張 猛，王國(guó)慧，張 欣，鄭裕祺，李少香, ，王 棟, ，李雁欣，曲文娟

（1.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院, 山東青島 266000；2.山東省海洋環(huán)境腐蝕與安全防護(hù)工程技術(shù)研究中心, 山東青島 266000；3.青島科技大學(xué)山東省先進(jìn)涂層工程技術(shù)研究中心, 山東青島 266000）

高分子納米復(fù)合材料因其優(yōu)異的機(jī)械、物理和生物性能，在膜技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1?5]。近年來(lái)，由于石油基材料造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，具有良好生物相容性和生物降解性的聚合物成為研究的熱點(diǎn)[6?9]。在各類生物相容性聚合物基質(zhì)中，聚乙烯醇（Ppolyvinyl alcohol，PVA）具有無(wú)毒、乳化性能和良好的機(jī)械性能以及成膜性能[6,10?12]。此外，通過(guò)在PVA基質(zhì)中加入不同種類的納米填料，可以增強(qiáng)PVA基質(zhì)在食品包裝領(lǐng)域中的性能[13?16]。通過(guò)添加抗菌填料與其進(jìn)行物理共混來(lái)增強(qiáng)膜的抗菌性能，其中含有PVA/Ag復(fù)合膜已經(jīng)被廣泛的研究[4,6]。雖然納米銀以其與Ag+的釋放有關(guān)的高殺菌效果而聞名，但當(dāng)它們與細(xì)菌接觸時(shí)，往往會(huì)形成團(tuán)聚，造成活性表面積的損失而限制了它們的活性[17]。因此，設(shè)計(jì)具有可控結(jié)構(gòu)的新材料作為高效的介質(zhì)來(lái)克服這一局限性仍是至關(guān)重要的。

金屬有機(jī)框架（Metal-organic frameworks，MOFs）是一種新型的無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)雜化聚合物，在生物醫(yī)學(xué)和藥物輸送等方面都表現(xiàn)出了其潛在的應(yīng)用價(jià)值[18?21]。與傳統(tǒng)的殺菌劑相比，MOF抗菌劑具有廣譜抗菌、效力高、作用時(shí)間長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其中Ag@MOF具有特殊的棒狀結(jié)構(gòu)，不僅可以使其均勻分散在聚合物基體中，而且可以持續(xù)釋放Ag+，避免團(tuán)聚。此外，與AgNPs相比，Ag@MOF具有更優(yōu)異的抗菌活性，這是由于MOFs對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的滲透而造成細(xì)菌死亡。此外，Ag@MOF釋放的Ag+與硫醇蛋白之間的相互作用能夠造成細(xì)菌膜損傷，且有機(jī)連接體的官能團(tuán)能與細(xì)菌細(xì)胞陽(yáng)離子結(jié)合，降低細(xì)菌活性。更重要的是，Ag@MOF的抗菌活性可能與它們的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而結(jié)構(gòu)可以通過(guò)選擇多功能的有機(jī)配體進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整。然而，很少有人對(duì)Ag@MOF基薄膜的抗菌性能進(jìn)行研究。

本文通過(guò)溶液澆鑄法合成了不同濃度的PVA/Ag@MOF混合薄膜。詳細(xì)研究了復(fù)合薄膜的力學(xué)、熱學(xué)、水阻隔、抗菌性能和細(xì)胞毒性，從而探明開發(fā)的復(fù)合膜是否適合食品包裝，以及獲得最合適的配方，為其在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

聚乙烯醇 聚合度為1788，阿拉丁試劑上海有限公司；吡啶-3,5-二羧酸 分析純，瑞恩試劑隴西有限公司提供；硝酸銀 分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；大腸桿菌ATCC25922和金黃色葡萄球菌ATCC6538 上海魯微科技有限公司；所有分離用有機(jī)溶劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

