解 冰, 夏 凱, 趙春毛, 李 潔
(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030051)
抑制細(xì)菌的黏附及滋生一直是工業(yè)、 食品、 醫(yī)療等領(lǐng)域的一大研究難點(diǎn). 細(xì)菌在產(chǎn)品上的滋生不僅對(duì)人體健康安全造成潛在隱患, 也會(huì)加速產(chǎn)品的老化速率, 對(duì)產(chǎn)品的使用性能造成不利的影響[1-2]. 為此, 業(yè)界通過(guò)添加抗菌劑、 涂覆抗菌涂層、 使用抗菌材料為產(chǎn)品引入抗菌性能, 其中, 抗菌涂層因成本低廉、 制備工藝簡(jiǎn)便、 性能多樣化等優(yōu)點(diǎn)而成為了業(yè)界研究的熱點(diǎn)[3]. 最近, 抗菌涂層的研究焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了環(huán)境友好、 生物親和的生物高分子材料上, 如溶菌酶、 殼聚糖及其衍生物等[4-5]. 其中, 殼聚糖因其綠色環(huán)保、 低成本和高抗菌性等優(yōu)點(diǎn)在抗菌涂層應(yīng)用中具有巨大的潛力.
殼聚糖是幾丁質(zhì)通過(guò)脫乙?;磻?yīng)得到的一種堿性多糖, 主要從甲殼內(nèi)動(dòng)、 植物的外殼中提取, 屬于可再生資源[6]. 因其具有生物親和性、 生物可降解性和抗菌性, 目前已有大量關(guān)于殼聚糖的研究, 如Yang等[7]用對(duì)苯二甲醛作為交聯(lián)劑與殼聚糖反應(yīng), 制得了具有酸誘導(dǎo)溶解性的交聯(lián)殼聚糖水凝膠, 并將其作為藥物緩釋載體應(yīng)用在制藥領(lǐng)域. 研究者們利用殼聚糖多羥基、 氨基的特性, 通過(guò)化學(xué)改性制備出了多種殼聚糖的衍生物以改善殼聚糖各方面性能, 例如殼聚糖季銨鹽、 羧甲基化殼聚糖和磺化殼聚糖等[8-10]. 其中, 殼聚糖季銨鹽(HTCC)不僅保持了殼聚糖自身的優(yōu)異特性, 同時(shí)具有水溶性, 對(duì)多種臨床致病菌如大腸桿菌、 金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌等都表現(xiàn)出出色的抗菌活性[11].
HTCC豐富的特性使其在水處理和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力, 但直接將其作為抗菌涂層涂覆在基體的表面, 涂層在潮濕環(huán)境中的使用穩(wěn)定性較差, 使用壽命短. 因此, 將HTCC應(yīng)用在抗菌涂層前, 需要對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)改性以提高水穩(wěn)定性. 根據(jù)已掌握的文獻(xiàn)來(lái)看, 目前關(guān)于交聯(lián)殼聚糖季銨鹽(CHTCC)的研究中, 多數(shù)采用戊二醛作為交聯(lián)劑. 例如, 肖玲等[12]用戊二醛與HTCC反應(yīng)制備了殼聚糖/HTCC復(fù)合薄膜, 交聯(lián)后的殼聚糖季銨鹽在水中具有一定的穩(wěn)定性, 但戊二醛與HTCC反應(yīng)后會(huì)生成具有光致變色特性的席夫堿, 這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物的顏色變深, 影響其外觀和使用[13]. 此外, 在采用環(huán)氧氯丙烷作為交聯(lián)劑的研究中, 主要是通過(guò)乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備成CHTCC吸附劑, 而針對(duì)產(chǎn)物水穩(wěn)定性的研究甚少. 例如, 周耀珍等[14]以殼聚糖為原料, 二甲基二烯丙基氯化銨為接枝單體, 甲醛為預(yù)交聯(lián)劑, 環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑, 通過(guò)反相乳液聚合制備出CHTCC吸附劑, 并研究了其對(duì)Ni和Cr離子的吸附性能.
本文以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑, 在簡(jiǎn)便、 可控的條件下與HTCC進(jìn)行化學(xué)交聯(lián), 并采用流延法制得CHTCC薄膜, 研究了交聯(lián)劑用量對(duì)CHTCC水穩(wěn)定性的影響, 比較了HTCC和CHTCC的抗菌活性, 目的是制備出具有良好水穩(wěn)定性的CHTCC抗菌薄膜.
