣品上附著的大腸桿菌進(jìn)行梯度脫水處理，干燥后使用掃描電鏡觀察樣品上生物被膜的生長情況。

1.4.4 光降解測試

采用亞甲基藍(lán)(MB)變色評估方法。將待測樣品純PHB/PCL膜和Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜分別剪成2 cm × 2 cm的方塊在45 ℃條件下干燥24 h備用。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的亞甲基藍(lán)水溶液，將膜樣品置于平坦表面，固定滴定管到試樣表面的距離高度為1 cm，滴下1滴(約為50 μL)MB 溶液，靜置吸收3 min。在CEL-M500汞燈光源下照射，功率為500 W，距離為18 cm。分別在0、5、12 min時拍下試樣上亞甲基藍(lán)顏色變化情況[17]。

1.4.5 體外細(xì)胞毒性測試

基于ISO 10993-5《醫(yī)療器械生物學(xué)評價 第5部分:體外細(xì)胞毒性試驗》實驗方法，即3，3′-(1-(苯氨?；?-3，4-四氮唑)-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉(XTT)細(xì)胞毒性測試方法，通過L-929(ATCC CCL-1) 小鼠成纖維細(xì)胞在樣品提取液的存活率來評價樣品的體外細(xì)胞毒性。將小鼠細(xì)胞傳代培養(yǎng)3～5次，稀釋液接種于96孔板，添加杜氏改良Eagle培養(yǎng)基(DMEM)后將培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移至5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱(37 ℃，24 h)。分別取用空白培養(yǎng)基、100 μL樣品浸取液代替上述培養(yǎng)基。孵育8 h后，向孔中分別添加50 μL XTT/吩嗪硫酸甲酯(PMS)溶液，在37 ℃下避光保存4 h，用酶標(biāo)儀測定 490 mn 下的光密度(OD值)來評價細(xì)胞增殖情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag-ZnO-PHB/PCL的形貌結(jié)構(gòu)

圖1示出Ag-ZnO的電鏡照片和粒徑分布曲線。可以看出，Ag-ZnO呈現(xiàn)顆粒狀。經(jīng)測試，Ag-ZnO的平均粒徑約為785 nm(粒徑的多分散指數(shù)PDI為0.237)。

圖1 Ag-ZnO的電鏡照片及粒徑分布Fig.1 SEM image(a) and size distribution(b) of Ag-ZnO

圖2為Ag-ZnO表面Zn和Ag的能譜分析圖。可以看出，Zn與Ag元素均有高密度分布。

圖2 Ag-ZnO表面的能譜分析圖Fig.2 EDS mapping images of different elements in Ag-ZnO

圖3示出Ag-ZnO顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～4%時Ag-ZnO-PHB/PCL 纖維膜的電鏡照片，可以清晰地看到Ag-ZnO顆粒存在。添加有顆粒的纖維與純 PHB/PCL 纖維相比形態(tài)發(fā)生一定變化。由于粒子的尺寸小，較高的表面活性易導(dǎo)致其吸附團(tuán)聚，隨著Ag-ZnO顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。實驗測得顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～4%紡絲液的黏度分別為724.2、785.4、801.3、818.6、881.7 mPa·s。紡絲液的黏度隨著Ag-ZnO顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。在1%～2%范圍內(nèi)，當(dāng)電壓不變時，黏度越高，則射流在電場中被拉伸受到的阻力越大，因而直徑較大。另外，推測由于Ag是導(dǎo)體，ZnO為半導(dǎo)體，當(dāng)Ag-ZnO顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定量時，紡絲液的介電常數(shù)會大大提高，注射器針頭處液滴將產(chǎn)生更多感應(yīng)電荷，進(jìn)而在靜電場中更加充分地拉伸[18]；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，纖維直徑減??；當(dāng)含量繼續(xù)增加至4%，紡絲液黏度過高，纖維變粗，并且直徑分布變得不均，出現(xiàn)大量細(xì)絲。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag-Zn顆粒Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of Ag-ZnO-PHB/PCL membranes with different content of Ag-ZnO particle

2.2 Ag-ZnO-PHB/PCL的力學(xué)性能

圖4示出純PHB/PCL膜(Ag-ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)和Ag-ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的纖維膜的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率。純PHB/PCL纖維膜強(qiáng)力較差，斷裂伸長率較低，在添加Ag-ZnO顆粒之后，纖維強(qiáng)力與斷裂伸長率整體均有所提高。Ag-ZnO-PHB/PCL 纖維膜的強(qiáng)力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，纖維的強(qiáng)力有較大的改善。原因可能是加入的Ag-ZnO提高了纖維膜的剛性，使得纖維膜經(jīng)受外力拉伸時承受更大的作用力而不致斷裂。