IRAffinity-1光譜儀 日本島津公司；TD-3700 X射線衍射儀 日本科學(xué)公司；JSM-6700F掃描電子顯微鏡 日本電子公司；A1-7000M拉伸試驗(yàn)機(jī)中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技有限公司；SDT-Q600熱分析 美國(guó)TA儀器公司；Digidrop DX 德國(guó)GBX公司；SpectraMax iD5全自動(dòng)酶標(biāo)儀 美國(guó)Bio公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Ag@MOF的合成 將0.14 g 吡啶-3,5-二羧酸H2PYDC分散于2 mL去離子水中，得到懸浮液A，將0.32 g AgNO3溶解于懸浮液A中，得到懸浮液B，將懸浮液B超聲處理20 min，密封于50 mL特氟隆內(nèi)襯不銹鋼高壓釜中，120 ℃加熱24 h。冷卻至室溫后，以8000 r/min離心15 min，取沉淀用去離子水重新分散離心三次，得到無(wú)色晶體Ag@MOF。將Ag@MOF在80 ℃下干燥12 h。

1.2.2 復(fù)合膜的制備

1.2.2.1 PVA薄膜的制備 將5 g PVA溶于45 mL去離子水中，并在90 ℃下攪拌1 h，直到得到均勻的溶液。隨后，向該溶液中加入2 g甘油，并在90 ℃下加熱2 h。將該溶液倒入玻璃培養(yǎng)皿中，在60 ℃下干燥2 h。最后，將干燥的PVA膜從玻璃培養(yǎng)皿中剝離出來(lái)。

1.2.2.2 PVA/H2PYDC薄膜的制備 將0.025 g H2PYDC (0.5 wt%) 和2 g甘油溶于25 mL去離子水中，超聲攪拌30 min。然后將5 g PVA溶于20 mL去離子水中，在90 ℃下攪拌1 h。將兩種溶液混合，在80 ℃下攪拌1 h。最后，將所得溶液倒在玻璃培養(yǎng)皿上，在60 ℃下干燥2 h，形成薄膜。

1.2.2.3 PVA/Ag薄膜 PVA/Ag薄膜采用綠色還原法制備。將0.025 g AgNO3(0.5 wt%)溶于40 mL去離子水中。 通過(guò)磁力攪拌，在90 ℃下加熱1 h。隨后，向該溶液中加入5 g PVA，并在90 ℃下攪拌1 h。溶液的顏色由透明變?yōu)榈S色，表明AgNPs的形成。最后，將該溶液投到玻璃培養(yǎng)皿中，在60 ℃下干燥2 h，形成薄膜。

1.2.2.4 PVA/Ag@MOF薄膜 以PVA為介質(zhì)合成 PVA/Ag@MOF薄膜。將 0.025 g Ag@MOF（0.5 wt%）溶解在45 mL去離子水中，超聲攪拌30 min，直至獲得懸浮液。將5 g PVA和2 g甘油的混合物溶解在45 mL懸浮液中，在90 ℃下加熱2 h。然后將該溶液倒入玻璃培養(yǎng)皿中。將樣品在60 ℃下干燥2 h，形成0.5 wt% Ag@MOF/PVA薄膜。將薄膜從玻璃培養(yǎng)皿中剝離出來(lái)。Ag@MOF的濃度在0.1~1 wt%之間變化，用同樣的方法制備了3種薄膜（0.1、0.5和 1.0 wt%）。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 FT-IR 將Ag@MOF納米顆粒和膜樣品與KBr（質(zhì)量比為 1:100）混合并壓入透明薄片中進(jìn)行FTIR 測(cè)試。設(shè)置光譜分辨率為 4 cm?1，掃描 32 次獲取樣品在 400~4000 cm?1范圍內(nèi)的傅里葉紅外光譜。

1.3.2 XRD 采用 Cu Kα輻射（40 kV，40 mA，5°~80°，1(°)/min，0.05°掃描幅值），在 X 射線衍射儀上記錄Ag@MOF和薄膜的XRD圖譜。

1.3.3 SEM 使用JSM-6700F掃描電子顯微鏡（SEM）（日本JEOL）對(duì) Ag@MOF和薄膜的形態(tài)進(jìn)行觀察。Ag@MOF納米粒子是直接分析，而聚合物納米復(fù)合薄膜是通過(guò)橫截面分析，工作電壓為5.00 kV。

