趙夢雅 張美云 楊 強， 聶景怡 解宏濱， 宋順喜，，* 魯 鵬

（1.陜西科技大學(xué)輕化工程國家級實驗教學(xué)示范中心，中國輕工業(yè)紙基功能材料重點實驗室，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021；2.廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點實驗室，廣西南寧，530004）

微晶纖維素（Microcrystalline cellulose,MCC）是天然纖維素經(jīng)稀酸水解后形成的可自由流動的短棒狀或粉末狀多孔顆粒，具有可再生、可循環(huán)使用、降解性強、比表面積大、結(jié)晶度高等優(yōu)異性質(zhì)，可作為一種優(yōu)異的抗菌載體，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和輕化工行業(yè)［1］。然而，傳統(tǒng)的MCC基抗菌材料，如MCC/納米鉑［2］、MCC/二氧化鈦［3］的抗菌性能差、抗菌持久性弱、熱穩(wěn)定性能差等，限制了其在抗菌材料方面的應(yīng)用。

金屬有機框架化合物（MOFs）是由含有氮原子或者氧原子的有機配體和金屬離子或者金屬簇通過配位鍵連接形成的一類新型晶體材料［4-5］。MOF-5是由［Zn4O］6+與［O2C-C6H4-CO2］2-以八面體形式連接形成的具有三維立體剛性骨架結(jié)構(gòu)材料［6］，可快速殺滅水中的大腸桿菌［7］，具有優(yōu)異的抗菌性能。1，3，5-均苯三甲酸銅（Ⅱ）（HKUST-1）是一種典型的MOFs材料，晶體結(jié)構(gòu)類似于槳輪［8］。Pezeshkpour等［9］的研究表明，MOF-5具有高效、持久廣譜抗菌活性。王曉嵐［10］的研究結(jié)果證明，HKUST-1具有與MOF-5類似的抗菌機制，能夠與各類抗菌載體復(fù)合。與傳統(tǒng)抗菌劑相比，MOFs具有來源豐富、選擇性高、協(xié)同抗菌能力強等更加優(yōu)異的性能［11］，可解決傳統(tǒng)抗菌劑抗菌選擇性低、抗菌范圍受限的缺點。MCC具有良好的生物可降解性和生物適應(yīng)性，且資源豐富、應(yīng)用廣泛，具有吸附性，可以通過對金屬離子的吸附，提高MOFs在其表面的生成量。利用MCC和MOFs的各自優(yōu)勢，將兩者結(jié)合制備出的具有一定生物可降解性、抗菌性能優(yōu)異的復(fù)合材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景［12］。

本研究采用原位生長法先在MCC表面原位生長MOF-5、HKUST-1，獲得MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元復(fù)合抗菌材料，再引入MOF-5、HKUST-1，生成MCC/MOF-5/HKUST-1、MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合抗菌材料，并對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形貌及抗菌性能進行了分析。

1 實 驗

1.1 材料

微晶纖維素（MCC），購于美國FLC公司；六水合硝酸鋅（Zn（NO3）2·6H2O）、乙酸銅（Cu（CH3COO）2·H2O）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氫氧化鈉（NaOH）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF），均為分析純，購于天津市大茂化學(xué)試劑廠；對苯二甲酸（H2BDC），化學(xué)純，購于成都市新都區(qū)成都科龍化工試劑廠；均苯三甲酸（H3BTC，99%），分析純，購于北京百靈威科技有限公司；氯化鈉（NaCl），分析純，購于天津市天力化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇（EtOH），分析純，購于天津富宇精細化工有限公司；瓊脂（生物試劑）、蛋白胨（生物試劑）、牛肉膏（生物試劑）均購于北京奧博星生物試劑有限責(zé)任公司；大腸桿菌（Escherichia Coli，E.Coli）購于百靈威試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 MCC/MOF-5二元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱取0.1450 g絕干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH（5∶3，V/V，下同）的混合溶液中，超聲分散均勻，再加入0.1744 g H2BDC，接著將0.6314 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超聲分散均勻，最后將上述分散均勻的溶液迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)4 h，待冷卻至室溫，用DMF、EtOH各洗滌5次，在100℃下烘干，得到MCC/MOF-5二元復(fù)合材料。

1.2.2 MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱取0.1450 g絕干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，再加入0.2116 g H3BTC，接著將0.3983 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超聲分散均勻，最后將上述分散均勻的溶液迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)4 h，待冷卻至室溫，用DMF、EtOH各洗滌5次，在100℃下烘干，得到MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料。

1.2.3 MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料的制備

采用原位生長法制備三元復(fù)合材料。準(zhǔn)確稱取0.1 g MCC/MOF-5，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，加入0.21 g H3BTC，溶解后，再加入0.4 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP。將上述反應(yīng)物迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在120℃下反應(yīng)4 h，冷卻至室溫后，分別用DMF和EtOH洗滌數(shù)次，得到MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料。