HTCC, 酷爾化學(xué)科技有限公司; 環(huán)氧氯丙烷, 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所; 氫氧化鈉, 天津市進(jìn)豐化工有限公司; 鹽酸, 洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠; 透析袋, 截留分子量: 14000 Da, 上海雷布斯生物科技有限公司; MH肉湯, 青島高科園海博生物技術(shù)有限公司; MH(A)培養(yǎng)基, 北京奧博新生物技術(shù)有限責(zé)任公司; 大腸桿菌(CGMCC 1.3373)、 金黃色葡萄球菌(CGMCC 1.2465)和銅綠假單胞菌(CGMCC 1.2620), 中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心; 去離子水, 自制.
本文以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑, 采用化學(xué)交聯(lián)-溶液流延法制備CHTCC薄膜, 具體操作如下.
稱(chēng)量2 g HTCC和200 mL去離子水加入到250 mL的三口燒瓶中, 將其置于水浴恒溫磁力攪拌器中于70 ℃下攪拌5 h, 使HTCC均勻溶解. 之后用5%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)HTCC溶液的pH值至10, 接著加入一定量的環(huán)氧氯丙烷, 并繼續(xù)在70 ℃下攪拌4 h, 反應(yīng)期間不斷滴加5%氫氧化鈉溶液使反應(yīng)體系的pH值維持在10左右. 待反應(yīng)完成后, 加入一定量的20%鹽酸溶液于溶液中, 調(diào)節(jié)溶液的pH至7, 得到淡黃色、 半透明的CHTCC凝膠溶液. 待凝膠溶液的溫度降低到室溫后, 將其加入到透析袋中, 在去離子水環(huán)境下透析48 h以除去反應(yīng)殘留物, 期間每隔12 h更換一次去離子水, 最終得到微黃透明的CHTCC凝膠溶液. 交聯(lián)反應(yīng)示意圖如圖 1 所示.
將透析后的凝膠溶液倒入200 mL的燒杯中, 量取0.2 mL甘油加入凝膠溶液中, 將燒杯置于水浴恒溫磁力攪拌器中于70 ℃下攪拌8~10 h以蒸發(fā)掉溶液中的去離子水. 待燒杯內(nèi)溶液液面降低到40 mL時(shí), 取少量凝膠溶液保存?zhèn)溆茫?采用流延制膜法將剩下的凝膠溶液倒入表面皿中, 在真空條件下60 ℃干燥8~10 h, 最終得到微黃透明的CHTCC薄膜. 根據(jù)添加的環(huán)氧氯丙烷劑量將制得的薄膜編號(hào)為CHTCC-1, CHTCC-2, CHTCC-3, CHTCC-4和CHTCC-5, 對(duì)應(yīng)的環(huán)氧氯丙烷劑量分別為1, 2, 3, 4和5 mL.
圖 1 CHTCC薄膜的制備過(guò)程示意圖Fig.1 Preparation process of CHTCC thin films
實(shí)驗(yàn)中同時(shí)制備了純HTCC薄膜, 具體操作如上所述, 但不添加環(huán)氧氯丙烷.
采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法(ATR-FTIR, Bruker Tensor 27)分析HTCC和不同編號(hào)的CHTCC薄膜的分子結(jié)構(gòu). 具體操作: 檢測(cè)前將制備的HTCC和CHTCC置于烘箱中60 ℃下干燥4 h, 然后將干燥好的樣品置于全反射檢測(cè)臺(tái)上進(jìn)行掃描, 光學(xué)分辨率為4 cm-1, 掃描次數(shù)32次, 測(cè)試范圍為4 000~400 cm-1.
用核磁共振氫譜(1H NMR, Bruker AVANCE NEO)分析HTCC和CHTCC-5的分子鏈結(jié)構(gòu). 測(cè)試條件: 溶劑為D2O, 測(cè)試溫度為28 ℃, 測(cè)試頻率為600.13 MHz.
用JSM-6510掃描電子顯微鏡對(duì)HTCC和CHTCC薄膜的形貌進(jìn)行表征. 制樣方法: 將制得的薄膜剪成0.5 cm ×0.5 cm的樣品并固定在貼有導(dǎo)電膠的鐵制圓臺(tái)上, 測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理, 分析樣品的表面和斷面形貌.
用平衡溶脹法檢測(cè)HTCC和CHTCC的溶脹度以及水穩(wěn)定性. 測(cè)定方法: 先將HTCC和不同劑量交聯(lián)劑制得的CHTCC薄膜剪成1 cm2大小的方片, 然后放入去離子水中浸泡. 48 h后取出稱(chēng)重, 接著把樣品置于干燥箱中60 ℃干燥, 直至樣品質(zhì)量恒定不變, 然后稱(chēng)重. 根據(jù)下式計(jì)算樣品的溶脹度.
(1)
式中:A為樣品溶脹度;W1為干燥后樣品的質(zhì)量;W2為浸泡后樣品的質(zhì)量.
