楊 堯， 程 偉， 余圓圓， 王 強(qiáng)， 王 平， 周 曼

(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)

棉織物廣泛應(yīng)用于服裝、家紡、抗菌敷料等。由于棉織物具有親水性，容易黏附皮膚新陳代謝的油脂、汗液等分泌物，并且纖維主要組分為纖維素，是微生物生存繁衍的溫床，導(dǎo)致細(xì)菌在織物上大量繁殖，從而危害人體健康[1]。

傳統(tǒng)的抗菌紡織品在使用一段時(shí)間后，死亡的微生物會在織物表面形成生物膜，阻礙抗菌劑和微生物接觸，導(dǎo)致紡織品抗菌性能逐漸減弱，并且生物膜會為后續(xù)細(xì)菌的黏附提供新的位點(diǎn)，進(jìn)一步降低了織物的抗菌效果[2-3]。針對死細(xì)菌黏附形成的生物膜會導(dǎo)致抗菌材料性能下降的問題，設(shè)計(jì)同時(shí)具有防細(xì)菌黏附和抑菌功能的材料是一種可行的方法[4]。親水性材料表面能夠減少微生物的非特異性吸附，因此，利用親水性物質(zhì)對材料表面改性是構(gòu)建防細(xì)菌黏附材料的主要方法之一。常用的親水性物質(zhì)有聚氨基酸、聚乙烯醇、兩性離子聚合物、聚乙二醇及其衍生物等[5]。兩性離子聚合物的聚合單體中同時(shí)含有正離子和負(fù)離子[6]，如甜菜堿類銨鹽。甜菜堿類兩性離子聚合物能夠與水發(fā)生強(qiáng)相互作用，將其修飾于材料表面，能夠在材料表面形成水化層[7-8]，從而阻隔細(xì)菌與材料表面接觸，或者在水環(huán)境中將材料表面黏附的活/死細(xì)菌釋放[9]。Yan等將兩性離子聚合物(PSBMA)與季銨鹽陽離子聚合物(PDMAEMA+)結(jié)合，制備了一種內(nèi)層殺菌、外層防細(xì)菌黏附的材料表面。在干態(tài)條件下，外層塌陷，內(nèi)層結(jié)合吸附細(xì)菌發(fā)揮殺菌功能；在濕態(tài)條件下，由于兩性離子聚合物的親水性，外層聚合物分子鏈從塌陷狀態(tài)切換到伸直狀態(tài)，并與水結(jié)合形成水化層，釋放表面黏附的活/死細(xì)菌，阻礙細(xì)菌黏附[10]。

本文研究采用光控葡萄糖氧化酶(GOx)體系引發(fā)乙烯基單體自由基共聚合反應(yīng)。在405 nm紫外光照射下，GOx氧化葡萄糖過程中輔酶因子黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)轉(zhuǎn)變成還原態(tài)的FADH-，進(jìn)一步變成還原性更強(qiáng)的激發(fā)態(tài)(FADH-)*，從而將電子轉(zhuǎn)移給乙烯基單體引發(fā)自由基聚合反應(yīng)[11]。選用含有乙烯基的3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)分別與含乙烯基陽離子單體甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)和含乙烯基兩性離子單體[2-(甲基丙烯?；趸?乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA)進(jìn)行共聚合反應(yīng)[12]，分別得到聚合單元中含有硅甲氧基的抗菌陽離子聚合物或防細(xì)菌黏附的兩性離子聚合物[13]。硅甲氧基在水解后生成硅羥基，可與棉纖維中的羥基交聯(lián)，也可發(fā)生自交聯(lián)，因此制備得到的聚合物能通過共價(jià)鍵整理到棉織物上，從而實(shí)現(xiàn)織物的抗菌和防細(xì)菌黏附改性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：3-(異丁酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%)、[2-(甲基丙烯?；趸?乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%)、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、葡萄糖氧化酶(GOx，酶活為100 U/mg)、溴乙烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)，購自阿拉丁試劑有限公司；D-無水葡萄糖(AR)、冰醋酸(HAc，AR)、三(羥甲基)氨基甲烷(Tris，AR)，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；SOTY 9/PI，購自賽默飛世爾科技(中國)有限公司；金黃色葡萄球菌(ATCC6538，S.aureus)、大腸桿菌(ATCC25992，E.coli)，購自南京樂診生物技術(shù)有限公司。