圖4 PHB/PCL與Ag-ZnO-PHB/PCL的斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率Fig.4 Breaking strength and elongation at break of PHB/PCL and Ag-ZnO-PHB/PCL membranes

Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的斷裂伸長率有大幅度提升，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時達(dá)到最大值183%。當(dāng)顆粒的添加量增加到一定程度，由于微粒的團(tuán)聚效應(yīng)導(dǎo)致顆粒尺寸增大，進(jìn)而影響纖維結(jié)晶，受外力作用時，纖維膜中分子鏈的活動受到了限制，導(dǎo)致斷裂伸長率下降。綜合斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率，選擇顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%為最優(yōu)值。

2.3 Ag-ZnO-PHB/PCL的結(jié)構(gòu)組成

圖5示出ZnO和Ag-ZnO、PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的紅外光譜。ZnO的紅外光譜中，490 cm-1處的吸收帶歸因于Zn—O的作用。在890 cm-1處觀察到的低峰可歸因于烯烴組的C—H平面外彎曲作用。1 380 cm-1處的峰歸因于產(chǎn)物表面氫氧化鋅的羥基發(fā)生橋聯(lián)[19]。Ag-ZnO光譜中出現(xiàn)的2 915 cm-1處的吸收峰，則是來源于NO3-中的N—O鍵振動。3 520 cm-1處為O—H鍵的伸縮振動峰。因為常溫大氣條件下，ZnO納米粒子表面易吸收水分子，生成結(jié)合水，難以完全干燥，這些水分子最終往往發(fā)生解離，生成吸附的羥基。相較于ZnO，Ag-ZnO顆粒有較強(qiáng)的O—H的振動峰，表面增加的大量羥基可能在Ag協(xié)同ZnO的過程中起到關(guān)鍵作用[20]。純PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的圖譜表明，在2 920、2 860、1 720、1 170、1 041 cm-1處都有較為明顯的吸收峰，1 170～1 041 cm-1范圍內(nèi)的特征峰由C—O—C鍵引起，1 720 cm-1處的峰為酯鍵中的羰基的伸縮振動引起，2 860 cm-1處由PHB中的甲基—CH3的伸縮振動引起，2 920 cm-1處的特征峰對應(yīng)著飽和亞甲基—CH2—[21]。添加了Ag-ZnO顆粒之后各個基團(tuán)的位置并未發(fā)生較大變化。

圖5 ZnO，Ag-ZnO，PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of ZnO,Ag-ZnO,PHB/PCL and Ag-ZnO-PHB/PCL membranes

為進(jìn)一步描述Ag-ZnO、Ag-ZnO-PHB/PCL等的晶型結(jié)構(gòu)，對樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖6所示?？芍{米ZnO在31.60° 、34.49°、36.0°、47.28°、56.89°、67.81°等位置出現(xiàn)了尖銳的衍射峰，并各自對應(yīng)(100)(002)(101)(102)(110)(103)(112)晶面，說明樣品是纖鋅礦型的ZnO，而且譜圖中未出現(xiàn)其他物質(zhì)的衍射峰，證明制備的ZnO純度較高。Ag-ZnO衍射譜圖發(fā)生明顯變化，在38.02°，44.18°，64.35°位置出現(xiàn)了3處新的衍射峰，分別對應(yīng)Ag的(111)(200)(311)晶面，未出現(xiàn)其他物質(zhì)的衍射峰，說明Ag-ZnO純度較高[22]。而ZnO對應(yīng)的衍射峰位置并沒有發(fā)生偏移，說明Ag的引入并未明顯影響ZnO晶體原有晶型，但是可明顯觀測到ZnO的衍射峰強(qiáng)度較原來減弱，表明Ag會影響ZnO晶體結(jié)構(gòu)的生長。Ag-ZnO-PHB/PCL的圖譜中可觀察到較微弱的Ag-ZnO顆粒的峰，分別在31.5°，34.4°和36.0°的位置上，說明顆?；烊隤HB/PCL且未改變PHB/PCL晶型。

圖6 ZnO，Ag-ZnO，PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的X射線衍射譜圖Fig.6 XRD spectra of ZnO,Ag-ZnO,PHB/PCL and Ag-ZnO-PHB/PCL membranes