1.2.4 MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱取0.1 g MCC/HKUST-1，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超聲分散均勻，加入0.17 g H2BDC，溶解后，再加入0.6 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP。將上述反應(yīng)物迅速移入Telflon反應(yīng)釜中，在120℃下反應(yīng)4 h，冷卻至室溫后，分別用DMF和EtOH洗滌數(shù)次，得到MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料。

1.2.5 復(fù)合材料表征

采用Vectory-22（Bruker，德國）傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析所制備樣品的化學(xué)基團（KBr壓片），測量波長范圍為400～4000 cm-1；采用D8 Advance（Bruker，德國）X射線衍射儀（XRD）分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，射線源為Cu Kα（λ=0.154 nm），加速電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為0.2°/s，掃描范圍為2θ=5°～60°；利用S-4800型（Hitachi，日本）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的表面形貌，對樣品進行噴金處理，掃描電壓為3 kV。

1.2.6 復(fù)合材料抗菌性能分析

按照GB/T 21510—2008和GB/T 21866—2008中所述的抑菌圈法［13］表征所有樣品的抗菌性能。具體如下：將15 g的瓊脂、10 g蛋白胨、3 g牛肉膏粉和5 g氯化鈉加入到500 mL蒸餾水中加熱煮沸至完全溶解，用生理鹽水調(diào)節(jié)pH值至7.0，最后定容至1 L，制備出液體培養(yǎng)基，然后將培養(yǎng)基和培養(yǎng)皿放入滅菌鍋中于121℃下滅菌15 min。完全滅菌后，在無菌工作臺中，先將一定量的液體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中水平靜置，無菌條件下冷卻制備固體培養(yǎng)基，再將0.4 mL大腸桿菌的細菌懸浮液均勻涂覆在固體培養(yǎng)基上，然后各稱取0.01 g二元和三元復(fù)合材料，用specac壓片機制備直徑為5 mm的圓形試樣，再將圓形試樣置于培養(yǎng)基中，30℃培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)24 h，測量抑菌圈直徑。按照上述測定程序，重復(fù)抗菌實驗4次以測定復(fù)合材料的抗菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與形貌

圖1為二元復(fù)合材料MCC/MOF-5、MCC/HKUST-1和三元復(fù)合材料MCC/HKUST-1/MOF-5、MCC/MOF-5/HKUST-1的FT-IR譜圖。從圖1可以看出，二元和三元復(fù)合材料在1616～1809 cm-1內(nèi)表現(xiàn)出很強的紅外吸收峰，根據(jù)文獻［14］報道，羧酸官能團中 ═C O振動吸收峰主要出現(xiàn)在這個區(qū)域；1550～1700 cm-1和1300～1420 cm-1處的吸收峰為對苯二甲基中—COOH的對稱和反對稱振動峰，650～1300 cm-1處的吸收峰為C—H面內(nèi)、面外彎曲振動峰，是MOF-5的框架結(jié)構(gòu)振動峰［15］，說明MOF-5成功負載在MCC上。結(jié)合HKUST-1的FT-IR圖［8］，1653 cm-1處吸收峰為 ═C O基團的伸縮振動峰，1447 cm-1處吸收峰對應(yīng)了O—H基團的彎曲振動峰，1246 cm-1處吸收峰對應(yīng)了C—O基團的伸縮振動峰，747 cm-1附近振動峰證明了氧原子與銅的結(jié)合，這些都與Wang［8］和Rowsell等［16］的結(jié)論相一致，證明了HKUST-1成功負載在MCC上，說明本實驗成功制備了二元和三元復(fù)合材料。

圖1 二元及三元復(fù)合材料的FT-IR譜圖

圖2 二元及三元復(fù)合材料的XRD譜圖

圖3 二元及三元復(fù)合材料的SEM圖片

圖2為所制備的二元及三元復(fù)合材料的XRD譜圖。其中，2θ=14.9°、16.4°、22.7°和34.5°處的衍射峰分別歸屬于MCC的（101）、（101）、（002）和（040）晶面［17］。此外，2θ=11.9°、13.8°、15.3°和19.7°處的衍射峰分別歸屬于HKUST-1的特征峰，Chui等［18］報道了相似的結(jié)果。其次，2θ=8.8°、9.9°、15.7°、19.9°和21.3°的衍射峰分別歸屬于MOF-5的（200）、（220）、（400）、（420）和（531）晶面［19］，并且沒有雜峰存在，證明本實驗成功制備了純度較高的二元和三元復(fù)合材料。

