抗菌性聚砜超濾膜的制備與表征

蘆文慧　黃肖容

摘 要：采用浸漬法制備了銅摻雜的TiO2粒子，并將這種粒子作為抗菌材料與聚砜（PSF）共混，相轉(zhuǎn)化法制膜。鑄膜液中摻銅TiO2粒子的添加量為1wt%，通過XRD、SEM、接觸角、超濾及抗菌實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行表征與分析。結(jié)果表明，摻銅TiO2粒子的加入使得制得的PSF膜具有很強(qiáng)的抗菌性，當(dāng)摻雜比w（Cu2+/TiO2）=1wt% 時(shí)，抗菌膜的水通量為335.65 L/（m2·h），對牛血清蛋白的截留率為85%；采用薄膜密著法得到其在紫外光照射下抗菌率高達(dá)93.5%，黑暗條件下抗菌率為53.2%；振蕩瓶法得到其抗菌率為71%。

關(guān)鍵詞：聚砜；銅摻雜；TiO2；超濾膜；抗菌性

中圖分類號：TQ028 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Antibacterial particle， copper doping TiO2 particle， was fabricated by impregnation method. Then the antibacterial particle was blending with PSF to prepare casting solution， which was used to prepare antibacterial PSF ultrafiltration membrane via the phase inversion method. The content of antibacterial particle in casting solution was 1wt%. The modified membranes were characterized by XRD、SEM、CA、ultrafiltration and antibacterial experiments. The results showed that the modified membranes have strong antibacterial properties. When the doping ratio of Cu2+/TiO2 is 1wt%， the modified membranes exhibited the separation performance with pure water flux of 335.65 L/（m2·h） and BSA rejection rate of 85%. Moreover， through the film indiscrete method， under the UV irradiation， the antibacterial rate was 93.5%； while under the dark， the antibacterial rate was 53.2%. and the shake flask method， the antibacterial rate was 71%.

Keywords：polysulfone；copper doping；TiO2；ultrafiltration membrane；antibacterial properties

聚砜（PSF）是一種重要的膜材料，目前聚砜超濾膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，是國內(nèi)外超濾膜研究的熱點(diǎn)之一，但膜污染問題一直是制約超濾膜發(fā)展的阻礙之一，也是急需解決的重要問題。尤其是在使用過程中，微生物易在膜表面生長、繁殖和遷移而造成生物污染，進(jìn)而導(dǎo)致膜的分離和滲透性能降低，增加了使用成本。許多研究已證實(shí)，在膜表面加載抗菌性物質(zhì)，構(gòu)建具有抗菌性能的膜表面，有利于減少生物污染。

Ahmad Rahimpour等將TiO2與聚偏氟乙烯、磺化聚醚砜共混制膜，通過抑菌圈法測試抗菌性，結(jié)果證明，在紫外光下，復(fù)合膜對大腸桿菌有很強(qiáng)的抗菌性。但一般聚砜膜是在無光照條件下使用，而無光照條件更適于細(xì)菌的生長和繁殖，因此如何提高無光照條件下膜的抑菌性成為近年來研究的熱點(diǎn)。Chen等人制備了負(fù)載銅離子的埃洛石納米管，與聚醚砜共混制備雜化膜，結(jié)果表明，雜化膜的親水性增強(qiáng)，水通量提高，而且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有優(yōu)異的抗菌性。但目前關(guān)于抗菌膜的抗菌性能研究還不夠深入，采用的抗菌測試方法比較單一，大多數(shù)研究停留在定性階段。

綜合上述分析，本文選用浸漬法制備銅摻雜的TiO2粒子，并將這種粒子作為抗菌材料與聚砜（PSF）共混，相轉(zhuǎn)化法制膜，并通過XRD、SEM，水接觸角，超濾進(jìn)行表征分析，同時(shí)采用振蕩瓶法、薄膜密著法和抑菌圈法對PSF膜的抗菌性進(jìn)行綜合分析，著重考察不同環(huán)境條件下PSF膜的抗菌性能，期望該P(yáng)SF膜既有光催化抗菌性，在無光照條件下也能抗菌，以延長膜使用壽命，為高性能膜材料的研究開辟新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚砜（PSF），美國蘇威公司 ；聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K30），上海伯奧生物科技有限公司；N，N-二甲基乙酰胺（DMAc），分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司 ；牛血清蛋白（BSA，Mn=67000），上海伯奧生物科技有限公司 ；納米TiO2粒子（P25），德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán) ；大腸桿菌，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院廣東省植物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；硝酸銅，廣州牌化學(xué)試劑；氯化鈉，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乳糖蛋白胨培養(yǎng)液、營養(yǎng)瓊脂，廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；實(shí)驗(yàn)中用水均為純水。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

超濾膜評價(jià)裝置，自制；UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；DHP-400型電熱恒溫培養(yǎng)箱、高溫滅菌鍋，蘇州佳寶凈化工程設(shè)備有限公司；OCA35型全自動(dòng)光學(xué)接觸角測試儀，德國DATAPHYSICS公司；Merlin掃描電鏡，德國ZEISS公司。