1.3.4 機(jī)械性能 在ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法D882-12的基礎(chǔ)上[22]，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)高分子納米復(fù)合材料薄膜的拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（EB）進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)所用的樣品被切割成尺寸為10 mm×80 mm×1 mm（寬×長(zhǎng)×厚）的啞鈴形試樣。每個(gè)樣品反復(fù)測(cè)量3次，得到平均值。

1.3.5 TGA 稱取 10 mg 樣品，利用熱重分析儀（TGA）測(cè)定樣品的熱力學(xué)性能。測(cè)試參數(shù)：氮?dú)饬髁繛?60 mL/min，測(cè)試溫度范圍為 25~800 ℃，升溫速率為 10 ℃/min。

1.3.6 接觸角 采用Digidrop DX在室溫下測(cè)量接觸角。用約3 μL超純水作為探針液滴在薄膜表面。每個(gè)樣品至少測(cè)量3次，計(jì)算平均值。

1.3.7 水蒸氣滲透率（WVP） 將10 mL去離子水倒入直徑為29.5 mm的燒杯中，蓋上薄膜樣品，用特氟龍膠帶密封。測(cè)量燒杯的重量，置于40 ℃的烘箱中24 h。然后，將燒杯從烘箱中取出，再次稱重。記錄燒杯重量的變化作為時(shí)間的函數(shù)[23]。WVP（g/(m2·h)）由公式計(jì)算。

式中：Wi為燒杯的初始重量，g；Wa為時(shí)間T時(shí)燒杯的重量，g；A為薄膜的轉(zhuǎn)移面積，m2；T為燒杯在烘箱中的時(shí)間，h。

1.3.8 抗菌特性 采用瓊脂盤擴(kuò)散試驗(yàn)測(cè)定樣品對(duì)大腸桿菌(ATCC25922)和金黃色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌活性。將LB肉湯瓊脂倒入一次性消毒的培養(yǎng)皿中，并使其凝固，將菌種接種到培養(yǎng)皿中，37 ℃培養(yǎng)24 h，對(duì)接種微生物的培養(yǎng)皿進(jìn)行殺菌效果檢測(cè)。然后將薄膜切成直徑5 mm的圓盤，用無(wú)菌玻璃棒鋪到表面皿上。將這些平板置于37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)過(guò)夜。用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑制區(qū)的直徑。所有試驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.3.9 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn) 小鼠L929成纖維細(xì)胞在37 ℃、5% CO2條件下，在補(bǔ)充有10%胎牛血清的Dulbecco改良的 Eagle培養(yǎng)基中生長(zhǎng) 24 h，以105cells·mL?1的細(xì)胞密度播種于96孔板，每孔體積為 100 μL。然后加入 20 μL 膜液，濃度為 10、20 和50 μg/mL。孵育細(xì)胞 8、16、24 h。孵育后，每孔加入10 μL CCK-8試劑，孵育1 h后，用全自動(dòng)酶標(biāo)儀在450 nm處測(cè)定光密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均為 3 組重復(fù)，用 Excel 2016 軟件處理數(shù)據(jù)，用 Origin 9.0 作圖，再用 SPSS 22 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 FT-IR分析

圖1是Ag@MOF、PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF的紅外光譜圖。PVA薄膜在3350~3400 cm?1處的峰是由于O-H基團(tuán)的振動(dòng)拉伸所致，而2923 cm?1處的峰是由于芳香族CH基團(tuán)的拉伸振動(dòng)所致。在1722和1645 cm?1處觀察到的峰分別對(duì)應(yīng)于C=O和C=C的拉伸振動(dòng)，而在1422和851 cm?1處的吸收峰則是由于CH2基團(tuán)的振動(dòng)產(chǎn)生的。1250 cm?1處的峰是由于C-H基團(tuán)搖擺振動(dòng)和O-H的平面振動(dòng)在1422 cm?1處的耦合所致[1]。

