銀納米微粒接枝木纖維的制備及抗菌性能研究

馮曉燕， 陳 瑩， 王春鵬， 儲富祥

(中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042)

·研究報告——生物質(zhì)材料·

銀納米微粒接枝木纖維的制備及抗菌性能研究

馮曉燕， 陳 瑩*， 王春鵬， 儲富祥

(中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042)

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為穩(wěn)定劑和分散劑，硼氫化鈉為還原劑制備了聚乙烯吡咯烷酮-銀納米微粒(PVP-Ag NPs)，并將其通過硅烷偶聯(lián)劑接枝到木纖維上，得到了具有抗菌活性的木纖維。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉-紅外光譜(FT-IR)對PVP-Ag NPs接枝的木纖維進行了結(jié)構(gòu)形貌的表征，并且通過熱重分析儀(TG)分析其熱穩(wěn)定性能。結(jié)果表明，PVP-Ag NPs接枝木纖維的最佳反應條件是硅烷偶聯(lián)劑用量4%、偶合時間5 h及接枝時間10 h，此條件下得到PVP-Ag NPs接枝木纖維的接枝率為5.8%；PVP-Ag NPs接枝的木纖維對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌、蠟狀芽皰桿菌、革蘭氏陰性菌大腸埃希氏菌以及耐藥性細菌耐甲氧西林金黃色葡萄球菌這4種菌種的抑菌率均大于95%，此外，PVP-Ag NPs接枝到木纖維板上的抗菌效果也較好。

銀納米微粒；抗菌；木纖維板

木纖維是一種儲量豐富的天然高分子混合物，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，它具有價格低廉、密度低、比強度高、可生物降解等優(yōu)點，在汽車內(nèi)部裝飾件、室內(nèi)裝修材料、建筑結(jié)構(gòu)部件等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1-3]。然而木纖維具有大量不規(guī)則空隙，使其有較強的吸水性，并容易吸附細菌、真菌等微生物，從而限制了木纖維的應用。傳統(tǒng)的抗菌防腐劑如油類防腐劑[4-5]、油載防腐劑[6]和水載防腐劑[7-10]等雖然對抑制微生物的生長是有效的，但大部分都具有毒性，并且在使用過程中抗流失性較差，對人體健康和環(huán)境都有不利的影響[11-12]。因此，開發(fā)新型、低毒、高效的木纖維抗菌防腐劑成為近年來木材防腐的研究新熱點。將無機納米材料應用到木材抗菌防腐方面是其中的一個重要研究方向[13-15]。銀納米材料由于本身特有的物理化學特性和納米尺寸效應，在光學、電學、生物材料等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[16-17]。在抗菌方面，相關(guān)研究表明經(jīng)改性得到的水溶性銀納米材料具有抗菌廣譜性、安全無毒性及不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點[18-19],但將銀納米材料應用到板材抗菌方面的文獻報道較少。本研究以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為分散劑和穩(wěn)定劑，制備了PVP-銀納米微粒(PVP-Ag NPs)，并將其接枝到木纖維上，探討了工藝條件對接枝反應的影響并進一步研究了PVP-Ag NPs接枝的木纖維的抗菌性能，考察了經(jīng)PVP-Ag NPs表面處理的木纖維板的抗菌情況。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)、硝酸銀、三水合檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·3H2O)、硼氫化鈉、γ-巰丙基三甲氧基硅烷(MPTS)，均為分析純；木纖維、木纖維板為工業(yè)級；金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，CICC 10384)、蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus，CICC 10352)、大腸埃希氏菌(Escherichiacoli，CICC 10354)購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心；耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus，MRSA)由南京市鼓樓醫(yī)院提供；細菌培養(yǎng)基采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基和瓊脂培養(yǎng)基，使用前滅菌處理。

傅里葉-紅外光譜(FT-IR)Nicolet IS10；酶標儀ChroMat4300；掃描電子顯微鏡(SEM)S-3400N；熱重分析儀(TG)NETZSCH 209F；超凈工作臺SJ-CJ-1CQ；搖床/振蕩器THZ-320。

