張美玲，邵建皓，孫亞虎，郭凝廷，劉倩倩，蘇慧瑩，王 瑞，王占剛，鄭廣偉，莊旭品

·農業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

香蕉假莖制備抗菌敷料的性能分析

張美玲1，邵建皓1，孫亞虎1，郭凝廷1，劉倩倩1，蘇慧瑩1，王 瑞1，王占剛1，鄭廣偉2，莊旭品1※

（1. 天津工業(yè)大學，天津 300387；2. 河南邦維高科特種紡織品有限公司，鶴壁 456761）

為探究香蕉假莖制備為抗菌敷料的可行性，該研究以香蕉假莖為原料，提取香蕉纖維素，經超聲粉碎獲得香蕉納米纖維素。經冷凍干燥制成5種濃度的香蕉納米纖維素氣凝膠敷料，探討氣凝膠敷料的性能。結果表明，當香蕉納米纖維素懸浮液濃度為10 g/L時，所制備氣凝膠敷料的溶脹率為3 080%，保水率為1 590%，水蒸汽透過率為810 g/(m2·24 h)，有利于吸收傷口處的組織液和維持濕度平衡。在抗菌性的測試中，所制備的氣凝膠敷料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑制作用。研究表明香蕉假莖在生物醫(yī)學方面的應用具有潛力。

纖維；環(huán)境工程；納米；香蕉假莖；氣凝膠；醫(yī)用敷料

0 引 言

全球每年的香蕉產量約為1.2億t，在收獲香蕉的同時會產生大量的香蕉假莖。大多數(shù)香蕉假莖會被掩埋在土地中，自然腐爛或者直接粉碎還田。既浪費了自然資源，又易引起病菌傳播和環(huán)境污染[1-3]。因此，充分開發(fā)香蕉假莖，既能保護環(huán)境，又能增加蕉農收入，帶來更高的生態(tài)效益與經濟效益。

纖維素是世界上最豐富的天然聚合物之一,具有良好的生物相容性，近年來在醫(yī)用敷料方面的研究增多[4]。理想的傷口敷料應具有原料成本低、抗菌性穩(wěn)定、吸收多余的組織液和維持傷口處的濕度等特點[5]。Solway等[6]用微生物纖維素制備敷料治療糖尿病足潰瘍，治療后傷口面積減少了75%，但培養(yǎng)微生物的成本較高，不利于大范圍推廣[7]。Ng Shiow-Fern等[8]開發(fā)了一種含抗生素的羧甲基纖維制成凍干晶片，抗菌性能良好，但隨抗生素的釋放抗菌性逐漸降低，抗菌性不穩(wěn)定。Wutticharoenmongkol Patcharaporn等[9]采用靜電紡絲法制備了含有3,4,5-三羥基苯甲酸的醋酸纖維素敷料，該敷料對金黃色葡萄球菌有抑制作用，但其溶脹率最高為696%，對傷口組織液的吸收能力不足。

納米纖維素氣凝膠擁有低密度、高孔隙率和高表面積的特點，作為敷料在治療中可以吸收多余的組織液，維持傷口處的濕潤環(huán)境，加速傷口愈合[4,10]。Wang等[11]研究了添加銅離子的納米纖維素氣凝膠，溶脹率達2 000%，所得到的氣凝膠抑制了大腸桿菌的生長，但銅在抗菌的同時也會對細胞造成傷害[7]。Yuan等[12]在納米纖維素氣凝膠表面加入銀納米顆粒，溶脹率達1 185.87%，可抑制99.9%的被測微生物的生長。大多數(shù)研究者為了增加納米纖維素氣凝膠的抗菌性，加入抗菌物質。開發(fā)成本低、具有天然抗菌和良好生物相容性，吸收組織液的能力強，維持傷口濕度的敷料，成為急需解決的問題。