儀器：Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)，SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立株式會社)，Carl Zeiss LSM880高分辨率激光共聚焦顯微鏡(德國卡爾蔡司股份公司)，榮耀5050紫色LED燈(榮耀燈飾照明有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 防細(xì)菌黏附聚合物和抗菌聚合物的合成

向錐形瓶依次加入20 mL Tris-HAc緩沖溶液(0.2 mol/L，pH值為5.5)，0.5 mL葡萄糖溶液(0.016 2 g/mL)，0.75 g TMSPMA，一定量的SBMA或DMAEMA。將上述溶液進(jìn)行通氮?dú)饷摎馓幚?0 min，加入0.5 mL GOx溶液(0.003 6 g/mL)，放置于磁力攪拌器上低速攪拌，紫色LED燈光照射，室溫反應(yīng)8 h。按以上步驟，制備單體投料質(zhì)量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)分別為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4和m(TMSPMA)：m(SBMA)分別為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4的聚合產(chǎn)物P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)。

1.2.2 防細(xì)菌黏附和抗菌聚合物處理棉織物

將制備得到的20 mL聚合產(chǎn)物P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)溶液倒入燒杯，放入1 g棉織物。燒杯置于水浴鍋振蕩(30 ℃，120 r/min)處理1 h。處理結(jié)束，將織物平鋪于玻璃表面皿，在60 ℃烘箱烘干，150 ℃焙烘5 min，制備得到P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)單獨(dú)整理棉織物。經(jīng)單體投料質(zhì)量比m(TMSPMA)：m(SBMA)為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制備的防細(xì)菌黏附聚合物處理棉織物樣品分別編號為1#，2#，3#，4#；經(jīng)單體投料質(zhì)量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶1，2∶2，2∶3，2∶4制備的抗菌聚合物處理棉織物樣品分別編號為5#，6#，7#，8#。

將單體投料質(zhì)量比m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶3與m(TMSPMA)：m(SBMA)為2∶3制備得到的聚合物，按不同體積比(1∶2、1∶1和2∶1)混合至20 mL，與單獨(dú)整理工藝流程相同，制備得到P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物。對P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)體積比為1∶2,1∶1和2∶1處理棉織物分別編號為9#，10#，11#。

P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物需進(jìn)行季銨化處理，從而獲得抗菌功能。將整理后織物浸泡在含溴乙烷的乙腈溶液(體積分?jǐn)?shù)為20%)中，40 ℃過夜反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束，使用乙醇和去離子水清洗棉織物，去除各種殘留物，得到季銨化P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物。

1.3 測試方法

1.3.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

通過衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)對不同整理的棉織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1。

1.3.2 元素含量與分布測試

通過能量色散X射線能譜儀對不同織物樣品表面的C、N、O、S、Si元素含量及分布進(jìn)行測定。

1.3.3 形貌觀察

通過導(dǎo)電膠將不同棉織物固定在電鏡臺上，然后進(jìn)行噴金處理，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品表面形貌進(jìn)行觀察，掃描電壓為5 kV。