1.2 抗菌超濾膜的制備

1.2.1 銅摻雜TiO2粒子的制備

稱取定量（按摻銅量）的TiO2粒子于定量的硝酸銅溶液中，超聲分散15min，80℃烘干，450℃焙燒2h，即得摻銅TiO2粒子CuOx/TiO2，其中X表示摻銅質(zhì)量百分比（相對于TiO2粒子）。

1.2.2 制膜

將聚砜（16wt%）、添加劑（PVP，4wt%）加入到溶劑DMAc中，65℃恒溫水浴下機(jī)械攪拌至聚砜完全溶解，再加入一定量的CuOx/TiO2粒子，超聲分散10min，確保CuOx/TiO2粒子在溶液中均勻分散，抽真空脫泡。脫泡后在玻璃板上涂膜，然后將玻璃板立即放入25℃純水凝固浴中凝固成膜，待膜片完全自主脫離玻璃板后，將膜片轉(zhuǎn)移到純水中浸泡24h（定時(shí)換水），以除去未溶的溶劑和添加劑。制得的超濾膜保存在純水中以備測試。

1.3 銅摻雜TiO2粒子的XRD

采用丹東通達(dá)公司的TD-3500型X射線衍射儀來分析摻銅TiO2粒子的物相結(jié)構(gòu)。

1.4 抗菌超濾膜結(jié)構(gòu)表征

采用Merlin掃描電鏡觀察膜表面及斷面形態(tài)。孔隙率?根據(jù)公式計(jì)算：

?=（m1-m2）/ρSd

式中，m1為濕膜的質(zhì)量（g），m2為完全干燥后膜的質(zhì)量（g），ρ為純水的密度（g/cm3），d為膜的厚度（cm），S為膜的面積（cm2）。

1.5 抗菌超濾膜親水性、超濾性能的測定

在OCA35型接觸角測定儀上測定雜化膜的接觸角， 以考查雜化膜親水性的變化；膜純水通量用自制的超濾膜評價(jià)裝置進(jìn)行測定，0.2MPa下預(yù)壓30min，0.1MPa下測膜的純水通量Jw（L /（m2·h）），計(jì)算公式如Jw=V/（St）。

式中，V為透過液體積（L），S為膜面積（m2），t為過濾時(shí)間（h）。

用紫外分光光度計(jì)測定膜對BSA溶液（1g/L）過濾前后溶液的吸光度，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算截留率R，R=（1-Cp/Cf）×100%。

式中，Cp和Cf分別為料液和透過液的BSA濃度，單位為g/L。

1.6 抗菌超濾膜抗菌性能的測定

1.6.1 振蕩瓶法

制備細(xì)菌含量為106 CFU/mL的菌液（現(xiàn)配），取0.1mL菌液加入PBS緩沖液中，再加入1.5g（5mm×5mm）膜片，37℃下在搖床中（250r/min）振蕩培養(yǎng)18h后，按照10倍稀釋法對處理過的的菌液稀釋，并用倒平板法進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)，抗菌率計(jì)算公式如式（1）所示：

r=（1-B/A）×100% （1）

式中，A和B分別為空白對照樣和試樣的菌落數(shù)。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次實(shí)驗(yàn)設(shè)兩個(gè)平行樣，取平板菌落生長均勻明顯的進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)算抗菌率。

1.6.2 薄膜密著法

將膜片剪成5 cm×5cm的正方形小塊，分為兩組，滅菌后，取0.1mL菌液（106 CFU/mL）滴加在兩組樣品上，用聚乙烯保鮮膜（4cm×4cm）覆蓋，鋪平，使膜片與菌液均勻接觸，置于平皿中，一組在紫外燈下照射2h，然后再在37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，一組不照射，直接放在37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h；取出培養(yǎng)的樣品，加入20mL PBS緩沖液，反復(fù)多次沖洗樣品及覆蓋膜，取0.1mL洗脫液用倒平板法進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)計(jì)算公式如式（1）所示?？瞻讓φ諛樱簻缇^的聚乙烯保鮮膜（5cm×5cm）。

1.6.3 抑菌圈法

將膜片剪成直徑為10 mm的圓片，滴加0.1 mL 菌液（106 CFU/mL）于固體培養(yǎng)基表面，用三角涂布棒均勻涂布。將膜片放置于平皿中央，用無菌鑷子輕輕按壓，使試樣緊密貼附于營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上。空白對照樣：直接在培養(yǎng)基上滴加菌液，三角棒涂布。將平板倒置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 18h～24h，觀察周圍抑菌圈的有無及大小，比較各種超濾膜的抑菌圈情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅摻雜TiO2粒子的XRD分析

圖1是不同摻銅量的TiO2粒子的XRD圖，可以看出，不同摻銅量的TiO2粒子中均只有銳鈦礦型和金紅石型TiO2，未出現(xiàn)銅的的衍射峰，這可能與銅離子摻雜量較小有關(guān)，而且摻銅TiO2的衍射峰的峰位發(fā)生位移，說明銅離子已經(jīng)滲入TiO2的晶格中。整體來說，通過XRD圖可以表明摻銅對TiO2粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)造成影響。