香蕉假莖的主要成分是纖維素，本研究從香蕉假莖中提取香蕉納米纖維素，制備氣凝膠敷料。充分利用香蕉纖維素的天然抗菌性和良好的生物相容性以及氣凝膠的吸附能力。通過香蕉假莖獲得香蕉原麻，經過粉碎、苯醇提取、漂白和堿煮處理得到香蕉纖維素，再經超聲得到香蕉納米纖維素，最后經冷凍干燥制備了不同香蕉納米纖維素濃度的氣凝膠。對香蕉原麻、香蕉纖維素和香蕉納米纖維素進行掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)、傅立葉變換紅外吸收光譜儀（Fourier Transformation Infrared Spectra，F(xiàn)TIR）、X射線衍射儀（X-RayDiffractometer，XRD）和熱重分析儀（Thermal Gravimetric Analyzer，TGA）測試，分析不同階段香蕉纖維的結構與成分。測試與分析氣凝膠敷料的機械性能、溶脹率、保水率、水蒸氣透過率、抗菌性等性能。本研究對保護環(huán)境及生物質廢棄物在生物醫(yī)學方面的再生利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香蕉假莖，購于烏干達；苯（C6H6）、乙醇（C2H6O）、亞氯酸鈉（NaClO2）和氫氧化鉀（KOH）均購于天津市開瑞斯精細化工有限公司；乙酸（CH3COOH）購于天津市瑞明威化工有限公司，以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JR-400AX高速多功能粉碎機,永康市云達機械設備廠；JY98-IIID超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，廣州科泰儀器設備有限公司；101-OEBS鼓風干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；JC-SSTQ2索氏提取器，青島精誠儀器儀表有限公司；SCIENTZ-30YG/A冷凍干燥機，寧波新芝凍干設備有限公司；Hitachi S4800掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司；Autosorb-iQ-C全自動物理化學分析儀，美國康塔公司；Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo公司；D8 DISCOVER X射線衍射儀，德國BRUKER公司；INSTRON萬能強力機，美國Instron公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 香蕉納米纖維素的制備

香蕉假莖經機械處理得到香蕉原麻；將香蕉原麻用粉碎機粉碎6 min，通過孔徑為0.25 mm的篩網(wǎng)得到原麻粉末；取10 g原麻粉末以濾紙包裹置于索氏提取器中，使用300 mL體積比為2∶1的苯/乙醇混合溶液進行提取，時間6 h，溫度為90 ℃；使用0.1 mol/L亞氯酸鈉溶液漂白原麻粉末，固液比為1：65（g/mL），滴入適量乙酸調節(jié)pH值為4，時間1 h，溫度為75 ℃，此過程重復6 次，目的是去除原麻粉末中的木質素；使用1.25 mol/L氫氧化鈉溶液去除半纖維素，固液比為1∶30（g/mL），時間2 h，溫度為90 ℃。將香蕉纖維素放入燒杯，加入適量蒸餾水，在磁力攪拌器中均勻攪拌1 h；在超聲波細胞粉碎機中進行超聲處理，功率設置為1 500 W，處理時間10 min，得到約2.1 g香蕉納米纖維素，制成率為21%。

1.3.2 氣凝膠敷料的制備

將香蕉納米纖維素均勻分散到蒸餾水中制成納米纖維素懸浮液，然后倒入模具，在?4 ℃冷凍12 h，再使用冷凍干燥機在?60 ℃冷凍干燥48 h得到香蕉納米纖維素氣凝膠。為探究香蕉納米纖維素的濃度對氣凝膠敷料性能的影響，制備5種不同香蕉納米纖維素濃度的香蕉納米纖維素懸浮液（濃度分別為2、4、6、8和10 g/L），經冷凍干燥制得氣凝膠分別命名為C2、C4、C6、C8和C10。制備流程如圖1所示。