采用ASTM E2180-07標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)HTCC和CHTCC對(duì)大腸桿菌(E.coli)、 金黃色葡萄球菌(S.aureus)和銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)的抗菌活性, 用微量肉湯稀釋法檢測(cè)HTCC和CHTCC對(duì)3種細(xì)菌的最低抑菌濃度(MIC).
圖 2 為HTCC和CHTCC的全反射紅外光譜(ATR-FTIR)圖. 圖中3 321, 2 931, 2 881, 1 312和1 413cm-1處分別對(duì)應(yīng)的是-OH, -CH2-, -CH-, C-N的伸縮振動(dòng)峰和C=O彎曲振動(dòng)峰, 1 649和 1 479 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)的是季銨基團(tuán)的-CH3伸縮振動(dòng)峰和變形振動(dòng)峰[15]. 在CHTCC圖譜中1 571 cm-1處出現(xiàn)了新峰, 這是-NH2的彎曲振動(dòng)峰[6], 這表明在交聯(lián)反應(yīng)后, 有少量的季銨鹽基團(tuán)從HTCC的仲氨基上脫去產(chǎn)生伯胺基團(tuán). 與HTCC相比, CHTCC在1 368和1 038 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度明顯大于HTCC的峰強(qiáng), 分別對(duì)應(yīng)的是C-O-C伸縮振動(dòng)峰和-OH彎曲振動(dòng)峰, 并且隨著環(huán)氧氯丙烷劑量的增加, C-O-C的吸收峰增強(qiáng). 這是因?yàn)镠TCC分子鏈上的伯醇基團(tuán)與環(huán)氧氯丙烷發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了仲醇和脂肪醚, 從而證明了HTCC的成功交聯(lián).
圖 2 HTCC和CHTCC的全反射紅外光譜圖Fig.2 ATR-FTIR spectra of HTCC and CHTCC
對(duì)HTCC和CHTCC-5進(jìn)行了核磁共振表征, 結(jié)果如圖 3 所示.δ=2.10, 2.60, 2.72, 3.27, 3.45, 3.67~4.00 和4.35 ppm處的峰分別對(duì)應(yīng)的是乙酰胺基團(tuán)甲基, H-c, H-a, H-d, H-2, H-3~H-6和H-b的質(zhì)子峰,δ=4.73 ppm處對(duì)應(yīng)的是D2O和H-1的疊加峰[16].
圖 3 HTCC和CHTCC-5的核磁共振氫譜圖Fig.3 1 HNMR spectra of HTCC and CHTCC-5
與HTCC相比, CHTCC-5在δ=3.57~3.61 ppm 處出現(xiàn)新峰, 這是環(huán)氧氯丙烷和HTCC反應(yīng)后形成的-CH2CH(OH)CH2-上的亞甲基和次甲基的質(zhì)子峰(H-e, H-f和H-g). 另外, CHTCC-5的H-3~H-6質(zhì)子峰峰強(qiáng)明顯高于HTCC, 且兩者H-3~H-6峰面積積分比為2.40. 這些變化再次證明環(huán)氧氯丙烷與HTCC發(fā)生反應(yīng)并使HTCC成功交聯(lián).
HTCC和CHTCC-5薄膜的表面和斷面形貌如圖 4 所示.
圖 4 HTCC和CHTCC-5的掃描電子顯微鏡圖(左: 表面, 右: 斷面)Fig.4 SEM images of HTCC and CHTCC-5(Left: surface, right: cross section)
兩種薄膜的表面都較平整, 沒(méi)有凹陷和孔洞, 從斷面圖中可以看到薄膜內(nèi)部緊密?chē)?yán)實(shí), 沒(méi)有氣孔且厚度均勻, 說(shuō)明流延法制備的HTCC和CHTCC薄膜表面性能優(yōu)異. 根據(jù)斷面圖計(jì)算, HTCC薄膜的厚度為228 μm, CHTCC-5薄膜的厚度為467 μm, 交聯(lián)后的CHTCC薄膜厚度增大, 這是因?yàn)樵诮宦?lián)反應(yīng)后, 原來(lái)呈線性并相互纏結(jié)的HTCC分子鏈段與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu), 其分子鏈之間的距離增加, 宏觀上CHTCC-5薄膜的厚度要大于HTCC的厚度.
采用平衡溶脹法研究CHTCC薄膜的溶脹度, 并間接分析CHTCC的交聯(lián)度, 不同環(huán)氧氯丙烷劑量對(duì)CHTCC溶脹度的影響如表1所示. 因?yàn)镠TCC屬于水溶性高聚物, 所以在去離子水中, HTCC最終溶解形成無(wú)固定形狀的水凝膠. 對(duì)于CHTCC-1, 因?yàn)榻宦?lián)劑添加量過(guò)少導(dǎo)致HTCC無(wú)法充分交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 因此CHTCC-1有一部分會(huì)溶解于水中. 從CHTCC-2開(kāi)始, 隨著交聯(lián)劑添加量增加, 薄膜的溶脹度逐漸減小, 當(dāng)交聯(lián)劑用量為5 mL時(shí), 薄膜的溶脹度降低到6.53%. 這是因?yàn)殡S著HTCC交聯(lián)度的增加, 鏈段長(zhǎng)度減小, 分子網(wǎng)絡(luò)的柔性減小, 其溶脹度也相應(yīng)減小[17]. 這證明了交聯(lián)劑劑量與薄膜交聯(lián)度成正比, 而較低的溶脹度有利于薄膜的使用穩(wěn)定性.
