張 權(quán)， 代雅軒， 馬夢琴， 王清清， 魏取福

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

光敏抗菌型靜電紡丙烯酸甲酯/丙烯酸納米纖維的制備及其性能表征

張 權(quán)， 代雅軒， 馬夢琴， 王清清， 魏取福

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

為利用乳液聚合法合成甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸共聚物(P(MMA-co-MAA))，通過靜電紡絲技術(shù)制備P(MMA-co-MAA)納米纖維膜，并利用其表面的羧酸基團(tuán)吸附陽離子光敏藥物，從而得到光敏抗菌型靜電紡納米纖維膜。通過凝膠滲透色譜、傅里葉紅外光譜、熱失重分析法等對P(MMA-co-MAA)聚合物進(jìn)行表征，借助掃描電子顯微鏡、表面張力儀對P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的形貌及吸附行為進(jìn)行分析，最后探討了所制備納米纖維膜的抗菌性能。結(jié)果表明：制備出了具有較高分子質(zhì)量的P(MMA-co-MAA)聚合物，靜電紡納米纖維膜對陽離子光敏劑亞甲基藍(lán)(MB)和5,10,15,20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉鋅(鋅卟啉)具有良好的吸附性能。二者都表現(xiàn)出良好的抗菌效果，抗菌率可達(dá)到99.99%。

乳液聚合； 甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸共聚物； 靜電紡絲； 納米纖維； 光動力抗菌

近半個(gè)世紀(jì)以來，光敏抗菌藥物伴隨著光動力治療技術(shù)的臨床應(yīng)用逐漸趨于成熟而受到越來越多的關(guān)注。光動力抗菌化學(xué)療法[1](PACT)的基本原理是：光敏劑優(yōu)先聚集于細(xì)菌周圍，在近紅外光或可見光的照射下，光敏劑吸收電子從基態(tài)躍遷到高能量的三線態(tài)，三線態(tài)光敏劑直接與生物分子反應(yīng)產(chǎn)生自由基和自由電子(Ⅰ類反應(yīng))，或者與分子氧反應(yīng)產(chǎn)生更高活性的單線態(tài)氧(Ⅱ類反應(yīng))。自由基和單線態(tài)氧對目標(biāo)微生物產(chǎn)生毒性，從而滅活細(xì)菌，治療細(xì)菌感染性疾病[2]。常見的光敏劑有吩噻嗪類光敏劑、玫瑰紅、釕絡(luò)合物、酞菁類光敏劑、卟啉類光敏劑等[3]。相較于傳統(tǒng)的抗菌材料，光敏抗菌材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)抗菌范圍廣，可廣泛作用于各種細(xì)菌、真菌、病毒等微生物；2)光敏劑的毒副作用低；3)可在短時(shí)間內(nèi)滅活感染的微生物,不會使微生物產(chǎn)生耐藥性[4]。

光敏抗菌藥物在固體基質(zhì)材料表面的固定化為其重復(fù)利用提供了條件。不同固定化載體在光敏劑的固定化中的應(yīng)用研究已被廣泛報(bào)道，例如：有學(xué)者[5]研究了在纖維素表面共價(jià)接枝卟啉從而制備光敏抗菌膜材料, 研究結(jié)果證實(shí)該復(fù)合膜對革蘭氏陽性菌(以金黃色葡萄球菌和恥垢分枝桿菌為代表)及革蘭氏陰性菌(以大腸桿菌為代表 )均具有良好的抗菌效果；HONG等[6]用凍融法制備了玫瑰紅/聚乙烯醇以及二苯甲酮/聚乙烯醇水凝膠,分別考察了其對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抗菌行為，研究結(jié)果表明材料的光敏抗菌效果非常理想，然而光敏抗菌劑存在易析出的問題。WANG等[7]在蜂窩狀的多孔膜中負(fù)載卟啉并研究了其抗菌行為,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)規(guī)整的多孔聚合物膜可提高光敏抗菌效率。其中，靜電紡納米纖維因其具有良好的可加工性，所制備的材料具有較大的比表面積，聚合物材料可選擇范圍廣并且易于在納米纖維表面實(shí)現(xiàn)功能化改性等優(yōu)點(diǎn)而受到普遍關(guān)注。