圖1 Ag@MOF及其復(fù)合膜的FT-IR譜圖Fig.1 FTIR spectra of Ag@MOF and polymer nanocomposites films

在 PVA/H2PYDC薄 膜 中 ，3300、2923和1650 cm?1處的吸收峰分別歸因于 O-H、C-H和C=N的拉伸振動(dòng)。1422和851 cm?1處的峰是由于CH2基團(tuán)的振動(dòng)。2923、1750和851 cm?1處的峰強(qiáng)度有所降低，C=O峰(1750 cm?1)與PVA相比具有較高的偏移，表明PVA/H2PYDC膜制備成功。

在 PVA中加入 AgNPs后，1722和851 cm?1處的峰強(qiáng)度降低，1645 cm?1處的峰完全消失,表明PVA分子與AgNPs形成了化學(xué)結(jié)合。1250 cm?1處峰的降低表明O-H與C-H振動(dòng)的解耦是由于Ag納米粒子與PVA的O-H相互作用的結(jié)果[6]。

從Ag@MOF的傅立葉變換紅外光譜來(lái)看，3451 cm?1處的寬峰對(duì)應(yīng)于O-H基團(tuán)的振動(dòng)拉伸，而2915 cm?1處的峰則對(duì)應(yīng)于C-H的拉伸。1650和1722 cm?1處的峰分別對(duì)應(yīng)吡啶環(huán)基的C=N和C=O拉伸振動(dòng)。在779cm?1附近的峰對(duì)應(yīng)Ag-O拉伸振動(dòng)[24]。

將不同濃度的Ag@MOF納米粒子添加到聚合物基體中，Ag@MOF中羧基的存在可以與PVA形成氫鍵。在3350~3400 cm?1和2940 cm?1處的吸收峰是由于O-H基團(tuán)和C-H的拉伸所致。隨著Ag@MOF濃度的增加，O-H拉伸振動(dòng)峰向高頻范圍轉(zhuǎn)移。1731、1419、1256 cm?1處的紅外吸收峰分別與C=O的拉伸、C-H的彎曲和C-C的拉伸有關(guān)。Ag-O峰（794 cm?1）的偏移是由于 Ag@MOF與PVA的相互作用所致[24]。因此，結(jié)果表明，PVA/Ag@MOF復(fù)合材料同時(shí)保留了PVA和Ag@MOF的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

2.2 XRD分析

PVA 薄膜在 22.5°處的峰歸于（101）晶面（圖2），推斷其半結(jié)晶性質(zhì)[22]。PVA/AgNPs在 34°和 43°處的新衍射峰與 AgNPs的（111）和（200）晶面有關(guān)，而22.5°處與PVA結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)的峰的強(qiáng)度沒(méi)有變化，說(shuō)明AgNPs的加入對(duì)PVA薄膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度沒(méi)有影響。對(duì)于 Ag@MOF 而言，6.9°、12.5°和15.6°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng) Ag@MOF中的（100）、（110）和（112）晶面。在 PVA/H2PYDC 薄膜中，有機(jī)配體與PVA分子之間的相互作用可以促進(jìn)氫鍵的形成，使其具有較高的結(jié)晶度。在PVA/Ag@MOF中，Ag@MOF相應(yīng)衍射峰的存在證實(shí)Ag@MOF的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞。薄膜的X射線光譜顯示，當(dāng)Ag@MOF的濃度增加到1.0%時(shí)，其光譜強(qiáng)度增加，并且變寬。這表明，隨著Ag@MOF與PVA分子之間相互作用形成的氫鍵的增加，結(jié)晶度也隨之增加[23]。

圖2 Ag@MOF及其復(fù)合膜的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of Ag@MOF and polymer nanocomposites films