1.3.3 纖維素的結構與成分測試

根據(jù)GB/T 5889-1986《苧麻化學成分定量分析方法》對香蕉原麻的成分進行測定。

使用SEM觀察香蕉原麻和香蕉纖維素的微觀結構和表面形態(tài)的變化，為提高導電性，對樣品噴金處理，隨后在10 kV測試電壓下觀察纖維。

使用TEM分析香蕉納米纖維素的微觀結構。配置香蕉納米纖維素懸浮液，濃度0.05 mg/mL，將一滴稀釋的懸浮液沉積在碳微網(wǎng)格上（孔徑為5m），待樣品干燥后進行觀察。使用NanoMeasurer軟件對圖像進行處理，測量纖維的直徑并繪制香蕉納米纖維素的直徑分布圖。

圖1 香蕉納米纖維素氣凝膠制備流程圖[13]

使用FTIR對香蕉原麻和香蕉納米纖維素的官能團進行分析：分別稱取2 mg香蕉原麻和香蕉納米纖維素，與100 mg的溴化鉀（KBr）晶體進行研磨使其混合均勻，然后壓片制樣進行測定。

使用XRD對香蕉原麻和香蕉納米纖維素微晶結構進行測定。采用X射線衍射分析并計算香蕉原麻與香蕉納米纖維素的結晶度，以判斷木質素、半纖維素在處理過程中是否被去除。使用在40 kV和20 mA下產生的CuK?輻射，掃描角度范圍為5°～45°，掃描速度為6°/min。樣品的結晶度（%）利用式（1）進行計算：

式中Cr為結晶度；002為樣品在（002）晶格衍射角的極大強度；I為衍射角2在18°時非結晶度區(qū)的衍射強度。

使用TGA對香蕉原麻和香蕉納米纖維素進行熱重分析，目的是測試香蕉原麻和香蕉納米纖維素在高溫下的降解過程。測試在N2氣氛下進行，分別取1.5 mg香蕉原麻和香蕉納米纖維素進行測定，溫度范圍25～800 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.3.4 氣凝膠的結構測試

使用SEM觀察氣凝膠的微觀結構，為提高導電性，對樣品噴金處理，隨后在10 kV測試電壓下觀察纖維。使用NanoMeasurer軟件對圖像進行處理，計算氣凝膠的平均孔隙直徑。

利用全自動物理化學分析儀（Automated Gas Sorption Analyzer）分析氣凝膠的吸附能力。在?196 ℃下，進行N2的吸附-脫附過程測試，脫氣溫度為100 ℃；脫氣時間為10 h。

記錄單位體積的氣凝膠初始質量為0(g)，將氣凝膠浸沒于無水乙醇中，待氣凝膠完全吸收無水乙醇后取出氣凝膠，擦除表面附著的無水乙醇，將其質量記作1(g)，樣品的孔隙率（%）利用式（2）進行計算：

式中為無水乙醇的密度，g/cm3；為樣品的體積，cm3。

1.3.5 氣凝膠的敷料性能測試

機械性能：采用萬能強力機測試5種不同濃度的香蕉納米纖維素氣凝膠的斷裂強度和斷裂伸長，樣品尺寸為20 mm × 10 mm × 10 mm，拉伸速率為10 mm/min。

溶脹率：記錄單位體積的氣凝膠初始質量為0(g)，然后浸入蒸餾水中，定時取出樣品，去除表面殘余的蒸餾水后，將其質量記作2(g)，樣品的溶脹率（%）利用式（3）進行計算：

保水率：記錄單位體積的氣凝膠初始質量為0(g)將單位體積的干燥樣品浸入蒸餾水，吸收至飽和狀態(tài)后放置干燥箱中，溫度設置為37 ℃（模擬人體的環(huán)境）。隨著氣凝膠中的水分蒸發(fā)重量減輕，每隔一段時間進行稱質量，記錄質量為3(g)。樣品的保水率（%）利用式（4）進行計算：