本文利用乳液聚合制備甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸(P(MMA-co-MAA))共聚物，通過靜電紡絲得到其納米纖維膜，并利用其表面的羧基基團(tuán)實(shí)現(xiàn)對2種陽離子光敏劑亞甲基藍(lán)(MB)、5，10，15，20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉鋅(Zn-Por)的吸附，并探討了光敏劑在溶液狀態(tài)下以及纖維膜表面的不同抗菌行為。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸(MAA)、氫氧化鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚 AEO-7、三氯甲烷、過硫酸鉀,分析純，均購自中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司。十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS),分析純；N,N-二甲基甲酰氨(DMF)，色譜純，均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。亞甲基藍(lán)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。卟啉鋅、金黃色葡萄球菌(Staph.Aureus)、CMCC(B) 26003，均購自上海維塔試劑有限公司。

圖1 光敏劑的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of photosensitizers. (a) Methylene blue； (b) Meso-tetrakis (N-methyl- pyridinium-4-yl) porphyrin Zn(Ⅱ)

靜電紡絲裝置(實(shí)驗(yàn)室自制)；NDJ-79型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)(同濟(jì)大學(xué)機(jī)電廠)；DCAT 21型表面張力儀(德國 dataphysics 公司)；DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀(上海天達(dá)儀器有限公司)；XQ500W型氙燈(上海藍(lán)晟電子有限公司)；85-2A型數(shù)顯恒溫測速磁力攪拌器(金壇市榮華儀器制造有限公司)；NICOLETIS10型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)；SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)(日本日立株式會社)。

1.2 P(MMA-co-MAA)聚合物及性能測試

將30 g MMA、24.3 g MAA以及200 mL去離子水分別加入500 mL的三口燒瓶中。將燒瓶放入油浴鍋中攪拌升溫至80 ℃后，依次加入0.092 8 g SDBS、0.266 7 g乳化劑AEO-7和20 mL濃度為0.05 mol/L的K2S2O8引發(fā)劑溶液，滴加完成后保溫反應(yīng)4 h,整個(gè)過程都在N2保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行。冷卻后用鹽酸破乳，去離子水洗滌抽濾，真空干燥得到聚合物[8]。分別用傅里葉變換紅外光譜儀和Q500熱分析儀對聚合物進(jìn)行紅外光譜分析和熱學(xué)性質(zhì)的測定。

1.3 納米纖維膜制備及結(jié)構(gòu)觀察

配制聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的紡絲液，溶劑為DMF和氯仿復(fù)配體系，比例分別為10∶0、7∶3、5∶5、3∶7。利用DCAT 21型表面張力儀、DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀、NDJ-79型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)分別對紡絲液的表面張力、電導(dǎo)率、黏度進(jìn)行測定。將已配制好的紡絲液倒入標(biāo)準(zhǔn)容量為20 mL的注射器中,在針頭加上正電勢，用被鋁箔紙覆蓋的滾筒作為接收裝置。紡絲過程中電壓為20 kV，紡絲速度為0.7 mL/h，收集距離為15 cm，紡絲結(jié)束后，卸下錫箔紙，在室溫下存放，待溶劑揮發(fā)。用掃描電子顯微鏡觀察靜電紡納米纖維的表面形貌及纖維結(jié)構(gòu)。

1.4 光敏劑固定及對光動力抗菌行為評價(jià)

1.4.1 P(MMA-co-MAA)羧基含量的測定

分別將3組100 g的膜于室溫下浸泡在50 mL濃度為0.01 mol/L的NaHCO3溶液中，48 h后過濾、干燥。用0.05 mol/L的HCl溶液滴定浸泡后的NaHCO3溶液直至溶液pH值為7時(shí)，測定消耗的HCl溶液體積，進(jìn)而計(jì)算出樣品表面的羧基含量[9]。

P(MMA-co-MAA)羧基含量測試結(jié)果平均值為3.39 mmol/g。

1.4.2 固定光敏藥物

在P(MMA-co-MAA)納米纖維膜中選取有代表性的試樣，剪成適當(dāng)大小，稱取質(zhì)量為(0.4±0.05)g作為1個(gè)試樣。將試樣放入24孔板內(nèi)，分別加入1 mL濃度為100 μmol/L的MB和鋅卟啉溶液，靜置12～24 h，通過納米纖維膜上羧基的靜電吸附作用將光敏劑固定在納米纖維膜上。