2.3 SEM分析

為了觀察 Ag@MOF、AgNPs和 H2PYDC在PVA共混體系中的分散情況，用SEM表征了聚合物納米復(fù)合材料的表面形貌。Ag@MOF的SEM圖像（圖3）顯示為棒狀結(jié)構(gòu)，直徑為0.3~1.2 μm，長(zhǎng)度為3.0~9.0 μm。該結(jié)果與之前的報(bào)道一致[25]。PVA薄膜具有光滑的外觀，反映了良好的相容性和分散性（圖4）。PVA/H2PYDC薄膜中， H2PYDC嵌入聚合物基體中。PVA/AgNPs薄膜中，AgNPs以近球形顆粒的形式存在于PVA基體中，這與之前報(bào)道的情況相似[6]。在Ag@MOF濃度較低（0.1%）時(shí)，大部分化合物均勻地分散在基體中，沒(méi)有明顯的聚集現(xiàn)象。隨著Ag@MOF濃度從0.1%增加到1.0%，Ag@MOF棒狀結(jié)構(gòu)的存在也使其在表面分布更加均勻。因此，這種均勻性可以提高薄膜的集成度。

圖3 Ag@MOF的SEM圖像Fig.3 SEM images of Ag@MOF

圖4 (a)PVA、(b)PVA/H2PYDC、(c)PVA/AgNPs、(d)PVA/0.1%Ag@MOF、(e)PVA/0.5%Ag@MOF和(f)PVA/1.0%Ag@MOF的SEM圖像Fig.4 SEM images of (a) PVA, (b) PVA/H2PYDC, (c)PVA/AgNPs, (d) PVA/0.1%Ag@MOF, (e)PVA/0.5%Ag@MOF, and (f) PVA/1.0%Ag@MOF films

2.4 力學(xué)性能分析

拉伸強(qiáng)度（圖5）和斷裂伸長(zhǎng)率（圖5）揭示了薄膜的強(qiáng)度和韌性[10]。圖5顯示了PVA及其納米復(fù)合材料的力學(xué)性能。PVA膜的TS為23.44 MPa，加入AgNPs后薄膜的TS變化不大。在PVA基體中加入H2PYDC后，TS從23.44 MPa提高到31.95 MPa，提高了約36.2%。此外，在PVA基體中加入0.1%、0.5%、1.0%的 Ag@MOF，TS分別從 23.44 MPa提高到24.40、34.32、36.21 MPa，提高了 4.0%、46.4%、54.4%。EB呈下降趨勢(shì)。此外，通過(guò)在PVA基體中加入H2PYDC，EB從455下降到375，下降了約17.5%。在PVA中加入0.1%、0.5%以及1.0%的A@MOF的情況下，EB值分別下降了15.3%、19.7%和23.0%左右。薄膜的拉伸性能很大程度上取決于分散度、晶體結(jié)構(gòu)和分子間的相互作用[26]。PVA中羥基和Ag@MOF或H2PYDC中含氧基團(tuán)之間的良好相互作用，增加了結(jié)晶度，而缺乏這種官能團(tuán)的AgNPs則不能與聚合物基體結(jié)合[27]。

圖5 復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.5 Tensile strength and elongation at break of polymer nanocomposites films

2.5 熱學(xué)性能分析

圖6為Ag@MOF和制備薄膜的TGA曲線，Ag@MOF的TGA曲線反映了兩步降解：一是300 ℃之前水分蒸發(fā)，二是羥基、羧基、吡啶環(huán)在300 ℃開始分解，400 ℃時(shí)完成，質(zhì)量損失約50%。在溫度達(dá)到400 ℃后，Ag@MOF沒(méi)有進(jìn)一步降解[24]。

圖6 Ag@MOF納米顆粒、PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF薄膜的TGA曲線Fig.6 TGA curves of Ag@MOF nanoparticles, PVA,PVA/H2PYDC, PVA/AgNPs, and PVA/Ag@MOF films