表 1 不同環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)的CHTCC薄膜的溶脹度
為了更直觀地比較HTCC和CHTCC的水穩(wěn)定性, 將制備的HTCC和CHTCC薄膜剪成1.5 cm×1.5 cm 的方塊樣品, 置于一次性表面皿中, 并加入過(guò)量的去離子水, 靜置48 h后觀察薄膜外觀的變化, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示.
圖 5 CHTCC和HTCC的水穩(wěn)定性能測(cè)試(左: 吸水前, 右: 吸水后)Fig.5 Water stability test of CHTCC and HTCC (Left: before water treatment, right: after water treatment)
圖5(a)為CHTCC薄膜, 在水中浸泡48 h后, 交聯(lián)結(jié)構(gòu)的CHTCC薄膜在去離子水中發(fā)生溶脹, 薄膜面積增大. 對(duì)于HTCC薄膜(圖5(b)), 由于其良好的水溶性, 在浸泡48 h后已完全溶于去離子水中, 形成一定黏度的HTCC凝膠溶液.
采用ASTM E2180-07標(biāo)準(zhǔn), 通過(guò)平板培養(yǎng)法檢測(cè)了HTCC和HTCC-5對(duì)大腸桿菌、 金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的抗菌活性, 對(duì)照組為沒(méi)有經(jīng)過(guò)HTCC和CHTCC-5薄膜處理直接接種菌液的平板, 接種液菌落濃度為1×103CFU/mL.
圖 6 HTCC和CHTCC-5的抗菌活性Fig.6 Antibacterial activity of HTCC and CHTCC
如圖 6 所示, 在對(duì)照組中可以看出平板上有大量的菌落形成, 通過(guò)接觸HTCC和CHTCC-5薄膜后, 平板上的菌落明顯減少, 這說(shuō)明HTCC和CHTCC-5對(duì)3種細(xì)菌都具有抗菌作用, 且交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成并不影響CHTCC的抗菌活性.
表 2 為HTCC和CHTCC對(duì)3種不同菌株的MIC, 從表中可以看出, HTCC和CHTCC對(duì)大腸桿菌的MIC(625和320 μg/mL)比對(duì)銅綠假單胞菌(313和160 μg/mL)的MIC值要低, 說(shuō)明HTCC和CHTCC對(duì)大腸桿菌和銅綠假單胞菌都具有較好的抗菌活性. 而HTCC和CHTCC對(duì)金黃色葡萄球菌的MIC分別為2 500和2 560 μg/mL. 這是因?yàn)榇竽c桿菌和銅綠假單胞菌都屬于革蘭氏陰性菌而金黃色葡萄球菌為革蘭氏陽(yáng)性菌, 兩種細(xì)菌細(xì)胞壁組成不同, 革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁厚且致密, 而革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁較薄, 更容易被HTCC和CHTCC分子鏈上的季銨鹽基團(tuán)所影響導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂[11]. 因此大腸桿菌和銅綠假單胞菌對(duì)HTCC和CHTCC的敏感性更強(qiáng).
表 2 HTCC和CHTCC對(duì)大腸桿菌、 金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的最小抑菌濃度
本文采用化學(xué)交聯(lián)法制備了一種具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的殼聚糖季銨鹽. 經(jīng)多種方法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征后, 結(jié)果表明:
與HTCC原材料相比, CHTCC在水中只發(fā)生溶脹而不會(huì)溶解, 且交聯(lián)劑劑量與薄膜交聯(lián)度成正比, 當(dāng)環(huán)氧氯丙烷添加量為5 mL時(shí), CHTCC的溶脹度為6.53%, 此時(shí)薄膜的交聯(lián)度最高, 使用穩(wěn)定性最好. 交聯(lián)過(guò)后, CHTCC依然保持著優(yōu)異的抗菌性能, 對(duì)大腸桿菌、 金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌都具有出色的抗菌活性, 其最小抑菌濃度分別為320, 2 560和160 μg/mL. 制備的CHTCC可以作為絮凝劑、 抗菌劑、 抗菌涂層和藥物緩釋載體應(yīng)用在水處理、 食品包裝、 醫(yī)療衛(wèi)生和制藥等領(lǐng)域.
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