紫外辐照一步法构建醋酸纤维素抗菌膜分析研究 高分子材料学专业

目录TOC\o"1-4"\h\u第一章绪论 31.1前言 31.2研究目标以及内容 5第二章醋酸纤维素抗菌膜的构建及表征 72.1实验部分 72.1.1实验原料与试剂 72.1.2实验仪器 72.1.3实验方法 82.1.3.1二苯甲酮类离子液的合成 82.1.3.2醋酸纤维素纤维膜的制备 92.1.3.3离子液功能化纤维膜的制备 92.1.3.4离子液功能化纤维膜的抗菌性能测定 102.1.4表征方法 102.2结果与讨论 102.2.1二苯甲酮类离子液合成 102.2.2改性前醋酸纤维素膜的观测结果与分析 112.2.3改性后醋酸纤维素膜的表征结果与分析 122.2.4改性后醋酸纤维素膜的抗菌表征结果 142.3小结 15第三章结论 17参考文献 18致谢 20紫外辐照一步法构建醋酸纤维素抗菌膜摘要静电纺丝是一种用于快速制备一维纳米材料的方法，具有快速、方便的特点，所制备的纤维直径可从几十个纳米到几微米，具有较高的孔隙率及比表面积，可携带大量的释放性药物。若在纳米纤维的表面接枝上抗菌剂进行修饰，便可制得具有抗菌功能的纤维膜，在生物医用材料领域有着广泛的应用。本文对抗菌的静电纺丝膜进行研究，以期获得高抗菌效率的静电纺丝膜。本课题首先通过控制静电纺丝过程中的纺丝液浓度、电压值、接收距离、进给速率、纺丝液用量和滚筒转速等参量制得表面平整、直径均一的醋酸纤维素（CA）纳米纤维膜，用扫描电子显微镜（SEM）对其形貌进行观察。再通过化学合成制得一种二苯甲酮类离子液体，运用核磁共振波谱表征其化学结构。随后通过紫外光照将二苯甲酮类离子液接枝到CA膜的表面获得改性CA膜，通过傅里叶红外光谱仪及X射线光电子能谱对其进行表征。最后再进行抗菌测试，表征改性CA膜的抗菌性能。关键词：静电纺丝 醋酸纤维素纳米膜 抗菌AbstractElectrostaticspinningisafastandconvenientmethodfortherapidpreparationofone-dimensionalnanomaterials.Thediameterofthefiberisfromnanometerstomicrometers.Thefiberhashighporosityandspecificsurfacearea,andcancarrydrugstorelease.Iftheantibacterialagentsaremodifiedonthenano-fibersurfaces,itcanbemadeoffibermembranewithantibacterialfunction,whichiswidelyusedinthefieldofbiomedicalmaterials.Inthispaper,antibacterialspinningfilmsarestudiedinordertoobtainthehighantibacterialefficiencyofelectrospinningfilm.Inthisstudy,firstly,smoothsurfaceanduniformdiameterofcelluloseacetate（CA）nanofibermembraneswereproducedbycontrollingelectrospinningsolutionconcentration,voltage,receivingdistance,feedrate,volumeofdopeandrollerspeed.Itsmorphologywasobservedbyscanningelectronmicroscopy（SEM）.Sceondly,adiphenylketoneionicliquidwassynthesizedandcharacterizedbynuclearmagneticresonancespectra（NMR）.ThenthemodifiedCAfilmswereobtainedbygraftingthediphenylketoneionicliquidontothesurfaceoftheCAmembrane.Theionicliquid-modifiedCAfilmswerecharacterizedbyFourierinfraredspectraandX-rayphotoelectronspectroscopy.Finally,antibacterialtestwasperformedtodemonstratetheantimicrobialpropertiesofthemodifiedCAmembrane.Keywords:electrospinning；celluloseacetatenanomembranes；antibacteria；绪论1.1前言细菌、真菌和病毒等病原微生物能引发机体组织发生病变，严重威胁着人类健康。