圖3為所制備的二元及三元復(fù)合材料的SEM圖。圖3（a）的SEM成像顯示，采用原位生長法生成的MOF-5為立方體結(jié)構(gòu)［20］；圖3（b）表明，HKUST-1為柱狀或片狀結(jié)構(gòu)，由于銅元素與均苯三甲酸的3個羧基配位，晶體的生長速率較快，且納米粒子有量子尺寸效應(yīng)，顆粒與顆粒之間容易通過范德華力和庫侖力粘結(jié)在一起［21］，形成了圖中的簇狀結(jié)構(gòu)［22］；圖3（c）和圖3（e）顯示，MCC表面立方體架構(gòu)的MOF-5和棒狀結(jié)構(gòu)的HKUST-1互相鑲嵌，說明成功合成了MCC/MOFs/MOFs三元復(fù)合材料；由圖3（d）和圖3（f）可以看出，MCC表面包覆有大量MOFs。進一步證明了本實驗成功將MOF-5和HKUST-1負載在MCC表面，制備出了二元和三元復(fù)合材料。

2.2 抗菌性能分析

二元及三元復(fù)合材料抗菌前后的圖片如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)過24 h的細菌培養(yǎng)后，二元及三元復(fù)合材料均出現(xiàn)明顯的抑菌圈，表明所制備的復(fù)合材料具有抑菌效果。這是由于MOFs的中心金屬離子對細菌具有細胞毒性，通過使膜蛋白、脂肪酸變性或者改變跨膜運輸?shù)耐ㄍ感云茐牧思毦毎さ慕Y(jié)構(gòu)，進而影響細菌的增殖和生長［23］。當(dāng)微生物與二元和三元復(fù)合材料接觸時，微生物細胞壁吸附金屬離子，導(dǎo)致微生物無法生長。由抗菌后的樣品可以看出，相比于呈白色的二元復(fù)合材料，抗菌后的MCC/MOFs/MOFs三元復(fù)合材料呈淡黃色（Zn2+）和淡綠色（Cu2+），表明其仍具有活性金屬離子，存在抗菌活性，因此相比于二元復(fù)合材料，三元復(fù)合材料具有更長的抗菌時間，其抗菌性能更加優(yōu)良。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在抗菌完成后，復(fù)合材料的顏色也發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)顏色蛻變現(xiàn)象，因此其可作為抗菌指示劑并具有一定的應(yīng)用前景。

二元及三元復(fù)合材料的抑菌圈直徑如圖5所示。結(jié)合圖5數(shù)據(jù)，已知樣品直徑為5 mm，培養(yǎng)24 h后，與MCC/HKUST-1復(fù)合材料相比，MCC/MOF-5復(fù)合材料的抗菌效果更好，抑菌圈直徑達到18.7 mm，這是因為MOF-5的中心金屬離子是Zn2+，HKUST-1的中心金屬離子是Cu2+，Zn2+的抗菌能力大于Cu2+，所以MOF-5的抗菌效果較HKUST-1優(yōu)異。MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料暴露在最外層的是MOF-5，而MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料暴露在最外層的是HKUST-1，所以MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材的抗菌效果較MCC/MOF-5/HKUST-1三元復(fù)合材料好，抑菌圈直徑分別為22.3 mm和21.3 mm。

圖4 二元及三元復(fù)合材料抗菌前后的圖片

圖5 二元及三元復(fù)合材料的抑菌圈直徑

由圖4和圖5可知，三元復(fù)合材料比對應(yīng)的二元復(fù)合材料的抑菌圈直徑更大，表現(xiàn)出更強的抗菌作用。這主要是因為三元復(fù)合材料中金屬離子的種類較多，復(fù)合材料的抗菌性主要源自MOF-5的Zn2+和HKUST-1的Cu2+［8］，而且金屬離子具有協(xié)同殺菌的作用，兩種金屬離子的殺菌率大于單獨金屬離子的殺菌率［10］。Jin等［24］研究了通過離子注入的方法，將銀離子和鋅離子同時注入到鈦基材料表面，其殺菌性能優(yōu)于只注入銀離子或鋅離子的鈦基材料，說明同時注入的銀離子和鋅離子具有協(xié)同殺菌作用。因此，三元復(fù)合材料表現(xiàn)出更強的抗菌能力。

3 結(jié) 論

3.1 采用原位沉積法將兩種金屬有機框架化合物（Metal-Organic Frameworks，MOFs）MOF-5和1，3，5-均苯三甲酸銅（Ⅱ）（HKUST-1）負載在微晶纖維素（MCC）上，制備出MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元復(fù)合材料以及MCC/MOF-5/HKUST-1和MCC/HKUST-1/MOF-5三元復(fù)合材料。沉積在MCC上的MOF-5為納米級的立方體結(jié)構(gòu)，沉積在MCC上的HKUST-1為納米級的棒狀結(jié)構(gòu)。三元復(fù)合材料中MOF-5和HKUST-1互相鑲嵌，包覆在MCC表面。

3.2 復(fù)合材料的抗菌性能主要源于MOFs，由于金屬離子的協(xié)同殺菌作用，三元復(fù)合材料對大腸桿菌的抗菌效果優(yōu)于二元復(fù)合材料。

3.3 復(fù)合材料在抗菌過程中出現(xiàn)了褪色現(xiàn)象，未來其在制備抗菌指示劑方面具有一定的前景。