1.4.3 抗菌行為

考慮到單態(tài)氧的壽命較短，擴(kuò)散距離有限，纖維形貌和直徑會對抗菌效果產(chǎn)生影響，因此選擇復(fù)配溶劑中DMF與三氯甲烷質(zhì)量比為5∶5的納米纖維膜來進(jìn)行抗菌評價(jià)。根據(jù)GB/T 20944.2—2007《紡織品抗菌性能的評價(jià) 第2部分：吸收法》對納米纖維膜進(jìn)行抗菌測試。從上述納米纖維膜上剪出適當(dāng)大小的試樣，分別取3個(gè)待測抗菌性能試樣和6個(gè)對照樣。6個(gè)對照樣中，3個(gè)試樣直接接種細(xì)菌作為對照原樣，3個(gè)吸附光敏劑的試樣接種細(xì)菌后置于暗室的環(huán)境中，作為暗室對照。3個(gè)吸附光敏劑的待測抗菌性能試樣接種細(xì)菌后用近紅外光或可見光進(jìn)行照射。30 min后測定9個(gè)樣品的菌落數(shù)，計(jì)算出其抑菌值和(或)抑菌率，從而對其抗菌效果作出評價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 P(MMA-co-MAA)聚合物性能的表征

2.1.1 P(MMA-co-MAA)聚合物分子質(zhì)量

通過凝膠滲透色譜法(GPC)分析，計(jì)算結(jié)果表明P(MMA-co-MAA)的數(shù)均分子質(zhì)量為422 631，質(zhì)均分子質(zhì)量為532 680，分子質(zhì)量多分散性系數(shù)為1.26，表明該聚合物的分子質(zhì)量較大，且分子質(zhì)量分布較為集中，為其可紡性提供了保障。

2.1.2 結(jié)構(gòu)分析

圖2 P(MMA-co-MAA)聚合物的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectrum of P(MMA-co-MAA) polymer

2.1.3 P(MMA-co-MAA)聚合物熱性能分析

通過熱重分析研究了P(MMA-co-MAA)聚合物的熱性能，圖3示出其熱失重(TGA)曲線和微分熱重(DTG)曲線。由圖可知，聚合物的質(zhì)量損失分為2個(gè)階段，在177～365 ℃區(qū)間內(nèi)，有輕微的質(zhì)量損失，主要是由于聚合物中含有的水分和小分子物質(zhì)等雜質(zhì)的去除以及側(cè)鏈基團(tuán)的初步降解。在365～471 ℃范圍內(nèi)，聚合物骨架開始降解，造成質(zhì)量的顯著下降，在471 ℃達(dá)到完全降解[11]。

圖3 P(MMA-co-MAA)聚合物的TGA和DTG曲線Fig.3 TGA and DTG cruves of P(MMA-co-MAA) polymer

2.2 納米纖維膜形貌及性能

2.2.1 紡絲液性質(zhì)及纖維平均直徑

紡絲液的基本性質(zhì)可通過不同溶劑的復(fù)配來進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)果如表1所示。可看出，隨著溶劑中三氯甲烷的比例增加，紡絲液的黏度增加，這是因?yàn)槿燃淄榈姆肿淤|(zhì)量大于DMF，分子質(zhì)量越大，分子鏈越長，分子間力越大，流動越困難。此外，隨著三氯甲烷比例的增加，紡絲液電導(dǎo)率下降，表面張力值降低。

由于黏度的增加以及電導(dǎo)率的下降會導(dǎo)致靜電紡納米纖維的直徑變大[12]，因此隨著三氯甲烷在復(fù)配溶劑中比例的增加，纖維平均直徑也逐漸變大。

表1 靜電紡絲溶液性質(zhì)與纖維直徑的關(guān)系Tab.1 Properties of eletrospinning solution and mean diameter of electrospun nanofibers

2.2.2 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的形貌結(jié)構(gòu)

P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的掃描電鏡照片如圖4所示?？煽闯?，單獨(dú)用DMF作為溶劑時(shí)，所制備的納米纖維表面有大量珠節(jié)，而三氯甲烷的加入有效改善了纖維形貌，纖維表面變得平滑，且隨著三氯甲烷比例的增加，纖維直徑逐漸變粗，這與表1紡絲液性質(zhì)分析的結(jié)果一致。

圖4 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的 SEM照片(×10 000)Fig.4 SEM images of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membranes(×10 000)