水蒸氣透過率：按照美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)給出的方法E96-00進行測定。取相同的6個玻璃瓶，記錄瓶口面積為(m2)，分別裝入相同質量的蒸餾水，將玻璃瓶與蒸餾水的初始質量記作4。將5種濃度的香蕉納米纖維素氣凝膠裁剪成相同厚度后分別密封在5個玻璃瓶的瓶口上，留一個玻璃瓶不作處理作為對照組。把6個玻璃瓶放入干燥器內，并在干燥器中倒入飽和硫酸銨溶液，一段時間后將玻璃瓶與剩余蒸餾水的質量記作5。樣品的水蒸氣透過率（%）利用式（5）進行計算：

抗菌性能：采用瓊脂平皿擴散法來評估香蕉納米纖維素氣凝膠對大腸桿菌（革蘭氏陰性菌）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性菌）的抗菌性能。細菌在配置好的營養(yǎng)液中生長，在37 ℃下培養(yǎng)24 h。隨后取菌液稀釋后放入培養(yǎng)皿中，將裁切好的氣凝膠放入培養(yǎng)皿中輕輕按壓使氣凝膠與培養(yǎng)基接觸，隨后在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后進行觀察。

2 結果與分析

2.1 纖維素的結構與成分分析

經測試，香蕉原麻的成分如下：纖維素含量45.30%± 0.63%；半纖維素含量22.22%±0.75%；木質素含量21.30%±0.50%；果膠含量2.78%±0.04%；水溶物含量6.50%±0.61%；蠟質含量1.90%±0.04%。纖維素占比最高，其次為半纖維素和木質素，其他物質占比相對較小。

圖2a、圖2b分別為香蕉原麻及香蕉纖維素的SEM圖。香蕉原麻表面粗糙，有橫向枝節(jié)，纖維排列不均勻。這是因為香蕉原麻中存在纖維素、半纖維素和木質素等成分，這些成分沿纖維軸方向包裹纖維素[14]，導致香蕉原麻表面凹凸不平。處理后香蕉纖維素表面光滑，可觀察到香蕉纖維素以纖維束的形式存在，纖維束結構緊湊，排列規(guī)整,無明顯雜質。香蕉原麻的平均直徑為135m，香蕉纖維素的平均直徑為40m，直徑的減小歸因于去除了木質素和半纖維素等無定形部分[15]。

觀察圖2c，香蕉纖維素經超聲分離為香蕉納米纖維素，由于氫鍵作用產生附著力，香蕉納米纖維素互相交纏形成網(wǎng)狀結構[15]。香蕉納米纖維素的直徑分布在20～80 nm，如圖2d，數(shù)據(jù)整體呈正態(tài)分布。82%的香蕉納米纖維素直徑分布在20～50 nm之間，直徑為30 nm的纖維占比較多，占總體的45%。

圖2 香蕉原麻和香蕉纖維素的微觀形貌

圖3a為香蕉原麻和香蕉納米纖維素的紅外光譜圖。香蕉原麻的主要成分為纖維素、木質素和半纖維素。纖維素的特征峰位于1 030和3 330 cm-1處，分別由纖維素分子中的O-H鍵和-(1,4)糖苷鍵、C-O-C伸縮振動導致；木質素的特征峰分布范圍在1 200～1 300 cm-1之間，對應于芳香族骨架振動。在1 605 cm-1附近出現(xiàn)的峰值，歸因于木質素中芳香環(huán)的C＝C的存在[16-17]；而1 740 cm-1的峰值是由于C＝O鍵的存在，這是木質素和半纖維素的特征峰。在香蕉納米纖維素的紅外光譜圖中，對應于木質素及半纖維素的特征峰消失，且沒有新的特征峰出現(xiàn)。由此可知，處理過程去除了香蕉原麻中的半纖維素和木質素等物質，得到了香蕉纖維素。