尤其是医用生物材料在介（植）入体内后，在其表面滋生细菌是引发人体感染的最主要原因，严重者甚至会危及生命安全。研究表明，细菌在生物医用材料表面粘附是引起感染的第一步，细菌先要粘附于物质表面，然后通过信号分子进行相互间的信息交流，引来同类细菌聚集，从而形成完整的生物膜结构[[]PavithraD,DobleM.Biofilmformation,bacterialadhesionandhostresponseonpolymericimplants--issuesandprevention[J].BiomedicalMaterials,2008,3(3):034003.]。生物膜一旦形成，膜内细菌抵抗抗生素等杀菌药物以及防止机体免疫系统清除的能力将大大加强，从而就会引起细菌持续性感染[[]HardingJL,ReynoldsMM.Combatingmedicaldevicefouling[J].TrendsinBiotechnology,2014,32(3):140-6.[]PavithraD,DobleM.Biofilmformation,bacterialadhesionandhostresponseonpolymericimplants--issuesandprevention[J].BiomedicalMaterials,2008,3(3):034003.[]HardingJL,ReynoldsMM.Combatingmedicaldevicefouling[J].TrendsinBiotechnology,2014,32(3):140-6.目前迅速发展的在材料表面引入抗菌剂是一种构建抗菌表面非常有效的方法，主要可分为两类：第一类是利用物理方法，例如，旋涂、沉积等在表面修饰上如抗菌肽、抗生素、银离子和季铵盐类的化合物等抗菌剂[[]ShiH,LiuH,LuanS,etal.Antibacterialandbiocompatiblepropertiesofpolyurethanenanofibercompositeswithintegratedantifoulingandbactericidalcomponents[J].CompositesScience&Technology,2016,127:28-35.]；第二类是通过化学共价键的键合在表面修饰上抗菌剂，包括表面聚合接枝法、本体添加法、层层自组装法等[[]Joseph,SchlenoffB.Zwitteration:CoatingSurfaceswithZwitterionicFunctionalitytoReduceNonspecificAdsorption[J].Langmuir,2014,30(32):9625-36.]。物理方法虽然操作简单，但抗菌涂层热稳定性以及化学稳定性较差，抗菌涂层的使用寿命较短[[[]ShiH,LiuH,LuanS,etal.Antibacterialandbiocompatiblepropertiesofpolyurethanenanofibercompositeswithintegratedantifoulingandbactericidalcomponents[J].CompositesScience&Technology,2016,127:28-35.[]Joseph,SchlenoffB.Zwitteration:CoatingSurfaceswithZwitterionicFunctionalitytoReduceNonspecificAdsorption[J].Langmuir,2014,30(32):9625-36.[]DesmetT,MorentR,GeyterND,etal.NonthermalPlasmaTechnologyasaVersatileStrategyforPolymericBiomaterialsSurfaceModification:AReview[J].Biomacromolecules,2009,10(9):2351-78.[]BarbeyR,LavanantL,ParipovicD,etal.Polymerbrushesviasurface-initiatedcontrolledradicalpolymerization:synthesis,characterization,properties,andapplications.[J].ChemicalReviews,2009,109(11):5437.