PVA及其納米復(fù)合材料的TGA曲線在80 ℃時(shí)質(zhì)量損失略有下降,表明樣品中存在水分。PVA、PVA/AgNPs的分解溫度均在190 ℃左右，而PVA/Ag@MOF、PVA/H2PYDC的分解溫度則提高到220 ℃。Ag@MOF或H2PYDC的薄膜在300~400℃時(shí)比PVA和PVA/AgNPs的減重幅度大。但是,由于Ag@MOF的多孔性和聚合物基體與Ag@MOF之間的界面間隙阻礙了其分解,因此PVA/Ag@MOF薄膜在最后階段的質(zhì)量損失較低。隨著Ag@MOF濃度從0.1%增加到1.0%，PVA基體的熱穩(wěn)定性略有提高。復(fù)合材料的結(jié)晶度是影響熱穩(wěn)定性的主要因素，隨著結(jié)晶度的增加，需要更高的能量來(lái)分解薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。這也與XRD和SEM的結(jié)果一致。總的來(lái)說(shuō)，加入Ag@MOF或H2PYDC可以提高PVA基體的熱穩(wěn)定性。

2.6 阻水性能分析

薄膜的疏水性對(duì)其防污和過(guò)濾性能有重要影響[28]。圖7表明，PVA的接觸角為68.96°，而PVA/H2PYDC的接觸角下降到 47.25°，這是由于H2PYDC中羧基的親水性所致。加入AgNPs后，接觸角變大（76.18°）。PVA/Ag@MOF薄膜的接觸角隨著Ag@MOF含量的增加而增加（從PVA/0.1%Ag@MOF的 63.56°到 PVA/1.0% Ag@MOF的79.28°）。這是由于Ag@MOF納米顆粒相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu)和疏水性?？偟膩?lái)說(shuō)，與純PVA膜相比，加入Ag@MOF和AgNPs后，納米復(fù)合膜的疏水性得到了改善。因此，該復(fù)合膜可以應(yīng)用于高濕度的環(huán)境中，擴(kuò)大了食品包裝膜的應(yīng)用范圍[29]。

水蒸氣透過(guò)率（WVP）是保證食品包裝膜保鮮能力的重要參數(shù)[30]。根據(jù)包裝薄膜的需要，薄膜的水蒸氣透過(guò)率越低，水蒸氣進(jìn)入薄膜內(nèi)部的機(jī)會(huì)越少，薄膜的防腐效果越好。復(fù)合膜的WVP如圖7所示。與PVA膜相比，PVA/H2PYDC膜的WVP沒(méi)有明顯變化，PVA/AgNPs薄膜的 WVP最高。然而，當(dāng)Ag@MOF的濃度從0.1%增加到1.0%時(shí)， PVA/Ag@MOF膜WVP下降到42.68。Ag@MOF良好的疏水性以及PVA分子與Ag@MOF之間良好的相互作用，增強(qiáng)了分子結(jié)構(gòu)內(nèi)氫鍵的結(jié)合，減少了分子間的空隙，從而限制了水分子在薄膜中的遷移。食品包裝膜的WVP值較低，成功地阻礙了周圍環(huán)境與食品之間的水分轉(zhuǎn)移[28]。

圖7 復(fù)合膜的水接觸角和水蒸氣滲透率Fig.7 Water contact angles and water vapour permeability of polymer nanocomposites films