由于相鄰分子之間的氫鍵相互作用和范德華力，纖維素具有晶體結構。圖3b為香蕉原麻和香蕉納米纖維素的XRD圖，圖中的寬峰代表非晶體部分，窄峰對應于晶體部分[15]。在3種纖維的曲線中，衍射角2為16.2°、22.7°時都出現(xiàn)較強的吸收衍射峰，這是典型的Ⅰ型纖維素（101）晶面和（002）晶面，表明香蕉纖維是由Ⅰ型纖維素組成，且在處理后纖維素晶型保持不變，衍射峰變得更加明顯。香蕉原麻在衍射角為22.7°時表現(xiàn)出較平緩的衍射峰，說明香蕉原麻中存在非晶態(tài)木質纖維素。對比二者的結晶度，香蕉原麻結晶度為36.84%，而香蕉納米纖維素的結晶度達到了59.18%。與香蕉原麻相比，香蕉納米纖維素結晶度的增加歸因于半纖維素和木質素的去除。

圖3 香蕉納米纖維素與香蕉原麻的性能比較

香蕉原麻和香蕉納米纖維素的TG曲線如圖3c所示。由于纖維素、半纖維素和木質素的化學結構不同，它們通常在不同的溫度下分解。半纖維素在220 ℃時開始分解，過程持續(xù)到300 ℃，最大分解峰在268 ℃，木質素的分解發(fā)生于200～700 ℃。纖維素于310 ℃開始分解，并一直持續(xù)到400 ℃[18]。觀察TG曲線，在溫度達到100 ℃之前，2種纖維均有少量減重，這是由于纖維素中的水分蒸發(fā)以及低分子量化合物受熱分解導致的[16]。溫度上升至200～300 ℃時，TG曲線出現(xiàn)了明顯的差異。香蕉原麻減重明顯，在此區(qū)間主要是半纖維素發(fā)生分解[19]。在溫度為300～400 ℃的區(qū)域內，香蕉原麻和香蕉納米纖維素均有較大的減重，主要是由于纖維素的分解，同時也反應在圖3d的DTG曲線中。在此溫度區(qū)間，香蕉原麻降解速率低于香蕉納米纖維素，這反映了纖維素含量的差異。在加熱至400 ℃后，香蕉原麻的固體殘留多于納米纖維素，質量差約20%，主要歸因于半纖維素、木質素在高溫下不能完全分解所產生的固體殘留[20]。

綜上所述，香蕉原麻處理后去除了半纖維素和木質素等雜質，得到了香蕉纖維素。香蕉纖維素在超聲處理后由微米級轉化為納米級。

2.2 氣凝膠的結構分析

如圖4為5種香蕉納米纖維素濃度的氣凝膠的SEM圖。氣凝膠均具有三維多孔結構，因在冷凍過程中，香蕉納米纖維素懸浮液中的水迅速凍結形成冰晶，隨著冰晶升華，形成多孔的香蕉納米纖維素氣凝膠[21]。從圖中可以看出，隨著香蕉納米纖維素濃度的增加，5種氣凝膠的平均孔隙直徑分別為248.32、174.75、173.27、167.52和137.73m，孔隙直徑減少。同時由香蕉納米纖維素構成的片層數(shù)明顯增加。所有氣凝膠的孔隙率均在97%以上，如圖5a所示。隨著香蕉納米纖維素濃度的增加，密度由11 mg/cm3上升至17 mg/cm3?？紫堵手饾u下降，由99.64%下降至97.87%。由此可知，香蕉納米纖維素濃度的增加使氣凝膠的密度增加，孔隙直徑減少，片層數(shù)增加；孔隙率減小，氣凝膠密度上升，使孔隙結構更加密集[22]。