2.2.3 光敏劑吸附曲線

圖5示出P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對3種溶液的吸附速率。由圖可見，P(MMA-co-MAA)納米纖維膜對MB溶液吸附速率曲線斜率最大，其次是鋅卟啉溶液，可見對MB溶液的吸附速率大于鋅卟啉溶液。原因是因?yàn)殇\卟啉溶液的黏度較大，對纖維膜吸附溶液造成了一定的阻礙作用，從而使吸附速率降低。根據(jù)表面張力儀測得單位體積纖維膜吸附MB溶液(0.086 2±0.000 3)g/cm3，吸附鋅卟啉溶液(0.032 3±0.000 2)g/cm3，吸附去離子水(0.017 6±0.000 1)g/cm3。

圖5 P(MMA-co-MAA)納米纖維膜的吸附曲線Fig.5 Adsorption curves of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.4 抗菌效率

P(MMA-co-MAA)納米纖維膜、MB溶液及其負(fù)載后的納米纖維膜、鋅卟啉溶液及其負(fù)載后的納米纖維膜對Staph.Aureus的抗菌效果如表2所示。由表可得，100 μmol/L MB溶液和鋅卟啉溶液在光照條件下抗菌效果非常好，抗菌效率可達(dá)到100%。MB和鋅卟啉在納米纖維膜表面負(fù)載后在光照條件下仍然表現(xiàn)出良好的抗菌效果，MB負(fù)載的納米纖維膜抗菌效果達(dá)到99.993 3%，鋅卟啉負(fù)載的納米纖維膜抗菌效果可達(dá)到99.997 0%。

MB和鋅卟啉在纖維膜表面吸附固定后抗菌效果的表現(xiàn)不同，鋅卟啉負(fù)載的納米纖維膜抗菌效率高于MB。這是因?yàn)樵诠庹諚l件下， MB在光動力抗菌的過程中與DNA或酶等活性生物分子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使其單線態(tài)氧量子產(chǎn)率低于鋅卟啉，進(jìn)而導(dǎo)致抗菌效果的差異[13]。

表2 不同材料對金黃色葡萄球菌的抗菌效果Tab.2 Antibacterial effect of different samples against S.Aureus

3 結(jié) 論

通過乳液聚合法合成具有較高分子質(zhì)量的P(MMA-co-MAA)共聚物，利用靜電紡絲技術(shù)制備出納米纖維膜，通過纖維表面的羧酸基團(tuán)對陽離子光敏藥物的靜電吸附作用將二者結(jié)合得到光敏抗菌型電紡納米纖維膜。溶劑DMF與三氯甲烷的質(zhì)量比為5∶5時(shí)得到的P(MMA-co-MAA)納米纖維膜中纖維較為光滑，直徑較細(xì)，其對陽離子光敏劑具有良好的吸附性能，抗菌測試顯示出鋅卟啉修飾的納米纖維膜抗菌效果強(qiáng)于MB。

FZXB

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Preparation and characterization of photodynamic antimicrobialpolymethyl methacrylate-co-methacrylic acid electrospun nanofibers

ZHANG Quan, DAI Yaxuan, MA Mengqin, WANG Qingqing, WEI Qufu

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Polymethyl methacrylate-co-methacrylic acid (P(MMA-co-MAA)) synthesized by emulsion polymerization was electrospun into nanofibers, and carboxyl groups were used to adsorb cationic photosensitizers to fabricate photodynamic antimicrobial nanofibrous membrane. Gel permeation chromatography, Fourier transform infrared spectrometry, and thermo-gravimetric analysis were employed to characterize P(MMA-co-MAA) polymer. Scanning electron microscope and surface tension meter were used to analyze the surface morphology of the P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane as well as its adsorption behavior of cationic photosensitizers. Finally, the antimicrobial behavior of the as-prepared material was evaluated. The results indicate that P(MMA-co-MAA) polymers with relative high molecular weight as well as favorable spinnability are successfully prepared. Furthermore, the electrospun P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane shows good adsorption capacity of two cationic photosensitizers, i.e., methylene blue (MB) and (meso-tetrakis (N-methylpyridinium- 4-yl) porphyrin) Zn(Ⅱ)(Zn-Por). The membrane decorated by Zn-Por and MB shows desirable antimicrobial effect, and the sterilization ratio can reach 99.99%.

emulsion polymerization; polymethyl methacrylate-co-methacrylic acid; electrospinning; nanofiber; photodynamic antimicrobial

2016-04-27

2016-11-30

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150155)；中央高?？蒲袑ｍ?xiàng)基金項(xiàng)目(JUSRP115A04)

張權(quán)(1992—)，男，碩士生。研究方向?yàn)楣δ芗徔棽牧?。魏取福，通信作者，E-mail: qfwei@jiangnan.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160407405

O 614.41

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