纤维素是自然界中广泛存在的一种天然高聚物，醋酸纤维素又称乙酸纤维素，它是将纤维素用醋酐处理后得到的，具有良好的热稳定性、生物相容性和亲水性，是一种绿色环保的可再生材料。而静电纺丝是一种制备多孔膜的简单通用的方法[[]JessicaD.Schiffman,CarolineL.Schauer.AReview:ElectrospinningofBiopolymerNanofibersandtheirApplications[J].PolymerReviews,2008,48(2):317-352.]，通过静电纺丝法制备的醋酸纤维素膜具有高的比表面积和孔隙率、可控的纤维直径、良好的亲水性、生物相容性等特点，目前已广泛应用于生物医用材料、亲水材料、分离材料等方面[[]KonwarhR,KarakN,MisraM.Electrospuncelluloseacetatenanofibers:thepresentstatusandgamutofbiotechnologicalapplications[J].BiotechnologyAdvances,2013,31(4):421-437.[]JessicaD.Schiffman,CarolineL.Schauer.AReview:ElectrospinningofBiopolymerNanofibersandtheirApplications[J].PolymerReviews,2008,48(2):317-352.[]KonwarhR,KarakN,MisraM.Electrospuncelluloseacetatenanofibers:thepresentstatusandgamutofbiotechnologicalapplications[J].BiotechnologyAdvances,2013,31(4):421-437.[]ZhangL,MenkhausTJ,HaoF.Fabricationandbioseparationstudiesofadsorptivemembranes/feltsmadefromelectrospuncelluloseacetatenanofibers[J].JournalofMembraneScience,2008,319(1–2):176-184.[]SonWK,YoukJH,ParkWH.Antimicrobialcelluloseacetatenanofiberscontainingsilvernanoparticles[J].CarbohydratePolymers,2006,65(4):430-434.静电纺丝（electrospinning）技术简称静电纺丝或者电纺丝，是从电喷技术（electrospraying）发展演化而来的一种技术。其概念最早可追溯到1882年Rayleig[[]DaltonAB,CollinsS,MuñozE,etal.Super-toughcarbon-nanotubefibres[J].Nature,2003,423(6941):703.]雾滴静电化研究。1934年，Formalas发明用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，这是首次利用高压静电来制备纤维装置的详细描述，被公认为是静电纺丝技术制备微纳米纤维的开端[[]MoonSC,FarrisRJ.Strongelectrospunnanometer-diameterpolyacrylonitrilecarbonfiberyarns[J].Carbon,2009,47(12):2829-2839.]。90年代，美国阿克隆大学大学Reneker实验室对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究[[]DaltonAB,CollinsS,MuñozE,etal.Super-toughcarbon-nanotubefibres[J].Nature,2003,423(6941):703.[]MoonSC,FarrisRJ.Strongelectrospunnanometer-diameterpolyacrylonitrilecarbonfiberyarns[J].Carbon,2009,47(12):2829-2839.[]KhilMS,BhattaraiSR,KimHY,etal.Novelfabricatedmatrixviaelectrospinningfortissueengineering.[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartBAppliedBiomaterials,2005,72B(1):-.