高比表面積是氣凝膠的一個重要特征，密集的孔隙大大提升了氣凝膠的比表面積，如圖5b所示為香蕉納米纖維素氣凝膠的N2吸附-脫附等溫線。圖中有明顯的滯后回線，根據(jù)IUPAC的分類規(guī)則制備的氣凝膠均為Ⅳ型，說明該氣凝膠有較高比表面積,且孔隙細小密集，有較好的吸附作用，利于對組織液的吸收。

注：C2、C4、C6、C8和C10代表不同香蕉納米纖維素濃度的懸浮液經冷凍干燥制得的氣凝膠（濃度分別為2、4、6、8和10 g/L）。下同。圖中圓圈標注為氣凝膠在制備過程中形成的孔隙。

2.3 氣凝膠敷料的性能分析

香蕉納米纖維素的含量對氣凝膠的力學性能有一定的影響，對香蕉納米纖維素氣凝膠的斷裂強度和斷裂伸長進行測試[23]。如圖6隨著香蕉納米纖維素濃度的增加，香蕉納米纖維素氣凝膠的斷裂強度有一個先上升后下降的過程，斷裂強度由4 kPa上升至24 kPa，斷裂強度大幅提升。這是由于纖維素密度增大，提高了氣凝膠的強度，同時纖維素分子鏈的運動受到限制，導致斷裂伸長下降[24]。隨著香蕉納米纖維素濃度的增加，氣凝膠敷料強度的提高有利于敷料對傷口的保護，利于加速傷口愈合。

圖5 不同濃度氣凝膠的物理性能

圖6 不同濃度氣凝膠的斷裂強度和斷裂伸長率

理想的敷料應能吸收傷口過量分泌的組織液并防止傷口處脫水[25]，具有一定溶脹率和保水率的敷料可以促進傷口的愈合[26]。如圖7a所示為氣凝膠敷料溶脹率曲線圖，目的是研究氣凝膠敷料對組織液的吸收能力。整體來看，氣凝膠敷料的溶脹率較高，均高于1 000%，這是因為纖維素中存在大量親水基團，會增加氣凝膠的親水性和表面積，從而提高了氣凝膠敷料的溶脹率[27]。香蕉納米纖維素的濃度對溶脹率的影響較為明顯，氣凝膠敷料C2的溶脹率為1 425%,而氣凝膠敷料C10的溶脹率達到了3 080%。說明隨著纖維素濃度的上升，所制備氣凝膠敷料的溶脹率不斷上升。纖維素濃度高的氣凝膠敷料能夠吸收更多組織液。

圖7b為氣凝膠敷料保水率曲線圖。氣凝膠敷料完全浸潤水分后放置于模擬人體的干燥環(huán)境內，隨著試驗時間的增加，氣凝膠敷料中的水分不斷蒸發(fā)，保水率不斷降低。試驗時間到達200 min后保水率趨于穩(wěn)定，香蕉納米纖維素濃度越高，所制備的氣凝膠敷料保水率更高。隨著香蕉納米纖維素濃度的升高，氣凝膠敷料的保水率由370%提升至1 590%。保水率的變化歸因于兩個方面，一方面纖維素具有良好的保水能力，香蕉納米纖維素濃度越高，氣凝膠敷料保水率也會相應提高；另一方面香蕉納米纖維素濃度上升，所制備的氣凝膠孔隙直徑減小，這會減少水分的流失[28]。纖維素濃度高的氣凝膠敷料可以更好的維持傷口處的濕度。