2.4 Ag-ZnO-PHB/PCL的熱學(xué)性能

圖7(a)示出PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的TG曲線。PHB/PCL纖維膜曲線中間出現(xiàn)1個熱降解臺階，Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜降解曲線光滑，無明顯階梯出現(xiàn)。第1階段為PHB的降解，其質(zhì)量損失發(fā)生在220～280 ℃之間；第2階段為PCL的降解，其質(zhì)量損失溫度范圍為280～420 ℃，纖維膜中的PHB和PCL均達(dá)到最大分解溫度[23]。PHB/PCL、Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的質(zhì)量保留率分別為1.142%、5.284%；Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜的最終殘留質(zhì)量為碳和Ag-ZnO顆粒。

圖7(b)示出PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的DTG曲線。可看出，PHB/PCL在溫度為257.7、419.2 ℃時出現(xiàn)最大熱分解速率，Ag-ZnO-PHB/PCL的最大熱分解速率出現(xiàn)在283.6、318.1 ℃溫度處。Ag-ZnO顆粒的加入使材料的初始熱降解溫度從209.9 ℃提高到了239.1 ℃，整體熱降解結(jié)束對應(yīng)的溫度從431.0 ℃降低到了351.6 ℃。加入顆粒后，纖維中大分子鏈的排列受到影響。受熱后纖維大分子鏈發(fā)生運動，由于顆粒的限制，分子鏈需要吸收更多的熱量才能克服束縛發(fā)生移動進(jìn)而降解，從而提高了熱穩(wěn)定性。

圖7 PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的TG和DTG曲線Fig.7 TG(a) and DTG(b) curves of PHB/PCL and Ag-ZnO-PHB/PCL membranes

2.5 Ag-ZnO-PHB/PCL的抗菌性能

表1示出PHB/PCL，ZnO-PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的抗菌性能。PHB/PCL本身沒有抗菌能力，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌接觸 60 min 后的抑菌率卻達(dá)到了75.66%和45.44%。由于PHB/PCL纖維膜孔隙率較高，有一定的親水性能，會吸附一定量的菌液，平板計數(shù)法點板時采用的是被測樣品的渦旋溶液，導(dǎo)致對照樣在數(shù)值上表現(xiàn)出一定的抑菌率[24-25]。由表1可得，Ag-ZnO-PHB/PCL對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率在60 min 時分別達(dá)到84.12%和97.99%。而ZnO-PHB/PCL對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌接觸60 min時的抑菌率為78.12%和71.67%，明顯低于Ag-ZnO-PHB/PCL的抗菌效果，可推測Ag的引入增強(qiáng)了抗菌效果。該材料對金黃色葡萄球菌的抑菌率優(yōu)于大腸桿菌，可能原因為大腸桿菌為桿狀結(jié)構(gòu)，而金黃色葡萄球菌為球形結(jié)構(gòu)，更加有利于吸附于纖維膜上并增大與其的接觸面積，從而提高抑菌效率[26]。Ag+、Zn2+的溶出是Ag-ZnO顆粒能夠發(fā)揮抗菌效果的重要機(jī)制之一，一般細(xì)菌在溶液中細(xì)胞壁表面帶有負(fù)電荷，而顆粒釋放出的金屬離子帶正電，易加快吸附細(xì)菌從而與其接觸；金屬離子可抑制細(xì)胞壁上肽聚糖的合成，細(xì)胞膜形態(tài)發(fā)生變化，內(nèi)容物流出進(jìn)而死亡；金屬離子也可與細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子層上帶負(fù)電的磷酸根及一些膜蛋白相結(jié)合，破壞細(xì)胞膜的選擇通過性使其無法發(fā)揮正常功能；Ag和ZnO可誘導(dǎo)細(xì)菌體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧，如過氧化氫和羥基自由基等，會造成細(xì)菌的新陳代謝紊亂，使其DNA損傷并隨之凋亡[27-28]。大腸桿菌(ATCC 43895)為革蘭氏陰性菌，金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)為革蘭氏陽性菌，研究表明，革蘭氏陽性菌對氧化鋅更加敏感[29]，原因為2類細(xì)菌的結(jié)構(gòu)不同，革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁為肽聚糖、磷壁酸與脂磷壁酸，而革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁的組成更加復(fù)雜，肽聚糖較少，但具有脂多糖且表面覆有一層膜，可有效阻止活性氧的滲透，所以對金黃色葡萄球菌的殺滅更高效快速。

表1 PHB/PCL,ZnO-PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL的抗菌性能Tab.1 Antibacterial property of PHB/PCL,ZnO-PHB/PCL and Ag-ZnO-PHB/PCL