[]LeonasK,LiuH.AntimicrobialPropertiesandReleaseProfileofAmpicillinfromElectrospunpolycaprolactoneNanofiberYarns[J].JournalofEngineeredFibers&Fabrics,2010,11(7):1024-1031.静电纺丝主要由高压电源、纺丝喷头和接收装置等三个部分构成。如图1（a）、（b）所示，实验过程中，将聚合物纺丝溶液装入纺丝容器内，在高压静电场的作用下，纺丝液从喷头中挤出形成锥体（泰勒锥），当电压超过某一界限时会形成射流；由于强电场的拉伸作用以及射流内部电荷的排斥作用，射流会发生不稳定弯曲，在空中急速震荡和鞭动，从而拉伸细化（有时还会发生劈裂细化），最终形成纳米纤维并以无纺布的形式沉积在收集装置上[[]WangH,ZhengG,LiW,etal.Direct-writingorganicthree-dimensionalnanofibrousstructure[J].AppliedPhysicsA,2011,102(2):457-461.[]WangH,ZhengG,LiW,etal.Direct-writingorganicthree-dimensionalnanofibrousstructure[J].AppliedPhysicsA,2011,102(2):457-461.而影响纳米纤维膜性质的因素有很多，几个较为重要的因素如下：喷丝头与收集板之间的距离d：射流的飞行距离随着d的增大而增大，纤维可以得到合适的拉伸，不同的拉伸程度可以获得不同直径，故可以通过控制d值的大小，从而控制纤维的直径，以获得目标纤维膜。[]何素文.静电纺丝纳米纤维形态影响因素的分析与验证[D].东华大学,2011.[]何素文.静电纺丝纳米纤维形态影响因素的分析与验证[D].东华大学,2011.大影响[[]BolandE,WnekG,SimpsonD,etal.TAILORINGTISSUEENGINEERINGSCAFFOLDSUSINGELECTROSTATICPROCESSINGTECHNIQUES:ASTUDYOFPOLY(GLYCOLICACID)ELECTROSPINNING[J].JournalofMacromolecularScience:PartA-Chemistry,2001,38(12):1231-1243.][[]DeitzelJM,KleinmeyerJ,HarrisD,etal.Theeffectofprocessingvariablesonthemorphologyofelectrospunnanofibersandtextiles[J].Polymer,2001,42(1):261-272.]，而这三个参数的改变将会直接或简洁的影响到喷射孔径的大小、溶[]BolandE,WnekG,SimpsonD,etal.TAILORINGTISSUEENGINEERINGSCAFFOLDSUSINGELECTROSTATICPROCESSINGTECHNIQUES:ASTUDYOFPOLY(GLYCOLICACID)ELECTROSPINNING[J].JournalofMacromolecularScience:PartA-Chemistry,2001,38(12):1231-1243.[]DeitzelJM,KleinmeyerJ,HarrisD,etal.Theeffectofprocessingvariablesonthemorphologyofelectrospunnanofibersandtextiles[J].Polymer,2001,42(1):261-272.[]RossSE.Electrospinning:Thequestfornanofibers[J].InternationalFiberJournal,2001,16(5):50-53.1.2研究目标以及内容基于上述分析，我们提出利用静电纺丝并结合紫外辐照方法，将离子液抗菌化合物[11]一步法共价接枝在醋酸纤维素膜表面，克服目前现有技术中抗菌表面制备繁琐、制备周期较长的不足。我们希望通过该研究工作，获得具有高效抗菌性能的醋酸纤维素膜材料，为方便、快捷解决生物材料表面细菌污染这一难题提供一种新的途径和方法。利用紫外光辐照一步法，将离子液和醋酸纤维素膜通过共价键有机键合在一起，为设计制备高效的抗菌材料提供实验基础。本课题特色基于抗菌医用生物材料角度出发，利用静电纺丝并结合紫外辐照方法，将天然高聚物醋酸纤维素和离子液通过共价键有机键合在一起，构建具有高效抗菌性能的膜材料，为方便、快捷解决生物材料表面细菌污染这一难题提供一种新的途径和方法。