1.2 PVP-Ag NPs的制備

40 ℃及磁力攪拌條件下，12.5 mL硝酸銀溶液(2 mmol/L)與12.5 mL三水合檸檬酸鈉溶液(4 mmol/L)混合，10 min后，加入25 mL PVP溶液(2 g/L)，反應15 min左右，逐滴加入300 μL硼氫化鈉溶液(0.1 mol/L)，溶液顏色逐漸由無色變?yōu)槌赛S色，待顏色穩(wěn)定后，即得到PVP-Ag NPs溶液。

1.3 PVP-Ag NPs接枝木纖維的制備

MPTS與甲苯按照一定的體積比配制不同濃度的硅烷偶聯(lián)劑溶液各10 mL，分別加入2 g左右的木纖維，50 ℃恒溫偶合反應一定時間，無水乙醇洗滌，120 ℃烘干，然后分別浸入10 mL PVP-Ag NPs溶液中，50 ℃條件下接枝反應一定時間，二次蒸餾水洗滌并120 ℃烘干，稱其質(zhì)量，并按以下公式計算接枝率：

接枝率=(接枝后木纖維質(zhì)量-木纖維質(zhì)量)/木纖維質(zhì)量×100%

1.4 分析與測試

微觀形貌采用SEM表征，干燥后表面噴金備用；接枝后木纖維的結(jié)構(gòu)分析利用FT-IR進行表征，測試范圍為500～4000 cm-1；樣品的TG-DTG曲線由熱重分析儀分析，具體實驗條件如下：空氣流，升溫速度為10 K/min，溫度范圍為室溫到800 ℃。

1.5 PVP-Ag NPs接枝木纖維的抗菌實驗

配置新鮮測試菌(MRSA、S.aureus、B.cereus和E.coli)液各2 mL，調(diào)節(jié)其濃度為105CFU/mL，分別加入0.05 g左右的PVP-Ag NPs接枝的木纖維和未處理的木纖維，混合均勻后在37 ℃恒溫培養(yǎng)4 h，取出木纖維，洗脫細菌，并配一系列稀釋的菌液，分別取0.5 mL稀釋后的菌液均勻涂布到瓊脂板上，37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后數(shù)菌落。PVP-Ag NPs接枝的木纖維的抗菌活性用抑菌率(R)表示：

R=(B-A)/B×100%

式中： B—實驗組菌落數(shù)； A—對照組菌落數(shù)。

1.6 PVP-Ag NPs表面處理的木纖維板的抗菌實驗

將木纖維板裁成6 cm×6 cm大小，用體積分數(shù)為4%的MPTS甲苯溶液(2 mL)對其表面處理，120 ℃烘干，再經(jīng)過PVP-Ag NPs溶液(3 mL)處理，120 ℃烘干，待用。以未表面處理的木纖維板為對照組，將其與PVP-Ag NPs處理的木纖維板分別置于溫度為30 ℃的潮濕環(huán)境下，一段時間后，觀察木纖維板表面的細菌生長情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應原理

以PVP為穩(wěn)定劑和分散劑，制備了銀納米微粒(PVP-Ag NPs)[20]，并將其通過偶聯(lián)劑接枝到木纖維表面，具體接枝過程如圖1所示。首先，50 ℃條件下，將木纖維浸泡在硅烷偶聯(lián)劑的甲苯溶液中，硅烷偶聯(lián)劑上的硅氧烷基(—SiOCH3)與木纖維組分中的羥基(—OH)發(fā)生反應[21]，使偶聯(lián)劑接枝于木纖維表面；之后，將表面接枝硅氧偶聯(lián)劑的木纖維浸泡于PVP-Ag NPs溶液中，由于硅烷偶聯(lián)劑另一端為巰基(—SH)，能夠比較容易與溶液中的銀納米微粒結(jié)合[22]，經(jīng)過一定時間的反應后，制備得到具有抗菌活性的PVP-Ag NPs接枝的木纖維。