1.3.4 抗菌性能測試

瓊脂平皿擴(kuò)散法：在超凈臺上準(zhǔn)備無菌培養(yǎng)基，向培養(yǎng)皿中倒入約15 mL瓊脂培養(yǎng)基，待其凝凍備用。將不同織物裁成直徑為2.5 cm的圓片，置于超凈臺紫外光照射1 h。按照GB/T 20944.1—2007《紡織品 抗菌性能的評價(jià) 第1部分：瓊脂平皿擴(kuò)散法》制備接種菌懸液，將菌懸液用磷酸鹽緩沖液(PBS，pH值為7.2～7.4)稀釋1 000倍，移取1 mL菌液加入培養(yǎng)基，使用涂布棒刮涂均勻，隨后將不同織物樣品貼合在培養(yǎng)皿上，在37 ℃培養(yǎng)24 h，觀察培養(yǎng)基中織物周圍菌落生長情況并拍照。實(shí)驗(yàn)菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

振蕩法：按照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價(jià) 第3部分：振蕩法》對整理前后棉織物的抑菌率進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

1.3.5 防活細(xì)菌黏附率測試

按照GB/T 20944.3—2008制備接種菌懸液，將菌懸液用PBS溶液稀釋成活菌數(shù)為1×107CFU/mL待用。實(shí)驗(yàn)菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。裁剪2 cm×2 cm大小的不同織物，放入裝有20 mL菌液的試管中，在150 r/min，24 ℃條件下振蕩培養(yǎng)24 h。先用滅菌過的PBS溶液沖洗掉織物表面黏附不牢的細(xì)菌，接著將織物轉(zhuǎn)移到裝有10 mL PBS緩沖液的試管中，超聲波處理10 min，將織物表面牢固黏附的細(xì)菌洗脫至緩沖液中。采用10倍稀釋法將細(xì)菌洗脫液系列稀釋至不同濃度。取1 mL菌液均勻涂布于培養(yǎng)基表面，于37 ℃培養(yǎng)24 h，記錄培養(yǎng)基中菌落數(shù)并拍照[2]。防活細(xì)菌黏附率計(jì)算公式為

Z=(Q0-Q)/Q0×100%

式中：Z為整理織物的防活細(xì)菌黏附率，%；Q為整理織物上的黏附活細(xì)菌總數(shù)；Q0為未改性織物上的黏附活細(xì)菌總數(shù)。

1.3.6 織物表面活/死細(xì)菌數(shù)觀察

采用熒光染色法觀察織物表面活/死細(xì)菌。按照GB/T 20944.3—2008培養(yǎng)接種菌懸液，將制備的菌懸液加入200 mL滅菌PBS溶液。將2 cm×2 cm大小的不同織物放入上述溶液中，于24 ℃靜置培養(yǎng)24 h。先用滅菌過的PBS溶液將織物表面黏附不牢的細(xì)菌沖洗掉，接著將織物轉(zhuǎn)移到裝有10 mL PBS緩沖液的離心管中超聲波振蕩10 min?？椢锉砻骛じ降募?xì)菌脫落于溶液中。將載玻片置于無菌玻璃培養(yǎng)皿，取超聲波處理后的菌懸液300 μL于載玻片上均勻鋪展開，在無菌操作臺上風(fēng)干。將熒光染色劑PI和SOTY 9混合涂覆于載玻片上，錫紙避光著色15 min。蓋上潔凈蓋玻片，然后倒置于激光共聚焦顯微鏡下觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖1 未改性棉織物和不同整理棉織物的紅外光譜

2.2 元素含量分析

未改性和不同整理織物表面C、N、O、Si、S元素含量，結(jié)果如表1所示。未改性棉織物表面C、N、O、Si、S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46.41%，0.36%，51.98%，0.04%，1.21%。未改性棉織物中含有部分天然雜質(zhì)，另外前處理加工使用的部分化學(xué)助劑殘留在織物表面，使得織物表面測得微量N、Si、S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物4#表面N、Si、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提升至2.33%，0.60%，2.82%，這是因?yàn)門MSPMA結(jié)構(gòu)中含有Si，SBMA結(jié)構(gòu)中含有N，S。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#表面O質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至52.47%，較未改性棉織物N增加至0.54%，S降低至0.79%，這是因?yàn)镈MAEMA分子結(jié)構(gòu)中含有N，并不含有S元素。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物10#較未改性棉織物的Si、S和N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高0.56%、1.64%和2.08%。