此外，理想的傷口敷料應具有適當?shù)乃魵馔高^率，以保持傷口處的濕度平衡，促進傷口愈合[29]。按敷料行業(yè)標準YY/T 1293.2-2016中對水蒸氣透過率的要求，敷料的水蒸氣透過率不小于800 g/(m2·24 h)。圖7c為氣凝膠敷料的水蒸氣透過率。隨著氣凝膠中香蕉納米纖維素濃度的上升，水蒸氣的透過率下降。經過24 h，氣凝膠敷料C10的水蒸汽透過率為810 g/m2，而氣凝膠敷料C2的水蒸汽透過率為1 354 g/m2。這是因為隨著香蕉納米纖維素濃度的增加，氣凝膠的密度增加，孔隙率降低，孔隙直徑減小，減少了透過氣凝膠敷料的水蒸氣。受傷皮膚的蒸發(fā)失水量為5 340 g/(m2·24 h)，在不超過受傷皮膚失水量的速度前提下，應盡量保持較小的水蒸氣透過率。較小的水蒸氣損失，能夠提供足夠的水分而不會造成傷口脫水的風險[30-31]。試驗結果說明香蕉納米纖維素濃度為10 g/L的氣凝膠敷料可以減少傷口處的水分蒸發(fā)，更利于傷口的愈合。

可以看出，纖維素本身具有較好的親水性，所制備的氣凝膠敷料可以快速吸收傷口產生的組織液，保持傷口處的濕潤環(huán)境，這對促進傷口的快速愈合有積極作用。

圖7 不同濃度氣凝膠敷料的性能

根據(jù)GBT 20944.1-2007中對抗菌效果的評判方法對氣凝膠敷料的抗菌性進行評定[32]。標準指出當樣品周圍出現(xiàn)抑菌帶，或者當樣品周圍無抑菌帶，但樣品下無細菌繁殖時可說明抑菌效果好。瓊脂平皿擴散法是一種衡量抗菌效果的常用方法，試驗選擇標準規(guī)定的大腸桿菌（革蘭氏陰性）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）作為模型細菌，這2種細菌在臨床中經常會導致傷口的感染，具有代表性[33]。不同纖維素濃度的氣凝膠敷料對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抗菌效果，如圖8所示，在培養(yǎng)大腸桿菌的培養(yǎng)皿中出現(xiàn)了明顯的抑菌帶，在培養(yǎng)金黃色葡萄球菌的培養(yǎng)皿中無抑菌帶，但在氣凝膠敷料下無細菌繁殖，說明氣凝膠敷料具備抗菌性，可以幫助傷口抵御細菌的感染[25,34]。

注：第1行為氣凝膠敷料對大腸桿菌的抗菌試驗結果，圖中出現(xiàn)明顯的抑菌圈。第2行為氣凝膠敷料對金黃色葡萄球菌的抗菌試驗結果，圖中無明顯抑菌圈。第3行為揭開第2行的氣凝膠敷料后，下方無金黃色葡萄球菌繁殖。

3 結 論

本文以香蕉假莖為原料提取香蕉納米纖維素，制備香蕉納米纖維素氣凝膠敷料，經研究得出以下結論：

1）香蕉原麻中纖維素質量約為45%，香蕉纖維素的提取過程去除了香蕉原麻中的半纖維素和木質素等成分，纖維直徑由135m減小到40m。超聲處理后香蕉納米纖維素直徑分布在20～80 nm之間，結晶度達到了59.18%，納米纖維素的制成率約為21%。

2）香蕉納米纖維素氣凝膠具有相互連接的三維網(wǎng)絡孔隙結構。隨著香蕉納米纖維素濃度的提高，氣凝膠密度增大，孔隙直徑下降，片層數(shù)增加，孔隙率上升且總體維持在97%以上。香蕉納米纖維素濃度為10 g/L的氣凝膠敷料孔隙結構更加完整，吸附能力最好。

3）香蕉納米纖維素的濃度對氣凝膠敷料的性能影響較明顯。香蕉納米纖維素濃度為10 g/L的氣凝膠敷料性能較好，溶脹率為3 080%，保水率為1 590%，水蒸汽透過率為810 g/(m2·24 h)。對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抗菌結果表明氣凝膠敷料具有抗菌性。

該研究有助于解決香蕉廢棄假莖及其他生物質廢棄物的污染問題，同時也對開發(fā)醫(yī)用傷口敷料提供了新的思路。

致謝：感謝天津工業(yè)大學分析測試中心提供的儀器設備。

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Performance analysis of the antibacterial wound dressing using banana pseudostem