具体如下：（1）利用二苯甲酮类离子液一步法接枝在纤维膜表面作为抗菌材料，制备方法简单宜行，可克服现有技术中抗菌表面制备繁琐的不足。（2）醋酸纤维素纤维膜具有高的比表面积和孔隙率的特点，可高密度接枝抗菌化合物，为高效抗菌材料的制备研究提供了一条新途径。（3）醋酸纤维素膜表面和离子液化合物的共价键结合，所得抗菌涂层稳定性高，可克服现有物理方法中涂层化学稳定性较差、抗菌涂层的使用寿命较短的缺陷。醋酸纤维素抗菌膜的构建及表征2.1实验部分2.1.1实验原料与试剂本章所使用的原料与试剂如表2-1所示。常用溶剂均按标准方法纯化处理后使用。实验用水均经过Millipore系统纯化处理。2.1.2实验仪器2.1.3实验方法2.1.3.1二苯甲酮类离子液的合成取6-溴-1己醇（2.5g，14mmol）与甲基咪唑（1.1g，14mmol），在45°C氮气保护下反应过夜，得到淡黄色粘稠状液体，即为二苯甲酮离子液单体中间体。将4-苯甲酰苯甲酸（2.0g，8.8mmol）加入30mL二氯甲烷，并加入10μL无水DMF，在冰浴条件下逐滴加入用10mL二氯甲烷溶解的草酰氯（1.2g，9.7mmol），滴加完毕后移至室温反应过夜。旋干溶剂，得到黄色的粗产物，即为4-苯甲酰苯甲酰氯。取羟基咪唑离子液（2.0g，7.3mmol）用20mL三氯甲烷进行溶解，并加入2mL三乙胺（1.5g，14.6mmol）。随后在冰浴条件下逐滴加入用10mL二氯甲烷溶解的4-苯甲酰苯甲酰氯（2.1g，8.8mmol）。滴加完毕后移至室温反应过夜。随后二氯甲烷稀释，用饱和食盐水洗，无水硫酸镁干燥，过滤，旋干溶剂。最后用二氯甲烷/乙醚进行沉淀，得到黄色粘稠状液体，即为产物二苯甲酮类离子液。2.1.3.2醋酸纤维素纤维膜的制备将醋酸纤维素溶解于DMF-丙酮混合溶剂中作为纺丝液，进行静电纺丝，通过高速旋转器收集纤维，得到醋酸纤维素纤维膜。纺丝过程中需要控制纺丝机的湿度在40%以下。纺制好的CA膜用剪刀从滚筒上取下，再用打孔机将整块的CA膜制成直径为0.6cm小圆片备用。在进行纺丝时各项参数得出结果如下：纺丝液浓度电纺电压大小接收距离进给速率纺丝液用量滚筒转速丙酮:DMF=3:2CAwt%=30%负压：0V正压：15-17KV16-18cm0.02ml/min35ml（大）15ml（小）能接收到溶液即可2.1.3.3离子液功能化纤维膜的制备将合成的二苯甲酮类离子液配制成一定浓度的乙醇溶液，然后将醋酸纤维素膜浸入溶液中1-2分钟取出，在室温下晾干，并经紫外光照射后，经乙醇清洗后干燥制得离子液功能化纤维膜材料。将离子液的浓度控制在3mg/mL，5mg/mL，8mg/mL三个梯度，光照时间设定为2min、5min、8min三个梯度在光照时发现处于5min以及8min的离子液功能化纤维膜出现了氧化变黄的结果。而后降低光照时间为2min、3min、4min三个时间梯度进行实验。2.1.3.4离子液功能化纤维膜的抗菌性能测定将大肠杆菌MG1655在37℃，2mL无菌LB培养基中震荡培养过夜，用无菌PBS溶液将细菌溶液稀释，使细菌浓度为1×107mL-1。吸取10μL细菌液至改性前及改性后的醋酸纤维素膜表面在37°C下培养3小时后，用倒置离心的方法，稀释到合适的浓度进行涂板，随后在37°C恒温培养箱中倒置培养18h后取出拍照并计算杀菌率。2.1.4表征方法 合成产物的化学结构通过核磁共振波谱仪（INOVA400MHz）进行分析，。CA膜的微观结构使用扫描电子显微镜（S-4700）进行观察。CA膜表面接枝前后表面静态水解触角测试所使用的仪器为SL-200C型水解触角仪（USAKinoIdustryCo,Ltd）。改性后的CA膜可以通过傅里叶红外光谱仪（Nicolet6700）和X射线光电子谱（Multilab2000）进行表征。。2.2结果与讨论2.2.1二苯甲酮类离子液合成图4.二苯甲酮类离子液的1图4.二苯甲酮类离子液的1HNMR谱图首先，我们进行了二苯甲酮类离子液的合成工作，得到的核磁结果如图3所示，δ值在8.16-8.13ppm和3.92ppm所对应的为甲基咪唑上氢的化学位移，而4.39-4.23ppm和1.95-1.43ppm之间所对应的为结构中亚甲基上氢的化学位移，7.89-7.51ppm应为苯环上氢的化学位移。检测结果表明，通过上述合成过程得到的黄色粘稠状液体便是实验目标产物二苯甲酮类离子液。2.2.2改性前醋酸纤维素膜的观测结果与分析（b）（b）首先，我们通过静电纺丝，制备了醋酸纤维素膜，并对其进行了基本的表征。从图4a可知，所制备的CA膜表面较为平整，无明显斑点。SEM检测结