表1 不同棉織物表面各元素含量占比

2.3 形貌分析

通過掃描電子顯微鏡觀察未改性棉織物、P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物4#與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#的表面形貌，結(jié)果如圖2所示。未改性棉織物表面相對粗糙，具有棉纖維天然溝壑;經(jīng)過P(TMSPMA-co-SBMA)整理改性織物中棉纖維表面溝壑基本消失，并有1層膜狀物覆蓋；P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理改性織物，表面光滑，且纖維表面溝壑消失。

圖2 不同棉織物的SEM照片(×3 000)

2.4 織物抗菌性能分析

圖3為TMSPMA與SBMA或DMAEMA按不同投料比制備得到的P(TMSPMA-co-SBMA)或P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物對S.aureus、E.coli的抑菌圈測試圖?？梢钥闯?，整理織物均無明顯的抑菌圈出現(xiàn)。這是因?yàn)镻(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)通過分子結(jié)構(gòu)中的硅烷水解產(chǎn)生的硅羥基與棉纖維上的羥基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使得P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)與棉織物之間牢固結(jié)合，抗菌劑不會釋放到周圍環(huán)境中，因此不會出現(xiàn)抑菌圈。

注：3#、4#為防細(xì)菌黏附整理棉織物；5#，6#，7#，8#為抗菌整理棉織物。

表2示出TMSPMA與SBMA或DMAEMA按不同投料比制備得到的P(TMSPMA-co-DMAEMA)或P(TMSPMA-co-SBMA)單獨(dú)整理棉織物對S.aureus和E.coli的抑菌率。經(jīng)P(TMSPMA-co-SBMA)整理后的織物對S.aureus和E.coli均具有抑菌作用，抑菌率在85%～90%之間。本實(shí)驗(yàn)采用振蕩燒瓶法測試織物抗菌性，織物與菌液接觸一定時(shí)間，以溶液中的細(xì)菌濃度表征織物的抗菌效果。經(jīng)P(TMSPMA-co-SBMA)整理的織物表面帶有大量兩性離子基團(tuán)，當(dāng)織物在溶液中時(shí)，會在織物表面形成水化層，從而阻礙細(xì)菌與織物接觸，使細(xì)菌無法以織物為營養(yǎng)源而大量繁殖。另外，也有文獻(xiàn)表明聚兩性離子化合物具有一定的抗菌性能[14]。經(jīng)P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理后的織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有很強(qiáng)的抑菌作用，抑菌率達(dá)到99%以上。這是由于P(TMSPMA-co-DMAEMA)中含有大量陽離子基團(tuán)，具有很強(qiáng)的抑菌作用。

表2 不同改性織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌抑菌率

2.5 織物防活細(xì)菌黏附性能

表3示出P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的防活細(xì)菌黏附率。該方法表征織物表面黏附的活細(xì)菌量。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物具有很強(qiáng)的抑菌作用，織物表面活菌數(shù)量很少，所以改性織物的防活細(xì)菌黏附率達(dá)90%以上，但是該結(jié)果無法反映織物表面的死細(xì)菌量。P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物的防活細(xì)菌黏附率隨著單體SBMA投料比的增加而提高，最高能達(dá)到97%以上。P(TMSPMA-co-SBMA)的抑菌能力相對較弱，但是其整理棉織物的防活細(xì)菌黏附率卻很高。這是因?yàn)镾BMA化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有兩性離子基團(tuán)，在溶液環(huán)境下，該基團(tuán)與水分子結(jié)合，在織物表面形成水化層，阻礙溶液中細(xì)菌黏附到織物上，并能夠?qū)⒖椢锉砻嬉佯じ降幕?死細(xì)菌釋放到溶液中。SBMA用量增加，使聚合物中兩性離子基團(tuán)數(shù)量增加，有利于織物表面水化層的形成，織物防活細(xì)菌黏附率提高。