圖1 PVP-Ag NPs接枝的木纖維的制備示意圖

2.2 PVP-Ag NPs接枝木纖維的表征

2.2.2 SEM 利用掃描電子顯微鏡對PVP-Ag NPs接枝前后的木纖維的表面形貌進行表征，如圖 3所示，與未處理的木纖維相比，經(jīng)過 PVP-Ag NPs復合的木纖維表面比較粗糙，凹凸不平并有部分團簇現(xiàn)象，這是由于PVP-Ag NPs與木纖維發(fā)生了化學反應，導致木纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

圖2 PVP-Ag NPs接枝前后的

木纖維紅外光譜對比

Fig.2 FT-IR spectra of xylon before and after it was grafted with PVP-Ag NPs 圖3 PVP-Ag NPs處理前后木纖維的掃描電鏡對比圖

Fig.3 SEM images of xylon before and after it was grafted with PVP-Ag NPs

2.2.3 PVP-Ag NPs接枝木纖維的熱穩(wěn)定性 如圖4所示，木纖維的失重分為3個階段： 1)室溫至210 ℃，失重主要是由于木纖維中的吸附水蒸發(fā)，隨著溫度的升高，部分結(jié)晶水析出，失重率約為3.4%，木纖維失去水分后，在溫度升高到210 ℃的過程中，其質(zhì)量基本保持不變； 2)210～470 ℃，熱分解明顯加快，纖維素和半纖維素大部分分解，失重率約為90%； 3)470～800 ℃為第三階段，木纖維的質(zhì)量基本保持不變，接近800 ℃時的固體殘留率為2.25%。PVP-Ag NPs接枝后的木纖維與木纖維相比，開始熱解的溫度略微提前，但是熱解速率低于未處理的木纖維，最后的固體殘留率為10.75%，可能是接枝的銀納米微粒殘留使固體殘留量增加，表明經(jīng)PVP-AgNPs處理的木纖維的熱穩(wěn)定性基本未受接枝過程的影響。

圖4 PVP-Ag NPs接枝前后的木纖維的熱重圖

2.3 PVP-Ag NPs木纖維接枝的工藝條件

為了獲得最優(yōu)的制備工藝參數(shù)，分別研究了硅烷偶聯(lián)劑的用量、偶合時間及接枝時間等因素對接枝率的影響。首先，保持偶合時間與接枝時間不變，研究了MPTS的用量對PVP-Ag NPs接枝木纖維的接枝率的影響，實驗結(jié)果如圖5(a)所示。從圖中可以看出，隨著硅烷偶聯(lián)劑在甲苯溶液中體積比的增加，促使木纖維上的巰基增加，因此木纖維上接枝的PVP-Ag NPs也增加，當MPTS在甲苯溶液中的體積分數(shù)達到4%后，繼續(xù)增加硅烷偶聯(lián)劑的用量，木纖維上的PVP-Ag NPs接枝率無明顯增加。同樣方法考察了偶合時間和接枝時間對接枝率的影響結(jié)果，如圖5(b)和(c)所示。由此得到制備PVP-Ag NPs接枝木纖維的最佳實驗條件為：硅烷偶聯(lián)劑的用量為4%，偶合時間與接枝時間分別為5 和10 h，接枝率約為5.8%。

圖5 不同參量對PVP-Ag NPs復合木纖維接枝率的影響

2.4 PVP-Ag NPs接枝木纖維的抗菌實驗

為了探討PVP-Ag NPs接枝木纖維的抗菌效果，以耐藥性菌MRSA，革蘭氏陽性菌S.aureus、B.cereus和革蘭氏陰性菌E.coli為測試模型，研究了PVP-Ag NPs接枝木纖維對這4種菌的抗菌效果。如圖6所示，PVP-Ag NPs接枝的木纖維對實驗中的4種菌種，包括耐藥性細菌MRSA均有較好的抗菌效果。利用數(shù)菌落的方法，統(tǒng)計了PVP-Ag NPs接枝木纖維的抑菌率，PVP-Ag NPs接枝的木纖維對上述4種菌種的抑制率分別為95.9%、99.5%、99.0%和99.0%，都大于95%。由此可見， PVP-Ag NPs接枝的木纖維具有抗菌高效性和廣譜性。其可能的抗菌機理為：經(jīng)PVP-Ag NPs接枝的木纖維表面有大量的銀納米微粒存在，由于銀納米微粒具有較大的比表面積，容易接觸到細菌，在此過程中，銀納米微粒與細菌的細胞膜發(fā)生反應，并會滲透到細菌體內(nèi)，從而與細菌內(nèi)的酶蛋白反應，致使酶失活，并且銀納米微粒在細菌體內(nèi)也會釋放銀離子，導致細菌死亡[23-24]。

