加載納米麥飯石再生絲素蛋白材料的遠紅外升溫與抗菌性能研究

王建南, 楊高強, 裔洪根, 殷 音

(蘇州大學a.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室; b.紡織與服裝工程學院; c.實驗動物中心,江蘇 蘇州 215123)

研究與技術(shù)

加載納米麥飯石再生絲素蛋白材料的遠紅外升溫與抗菌性能研究

王建南a,b, 楊高強b, 裔洪根a, 殷 音c

(蘇州大學a.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室; b.紡織與服裝工程學院; c.實驗動物中心,江蘇 蘇州 215123)

基于麥飯石的功能,研究加載納米麥飯石的再生絲素蛋白多孔材料的遠紅外升溫與抗菌性能。研究結(jié)果表明:加載納米麥飯石的多孔材料的升溫速率均高于純絲素多孔材料,尤以短時間升溫速率更顯著。在遠紅外燈光照射5 min時,加載10%納米麥飯石多孔材料的升溫速率比純多孔材料的升溫速率提高1倍以上,當多孔材料的溫度不再變時,純多孔材料和加載10%納米麥飯石多孔材料的升溫率分別為55.78%和83.41%。加載納米麥飯石的多孔材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌性能,抑菌率分別為95%和98%左右。

絲素; 納米麥飯石; 多孔材料; 遠紅外升溫速率; 抗菌性能

紅外技術(shù)的迅速發(fā)展,使高輻射率材料的研究越來越受到關(guān)注。具有遠紅外性能的保健產(chǎn)品也受到了消費者的青睞,并已經(jīng)在醫(yī)療及一些生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域[1-2]及在纖維與紡織品領(lǐng)域也正在進行著廣泛的研究,并已取得了重要的進展[3-6]。

麥飯石是一種礦石,呈現(xiàn)出多孔狀和海綿狀結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的生物活性和吸附性能,對細菌具有很好的吸附性從而抑制細菌的活性。麥飯石含有微量的抗菌性鋅,能以離子鍵結(jié)合鎂和鉀等金屬及其鹽類,對人體具有保健功能[7]。麥飯石具有遠紅外線發(fā)射功能,能夠發(fā)射出8～15 μm的遠紅外波長,在人體所能吸收的遠紅外線波段內(nèi),發(fā)射率高,從而顯示出良好的遠紅外性能[8]?；邴滐埵目咕院瓦h紅外功能,已經(jīng)應(yīng)用于紡織品功能的開發(fā),如麥飯石纖維、麥飯石改性黏膠纖維及其織物等[9-11],麥飯石黏膠纖維織物的遠紅外線波段發(fā)射率達80%,而純棉織物為75%[10]。研究指出聚丙烯-麥飯石功能纖維的抗菌率在90%以上,而且水洗50次后抗菌率基本不變,具有很好的吸附和抑菌作用[12]。

本文主要研究一種加載納米麥飯石再生絲素蛋白多孔材料的遠紅外升溫性能，及其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。

1 試 驗

1.1 材料與儀器

材料:生絲(44.4/48.9 dtex,如皋春秋絲綢有限公司),麥飯石粉末(上海滬正納米科技有限公司),透析袋(截留相對分子質(zhì)量12～14 kDa,上海西巴斯生物技術(shù)有限公司),金黃色葡萄球菌、大腸桿菌(廣東環(huán)凱微生物科技有限公司),蛋白胨、酵母抽提物(寶生物工程有限公司),瓊脂粉(國藥集團化學試劑蘇州有限公司)。

儀器:Marin Christ RC6冷凍干燥機(德國Marin Christ 公司),MO7-492低溫冰箱(日本三洋電器集團),遠紅外燈(廣東佛山飛利浦有限公司),SW-CJ-1FD超凈工作臺(蘇州凈化設(shè)備有限公司),LRH-250A生化培養(yǎng)箱(韶關(guān)泰宏醫(yī)療器械有限公司)。

1.2 制備及測定

1.2.1 再生絲素蛋白溶液的制備

將生絲以1︰50(w︰v)的浴比于Na2CO3水溶液中脫膠處理,重復(fù)3次,前兩次Na2CO3質(zhì)量分數(shù)為0.1%,第三次為0.06%。脫膠后的絲素以1︰10(w︰v)的浴比溶解于三元溶液CaCl2·CH3CH2OH·H2O(摩爾比1︰2︰8),(72±2)℃水浴攪拌使其完全溶解。將溶液裝入透析袋置于去離子水中4 ℃透析3 d,得再生絲素蛋白水溶液。最后濃縮、稱重法測定絲素蛋白溶液濃度。