Zhang Meiling1, Shao Jianhao1, Sun Yahu1, Guo Ningting1, Liu Qianqian1, Su Huiying1, Wang Rui1, Wang Zhangang1, Zheng Guangwei2, Zhuang Xupin1※

(1.,300387,; 2.,456761,)

More than 100 million tons of banana pseudostem can be produced in the world every year. A great challenge has been posed on the waste pollution of banana pseudostem. Conventional treatments (such as burying or burning) have wasted land resources or polluted the environment. New solutions are of great significance to protect the environment. The main component of banana pseudostem is cellulose, one of the most abundant natural polymers in wound dressings in recent years. Antibacterial dressings can be expected to prepare from the banana pseudostem for less waste pollution. The ideal wound dressing is characterized by its low cost, stable antibacterial properties, absorbing excess tissue fluid, and maintaining the humidity of the wound. Nanocellulose aerogel can be used as a dressing to accelerate wound healing, due to its low density, high porosity, and surface area. In this study, the banana nanocellulose was extracted from the banana pseudostem to prepare the aerogel dressing. The full utilization was realized on the natural antibacterial properties and excellent biocompatibility of banana cellulose, as well as the adsorption ability of aerogel. Banana cellulose was first fabricated by crushing, benzyl alcohol extraction, bleaching, and alkali treatment from raw banana fiber. The ultrasonication was then used to gain the banana nanocellulose. Finally, the aerogels with different banana nanocellulose concentrations were prepared by freeze-drying. The structure and composition were analyzed by the SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope), FTIR (Fourier Transformation Infrared Spectra), XRD (X-Ray Diffractometer), whereas, the TG was for the raw banana fiber, banana cellulose, and banana nanocellulose. The test was carried out to analyze the structure of the aerogel and the swelling rate, water retention rate, water vapor transmission rate, and antibacterial properties of the aerogel dressings. The results showed that the hemicellulose and lignin were removed from the raw banana fiber. The fiber diameter was reduced from 135 to 40m. The diameter of banana nanocellulose was distributed between 20-80 nm after the ultrasonic treatment, and the crystallinity reached 59.18%. The banana nanocellulose aerogel presented an interconnected three-dimensional network pore structure. The aerogel density increased, but the diameter of the pore decreased, and the porosity maintained above 97% overall, with the increase of banana nanocellulose concentration. Once the banana nanocellulose suspension concentration was 10 g/L, the swelling rate of the aerogel dressing was 3 080%, the water retention rate was 1 590%, and the water vapor transmission rate was 810 g/(m2·24 h), which was beneficial to absorb the tissue fluid and maintain the humidity of the wound. The antibacterial properties demonstrated that the inhibitory effects on the E. coli and S. aureus were achieved in the prepared aerogel dressing. The finding can provide a strong reference of banana pseudostem for the potential application in biomedicine.

fibers; environmental engineering; nano; banana pseudostem; aerogel; medical dressing

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.021

S563.9

A

1002-6819(2022)-21-0180-08

張美玲，邵建皓，孫亞虎，等. 香蕉假莖制備抗菌敷料的性能分析[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(21)：180-187.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.021 http://www.tcsae.org

Zhang Meiling, Shao Jianhao, Sun Yahu, et al. Performance analysis of the antibacterial wound dressing using banana pseudostem[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(21): 180-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.21.021 http://www.tcsae.org

2022-08-16

2022-09-25

天津市科技計劃項目（20YDTPJC01380）；企業(yè)委托項目（2019-1200-24-001150）

張美玲，博士，副教授，研究方向為香蕉納米纖維素的應用。Email：zhangmeiling@tiangong.edu.cn

莊旭品，博士，教授，研究方向為天然高分子材料。Email：zhxupin@tiangong.edu.cn