圖6 抗菌實驗對比圖

2.5 PVP-Ag NPs接枝的木纖維板的抗菌實驗

按1.6節(jié)處理方法將PVP-Ag NPs直接接枝到木纖維板表面，研究了PVP-Ag NPs對木纖維板的抗菌性能的影響。將未經(jīng)處理的與PVP-Ag NPs處理的木纖維板置于溫度為30 ℃的潮濕環(huán)境下4 d，實驗結(jié)果如圖 7所示。對比兩圖可以看出，4 d后未接枝的木纖維板多處長出菌落，而PVP-Ag NPs接枝的木纖維板表面幾乎沒有觀察到菌落。由此可見，PVP-Ag NPs表面接枝處理同樣能夠有效增強木纖維板的抗菌性能。

圖7 PVP-Ag NPs表面處理前后木纖維板的抗菌對比圖

3 結(jié) 論

3.1 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為穩(wěn)定劑和分散劑制備了聚乙烯吡咯烷酮-銀納米微粒(PVP-Ag NPs)并將其通過硅烷偶聯(lián)劑接枝到木纖維上。研究表明PVP-Ag NPs接枝木纖維的最佳實驗條件是硅烷偶聯(lián)劑用量為4%，偶合時間和接枝時間分別為5和10 h，接枝率約為5.8%。

3.2 PVP-Ag NPs接枝的木纖維對革蘭氏陽性菌S.aureus、B.cereus、革蘭氏陰性菌E.coli以及耐藥性細菌MRSA的抑菌率都大于95%，具有較好的抑菌效果；經(jīng)過PVP-Ag NPs表面處理的木纖維板具有較好的抗菌性能。

3.3 由于銀納米微粒接枝的木纖維抗菌效果較好并且不會產(chǎn)生二次污染，它的進一步研究可能會為木纖維的抗菌防腐問題提供新的解決方法。

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Preparation and Antibacterial Activity of Xylon Grafted with Ag Nanoparticles

FENG Xiao-yan, CHEN Ying, WANG Chun-peng, CHU Fu-xiang

(Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization;Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA;Key Lab. of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province, Nanjing 210042, China)

Polyvinylpyrrolidone-Ag nanoparticles (PVP-Ag NPs) were prepared with PVP as stabilizing and dispersing agent and sodium borohydride as reducing agent. Then the PVP-Ag NPs were grafted on xylon via the coupling effect of silane coupling agent to obtain the xylon with antibacterial activity. The structure and morphology as well as the thermal stability of PVP-Ag NPs grafted xylon were characterized by FT-IR, scanning electron microscope and thermal gravity analysis. The results indicated that the optimum reaction conditions of PVP-Ag NPs grafted on the xylon were the dosage of the coupling agent 4%, the coupling time 5 h and the grafting time 10 h. The grafting rate was about 5.8% under these conditions. The inhibitory rates of PVP-Ag NPs grafted xylon against gram-positiveStaphylococcusaureus,Bacilluscereus, gram-negativeEscherichiacoliandMethicillin-resistantStaphylococcusaureus(MRSA) were all more than 95%. Furthermore, the PVP-Ag NPs grafted on wood fiber board possessed excellent antibacterial activity.

Ag nanoparticles; antibacterial activity; wood fiber board

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.001

2015- 05- 15

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20131071)

馮曉燕(1987—),女,山東濰坊人，碩士生，主要從事抗菌材料的研究工作

*通訊作者：陳 瑩，碩士生導師，主要從事天然高分子納米材料的合成、表征和性能研究；E-mail:yingchencaf@gmail.com。

TQ351

A

1673-5854(2015)05- 0001- 06