1.2.2 絲素多孔材料制備

將4 g麥飯石粉末放入46 mL的水中,連續(xù)攪拌均勻配制8%的納米麥飯石懸液,以絲素蛋白與麥飯石以50︰0、49︰1、48︰2、47︰3、46︰4和45︰5的質(zhì)量比加入納米麥飯石懸液,連續(xù)攪拌、均勻混合,再加入絲素質(zhì)量30%的甘油攪拌均勻。量取10 mL混合溶液移入直徑9 cm的培養(yǎng)皿中,去除表面液泡,快速放入-80 ℃冰箱中預(yù)凍2 h,取出后冷凍干燥獲得絲素多孔材料。多孔材料用去離子水浸泡3 d,再凍干備用。

1.2.3 抗菌性能測定

挑取凍存的菌種(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌)在瓊脂營養(yǎng)基(質(zhì)量比蛋白胨︰酵母抽提物︰氯化鈉︰瓊脂粉為2︰1︰1︰3,滅菌)平皿上劃線、37 ℃培養(yǎng)24 h,挑單菌落放入200 mL營養(yǎng)基中37 ℃振蕩培養(yǎng)24 h,獲得菌液濃度為1×109～5×109CUF/mL。

分別在裝有絲素多孔材料的三角燒瓶中加入75 mL濃度1×104～9×104CUF/mL的菌懸液,37 ℃振蕩培養(yǎng)24 h。然后取1 mL菌液1︰10稀釋于9 mL PBS緩沖液(2.84 gNa2HPO4,1.36 g K2HPO4,用去離子水定容至1 000 mL配制而成),同樣的方法配成1︰100的稀釋液和1︰1 000的稀釋液。取未稀釋和1 000倍稀釋菌液各1 mL,加入15 mL新鮮的瓊脂營養(yǎng)基混合均勻后,37 ℃靜置培養(yǎng)(48±2)h,取出,計算菌落總數(shù)。試驗重復(fù)3次,取平均值。

1.2.4 遠紅外升溫性能測定

將樣品放在起始溫度為25 ℃,相對濕度為60%的溫室中,距離樣品20 cm,用遠紅外燈(4～1 000 μm)照射,記錄照射0(起始溫度)、5、10、15、20、60、100 min時多孔材料的溫度,計算升溫速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 遠紅外升溫性能分析

圖1是不同納米麥飯石含量的絲素多孔材料的遠紅外升溫曲線。在遠紅外線的照射下,加載納米麥飯石的多孔材料的升溫速率明顯高于未改性的純(未加載麥飯石)絲素多孔材料,并隨著麥飯石濃度的增加,升溫速率持續(xù)提高。尤其在10 min內(nèi),共混多孔材料的升溫速率明顯高于純絲素多孔材料,隨后溫度均呈緩慢升高。

在遠紅外燈光照射5 min時,純絲素多孔材料的升溫率為30%左右,加載2%的納米麥飯石以后,絲素多孔材料的升溫速率提高約1.5個百分點,而加載10%麥飯石的多孔材料的升溫速率提高1倍以上,達63%左右。隨著照射時間的延長,絲素多孔材料的升溫率逐漸增加,但增加幅度減緩,當照射60 min開始趨于穩(wěn)定,隨著加載麥飯石濃度的遞增,升溫率分別為54.98%、55.61%、59.12%和81.75%;在100 min后,各種多孔材料的溫度基本不再改變,最終升溫率分別為55.78%、55.89%、60.95%和83.41%。

圖1 不同納米麥飯石含量的絲素多孔材料的遠紅外升溫性能Fig.1 Far infrared heating of silk blend porous materials containing different contents of nanometer maifan stones

從圖1可以明顯看出,加載納米麥飯石的絲素多孔材料的升溫速率尤其是短時間升溫速率明顯快于純絲素多孔材料,說明納米麥飯石可以顯著地改善絲素蛋白材料的遠紅外性能。

2.2 抗菌性能分析

2.2.1 對大腸桿菌的抗菌能力

本文主要分析了純絲素多孔材料和加載納米麥飯石多孔材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌能力。圖2是多孔材料抗大腸桿菌試驗后的平皿照片。由圖2可以看出,在稀釋相同的倍數(shù)下,加載納米麥飯石的絲素多孔材料的培養(yǎng)皿上,菌落數(shù)均比純絲素多孔材料的明顯少得多,并隨著添加麥飯石含量的增加,瓊脂培養(yǎng)皿上的菌落數(shù)逐漸減少。