以大腸桿菌為例，探究Ag-ZnO-PHB/PCL膜對細(xì)菌生物被膜的抑制作用，結(jié)果如表2所示。經(jīng)30 min初始黏附、24 h培養(yǎng)后，PHB/PCL纖維膜表面的大腸桿菌菌落數(shù)量為3.88×106CFU/cm2，而Ag-ZnO-PHB/PCL膜表面的大腸桿菌菌落數(shù)量為5.60×105CFU/cm2；當(dāng)接觸時間為120 min時，Ag-ZnO-PHB/PCL 膜表面的菌落數(shù)量下降至4.01×104CFU/cm2，表明其對細(xì)菌生物被膜的形成有一定的抑制作用。

表2 大腸桿菌生物被膜作用測試Tab.2 Biofilm test for E. coli bacterial

圖8示出30和120 min時PHB/PCL和Ag-ZnO-PHB/PCL表面細(xì)菌的附著狀態(tài)?？梢钥闯觯働HB/PCL纖維膜表面有大量大腸桿菌菌體聚集并覆蓋，而Ag-ZnO-PHB/PCL膜表面雖仍有少量細(xì)菌黏附，但較為干凈，無明顯的膜狀聚集體。且隨著初始黏附時間的增長，對照樣表面細(xì)菌數(shù)量有明顯增加，而Ag-ZnO-PHB/PCL膜仍無明顯聚集。

圖8 大腸桿菌生物被膜作用的電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM images of bacterial biofilm (E. coli)

2.6 Ag-ZnO-PHB/PCL的光降解性能

采用亞甲基藍(lán)溶液在紫外光下的降解實驗評價該材料的光降解性能，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，自然光下的對照樣顏色幾乎無變化，紫外光照射下的空白膜其褪色程度較小。根據(jù)結(jié)果，Ag-ZnO-PHB/PCL在紫外光下照射8 min后可使亞甲基藍(lán)溶液大部分顏色褪去，12 min時接近完全降解試樣上的亞甲基藍(lán)污漬?？梢?，Ag-ZnO顆?？稍谧贤夤鈼l件下將大分子有機(jī)物降解成無色的小分子產(chǎn)物，表明制備的Ag-ZnO-PHB/PCL具有一定的光降解有機(jī)物大分子的效果。

圖9 亞甲基藍(lán)溶液光降解測試照片F(xiàn)ig.9 Photos of Methylene Blue solution degradation test

2.7 Ag-ZnO-PHB/PCL的體外細(xì)胞毒性

通過L-929小鼠成纖維細(xì)胞在樣品浸出液的存活率來評價樣品的體外細(xì)胞毒性。經(jīng)PHB/PCL纖維膜樣品浸出液處理后，細(xì)胞存活率為(92±5)%；而經(jīng)Ag-ZnO-PHB/PCL樣品浸出液處理后，細(xì)胞存活率為(76±4)%。根據(jù)ISO/EN 10993-5∶2009《醫(yī)療器械生物學(xué)評價 第5部分:體外細(xì)胞毒性試驗》標(biāo)準(zhǔn)顯示，當(dāng)細(xì)胞存活率≥70%時可判定樣品安全無毒，因此，Ag-ZnO-PHB/PCL抗菌膜具有作為生物相容性抗菌材料使用的潛力。

3 結(jié) 論

本文通過靜電紡絲工藝將Ag-ZnO引入聚羥基丁酸酯/聚己內(nèi)酯(PHB/PCL)纖維膜中，成功地制備了Ag-ZnO-PHB/PCL纖維膜，主要得出如下結(jié)論。

1)Ag-ZnO的添加提高了PHB/PCL纖維膜的熱穩(wěn)定性；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，對纖維膜的力學(xué)性能有較佳的改善效果。

2)Ag-ZnO-PHB/PCL在60 min內(nèi)對金黃色葡萄球菌的抑菌率達(dá)到97.99%，并且在針對大腸桿菌的生物膜作用測試中，對細(xì)菌生物膜形成有明顯的抑制作用。

3)Ag-ZnO-PHB/PCL對有機(jī)物大分子具有一定的降解作用，可在短時間內(nèi)將亞甲基藍(lán)溶液降解至無色。體外細(xì)胞毒性實驗結(jié)果表明其具有較好的生物相容性。

4)制備的Ag-ZnO-PHB/PCL具有良好的抗菌及抑制細(xì)菌生物膜的效果、較好的力學(xué)性能、光降解性能以及生物相容性，在包裝和生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛力。

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