2.7 抗菌性能分析

食品包裝薄膜應(yīng)該具有良好的抗菌活性，以防止食品在短時(shí)間內(nèi)變質(zhì)[8]。對(duì)代表革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別進(jìn)行了抗菌活性測(cè)試。在盤狀擴(kuò)散試驗(yàn)中，抑制區(qū)的直徑與微生物對(duì)薄膜的敏感性有關(guān)[2]。PVA和PVA/H2PYDC未見抗菌活性，而PVA/AgNPs形成的抑制區(qū)直徑分別為12 mm（大腸桿菌）和13 mm（金黃色葡萄球菌）（圖8）。PVA/AgNPs中的 AgNPs能釋放Ag+強(qiáng)烈吸引細(xì)菌中的酶蛋白，并迅速結(jié)合在一起破壞細(xì)菌細(xì)胞膜。Ag+還可以形成活性氧（ROS），進(jìn)一步攻擊細(xì)菌細(xì)胞膜。與相同濃度的PVA/AgNPs相比，PVA/0.5%Ag@MOF薄膜對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌均有較高的抗菌活性，且隨著Ag@MOF加入PVA薄膜中濃度的增加，抑制區(qū)也隨之增大。由于Ag@MOF中的棒狀物較多，能穿透細(xì)菌細(xì)胞膜[17]，影響細(xì)菌細(xì)胞膜的完整性，此外Ag@MOF在細(xì)胞外的水環(huán)境中被分離，導(dǎo)致Ag@MOF成分的破壞，從而釋放出銀離子和有機(jī)配體。因此，Ag@MOF不僅具有AgNPs的抗菌性能，而且能使有機(jī)配體的官能團(tuán)與細(xì)胞的陽(yáng)離子形成鍵，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)菌的死亡。

2.8 細(xì)胞毒性分析

對(duì)于納米復(fù)合材料在食品包裝領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，細(xì)胞毒性是一個(gè)重要的安全參數(shù)[31]。通過(guò)CCK-8實(shí)驗(yàn)（圖9）評(píng)價(jià)了高分子納米復(fù)合材料薄膜對(duì)小鼠L929成纖維細(xì)胞的毒性。PVA和PVA/H2PYDC對(duì)細(xì)胞沒(méi)有任何負(fù)面影響，這與化合物在溶液中更穩(wěn)定，釋放的分子與L929細(xì)胞沒(méi)有相互作用有關(guān)。而PVA/AgNPs在介質(zhì)中溶解的濃度，導(dǎo)致細(xì)胞活力下降，這可能與Ag+的釋放有關(guān)[32]。 PVA/Ag@MOF膜在低濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活力輕度下降。在這種情況下，有毒分子的釋放可能是一個(gè)相當(dāng)小的數(shù)量，并作為一種能量來(lái)源，如碳，并允許細(xì)胞增殖。隨著有毒分子濃度的增加，大量的有毒分子會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞存活率進(jìn)一步下降。 據(jù)報(bào)道，復(fù)合膜對(duì)細(xì)胞存活能力大于70%的細(xì)胞系沒(méi)有細(xì)胞毒性作用。PVA/Ag@MOF的細(xì)胞毒性遠(yuǎn)低于PVA/AgNPs，且PVA/Ag@MOF對(duì)L929細(xì)胞表現(xiàn)出可耐受的細(xì)胞毒性，說(shuō)明PVA/Ag@MOF具有較高的劑量安全閾值和生物相容性。

圖9 PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF膜處理小鼠L929成纖維細(xì)胞的細(xì)胞活性Fig.9 Viability of Mouse L929 fibroblastic cells treated with increasing concentrations of PVA、PVA/H2PYDC、PVA/AgNPs和PVA/Ag@MOF films

3 結(jié)論

采用溶液澆鑄法成功合成了具有優(yōu)良抗菌性能的聚乙烯醇/Ag@MOF混合薄膜。根據(jù)納米復(fù)合膜的力學(xué)、熱學(xué)和抗菌性能，F(xiàn)T-IR和XRD結(jié)果表明，薄膜內(nèi)Ag@MOF結(jié)構(gòu)的完整性保持良好；掃描電鏡進(jìn)一步證實(shí)了Ag@MOF在PVA基體中分散均勻；WVP的降低和接觸角的增大表明PVA/Ag@MOF薄膜具有良好的阻水性能。加入Ag@MOF后，高分子納米復(fù)合膜的力學(xué)和熱學(xué)性能得到了很大的改善。此外，PVA/Ag@MOF膜具有較低的細(xì)胞毒性和較高的抗菌活性。因此，PVA/Ag@MOF混合薄膜被證明是一種很有應(yīng)用前景的食品包裝材料。