A:0;B:2%;C:4%;D:6%;E:8%;1:未稀釋的菌液;2:稀釋1 000倍的菌液圖2 不同納米麥飯石含量的絲素多孔材料抗大腸桿菌照片F(xiàn)ig.2 Photographs of antibacterial property of silk blend porous materials containing different contents of nanometer maifan stones (Escherichia coli)

圖3是采集稀釋1 000倍的平皿菌落數(shù)及計算所得對大腸桿菌的抑菌率。圖3顯示,當添加含納米麥飯石為2%的絲素多孔材料的抑菌率已經(jīng)達到90%以上,隨著添加麥飯石含量的遞增,抑菌率逐漸增加。當納米麥飯石含量為8%時,絲素多孔材料對大腸桿菌的抑菌率達95%左右。

圖3 加載納米麥飯石絲素多孔材料對大腸桿菌的抑菌能力Fig.3 Antibacterial ability of silk blend porous materialscontaining nanometer maifan stones (Escherichia coli)

2.2.2 對金黃色葡萄球菌的抗菌能力

圖4是多孔材料抗金黃色葡萄球菌試驗后的平皿照片。由圖4可知,與純絲素多孔材料對照樣比較,加載納米麥飯石的絲素多孔材料的瓊脂培養(yǎng)皿中,金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)明顯減少,并同樣隨著納米麥飯石比例的增加而逐漸減少。

A:0;B:2%;C:4%;D:6%;E:8%;1:未稀釋的菌液;2:稀釋1 000倍的菌液圖4 不同納米麥飯石含量的絲素多孔材料抗金黃色葡萄球菌照片F(xiàn)ig.4 Photographs of antibacterial property of silk blend porous materials containing different contents of nanometermaifan stones (Staphylococcus aureus)

圖5是采集稀釋1 000倍的平皿菌落數(shù)及對金黃色葡萄球菌的抑菌率。圖5顯示,抗菌絲素多孔材料中加載的納米麥飯石含量從2%遞增到8%,抑菌率連續(xù)提高。當添加的納米麥飯石僅為2%時,絲素多孔材料的抑菌率已超過90%;當納米麥飯石含量大于4%時,多孔材料對金黃色葡萄球菌的抑菌率達到95%以上;含量為8%時,抑菌率達98%左右。

圖5 加載納米麥飯石絲素多孔材料對金黃色葡萄球菌的抑菌能力Fig.5 Antibacterial ability of silk blend porous materials containing nanometer maifan stones (Staphylococcus aureus)

3 結(jié) 論

研究了加載納米麥飯石的絲素多孔材料的遠紅外升溫性能和抗菌性能,研究結(jié)果顯示,納米麥飯石能顯著提高絲素多孔材料的升溫速度,尤其是短時間(10 min)升溫速率顯著高于純絲素多孔材料,穩(wěn)定后的最終升溫率也明顯提高。加載納米麥飯石的絲素多孔材料對大腸桿菌的抑菌率達95%左右,對金黃色葡萄球菌的抑菌率約為98%。結(jié)果表明,加載納米麥飯石的絲素多孔材料具有更好的保溫性能和抗菌性能。

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Study on the Far Infrared Heating and Antibacterial Properties of Regenerated Silk Fibroin Materials Loaded Nanometer Maifan Stone

WANG Jiannana,b, YANG Gaoqiangb, YI Honggena, YIN Yinc

(a.National Engineering Laboratory for Modern Silk; b.College of Textile and Clothing Engineering;c. Laboratory Animal Research Center, Soochow University, Suzhou 215123, China)

Based on the functions of maifan stone, this paper studied the far infrared heating and antibacterial property of regenerated silk fibroin porous materials loading nanometer maifan stone. The experimental results showed that: the heating rates of silk fibroin porous materials with nanometer maifan stone were all higher than that without maifan stone, especially the short time heating rate. After irradiation for 5 min, the heating rate of porous material with 10% nanometer maifan stone increased more than one times than pure porous material. The final heating rates of pure porous material and 10% nanometer maifan stone loaded porous material were 55.78% and 83.41%, respectively. The antibacterial properties onEscherichiacoliandStaphylococcusaureusof nanometer maifan stone loaded silk fibroin porous materials were better than those with no nanometer maifan stone, which were about 95% and 98%.

silk fibroin; nanometer maifan stone; porous materials; far infrared heating rate; antibacterial property

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.04.001

2014-09-30;

2014-12-25

國家自然科學基金項目(51173125,51473108);蘇州市科技發(fā)展計劃項目(ZXS2012002,SS201415)

王建南(1970-),教授,主要從事功能蠶絲材料的研究。

TS143.2

A

1001-7003(2015)04-0001-04 引用頁碼: 041101