表3 不同棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的防活細(xì)菌黏附率

2.6 織物抗菌防細(xì)菌黏附性能

由P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)單獨(dú)整理織物的防活細(xì)菌黏附結(jié)果可知，聚合反應(yīng)時(shí)控制m(TMSPMA)：m(SBMA)和m(TMSPMA)：m(DMAEMA)為2∶3，制備得到的聚合物整理織物具有較高的防活細(xì)菌黏附率和抑菌率。采用此投料比制備的P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物，對改性織物的防活細(xì)菌黏附率和抑菌率進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。

表4 不同棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的防活菌黏附率和抑菌率

用P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物的抑菌率基本達(dá)到99%。當(dāng)P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)用量不同時(shí)，共同整理后織物的防活細(xì)菌黏附率不同。P(TMSPMA-co-SBMA)與P(TMSPMA-co-DMAEMA)體積比分別為1∶2、1∶1和2∶1時(shí)，整理后織物對金黃色葡萄球菌的防活細(xì)菌黏附率分別為33.67%，41.70%和81.90%；對大腸桿菌的防活細(xì)菌黏附率分別為44.67%，68.18%和81.06%。可以看出，隨著P(TMSPMA-co-SBMA)用量的增加，整理織物的抗活細(xì)菌黏附性能提升。

2.7 改性棉織物表面細(xì)菌黏附情況

利用激光共聚焦顯微鏡觀察從織物表面洗脫下的活/死細(xì)菌，結(jié)果如圖4所示。圖中綠色為活細(xì)菌，紅色和黃色為死細(xì)菌?？梢钥闯?，未整理棉織物表面洗脫下大量的活菌，并且死細(xì)菌數(shù)量很少。P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#洗脫菌液中觀察到大量死細(xì)菌，這與P(TMSPMA-co-DMAEMA)具有抑菌作用一致。P(TMSPMA-co-SBMA)整理織物4#洗脫下的主要還是活細(xì)菌，但與未整理棉織物相比，活細(xì)菌的數(shù)量明顯減少；與P(TMSPMA-co-DMAEMA)整理棉織物8#相比，死細(xì)菌數(shù)量減少。結(jié)果表明，P(TMSPMA-co-SBMA)整理織物4#具有防活/死細(xì)菌黏附性能。P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物11#洗脫液中僅觀察到少量死/活細(xì)菌，表明織物既具有抑菌性能，又具有很好的防死/活細(xì)菌黏附性能。

圖4 不同織物表面金黃色葡萄球菌和大腸桿菌熒光染色圖

3 結(jié) 論

本文利用光控葡萄糖氧化酶(Gox)體系合成3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)抗菌共聚物P(TMSPMA-co-DMAEME)與3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPMA)和[2-(甲基丙烯?；趸?乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(SBMA)防細(xì)菌黏附聚合物P(TMSPMA-co-SBMA)，并將2種聚合物整理到棉織物上，得到以下主要結(jié)論。

1)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率達(dá)99%以上；P(TMSPMA-co-SBMA)整理棉織物的防活細(xì)菌黏附率最高能達(dá)到97%以上。

2)P(TMSPMA-co-DMAEME)整理棉織物不具有防死細(xì)菌黏附功能，與菌液接觸后，織物表面牢固黏附大量死細(xì)菌。經(jīng)P(TMSPMA-co-SBMA)和P(TMSPMA-co-DMAEMA)共同整理棉織物既具有優(yōu)異的抗菌功能，又具有良好的防死/活細(xì)菌黏附性能。

3)抗菌防細(xì)菌黏附功能棉織物有效阻礙死/活細(xì)菌在紡織品表面牢固黏附，提高織物的抗菌性和耐久性，在鞋襪，安全衛(wèi)生和野外活動等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。