2.2 抗菌超濾膜的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 抗菌超濾膜的微觀形貌

當(dāng)抗菌粒子的添加量為1wt%時(shí)，在掃描電鏡下觀察了PSF膜的表面結(jié)構(gòu)（圖2），可以看出，隨著摻銅量的增加，膜表面孔隙明顯增多，但當(dāng)摻銅量增加到2%時(shí)，膜表面致密無孔。從膜的斷面結(jié)構(gòu)（圖3）可以看出，所有的膜都是典型的非對稱結(jié)構(gòu)，添加了摻銅TiO2粒子的膜截面形態(tài)無明顯變化，這表明添加CuOx/TiO2粒子共混改性沒有破壞PSF超濾膜本身的良好成膜性能。這是因?yàn)殂~離子摻雜量雖然發(fā)生了改變，但鑄膜液中粒子的添加量并沒有改變，仍為1wt%，不會(huì)影響成膜過程中溶劑與非溶劑的交換，因而膜的截面結(jié)構(gòu)無明顯變化。

2.2.2 抗菌超濾膜的孔隙率

不同摻銅量TiO2粒子制備的超濾膜的孔隙率見表1，可以看出，隨著摻銅量的增加，孔隙率呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，這一變化趨勢與之前電鏡的表征結(jié)果（圖2）是一致的，在一定范圍內(nèi)摻銅量增加，膜表面孔隙增加，孔隙率增大；但繼續(xù)增加摻銅量，膜表面孔隙減少，孔隙率減小。

2.3 抗菌超濾膜的親水性

膜的親水性可用膜的水接觸角大小來衡量。超濾膜的接觸角如圖4所示，可以看出，因PSF本身的疏水性，純PSF膜的接觸角高達(dá)71°，而添加了TiO2粒子和CuOx/TiO2粒子的PSF膜接觸角變小，這表明添加了TiO2粒子和CuOx/TiO2粒子的PSF膜表面親水性增加。但是相比添加TiO2粒子的PSF膜，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜接觸角略有增大，這可能是因?yàn)殂~離子的摻雜對親水性有一定的抑制，銅離子的摻雜對TiO2粒子的分散性有一定的影響，進(jìn)而對膜表面羥基數(shù)量有影響，對膜接觸角有影響。

2.4 抗菌超濾膜的超濾性能

不同摻銅量超濾膜的純水通量和截留率的變化如圖5所示，可以看出，隨著摻銅量的增加，PSF超濾膜的純水通量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，且均高于未摻銅的PSF膜；當(dāng)摻銅量為1%時(shí)，膜通量最高，為335.65 L/（m2·h）。這是因?yàn)樵趽姐~量較小時(shí)，膜表面孔數(shù)增多，膜孔隙率升高，雖然膜表面親水性有所下降，但膜截面內(nèi)的粒子可以促進(jìn)水在膜內(nèi)的傳遞，因此膜通量增加。雖然隨著摻銅量的不同，PSF超濾膜的截留率有所降低，但所有膜均表現(xiàn)出85%以上的截留效果。這表明在合適摻銅量的情況下，CuOx/TiO2粒子的加入有利于提高PSF超濾膜的純水通量，且對膜的截留率影響不大。

2.5 抗菌雜化膜的抗菌率

2.5.1 振蕩瓶法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從振蕩瓶法測試結(jié)果來看，由表2看出，菌液與膜片經(jīng)過充分振蕩18h后，相比對照組，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜的菌落數(shù)明顯減少，證實(shí)CuOx/TiO2粒子的加入對大腸桿菌有一定抑制作用，添加CuOx/TiO2粒子的PSF膜抗菌率都達(dá)到了50%以上。純PSF基膜對大腸桿菌也有一定的抗菌性，只是抗菌率只有9.2%，這可能是因?yàn)樵谡袷庍^程中，基膜中的高聚物影響了大腸桿菌的生長、繁殖而造成的。在添加了CuOx/TiO2粒子后，隨著摻銅量的增加，抗菌率逐漸增大，當(dāng)摻銅量為1wt% 和2wt% 時(shí)，抗菌率分別達(dá)到71%和79.3%。

2.5.2 薄膜密著法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步地考察銅離子摻雜對TiO2粒子光催化抗菌性的影響，采用薄膜密著法分別測試在黑暗條件下和紫外光照條件下，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜對大腸桿菌的抗菌效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從測試結(jié)果來看，TiO2在無光照下沒有抗菌作用，必須靠紫外光激發(fā)光催化活性來進(jìn)行抗菌；但在兩種實(shí)驗(yàn)條件下，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜的都有抗菌性，尤其在紫外光照條件下，抗菌率均在90%以上，在摻銅量為0.5wt% 時(shí)抗菌率達(dá)到94.3%，但繼續(xù)增加摻銅量，抗菌率略微有所下降，這可能是因?yàn)楫?dāng)摻銅量為0.5wt% 時(shí)，CuOx/TiO2粒子的光催化活性達(dá)到最高。

從抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜具有銅離子接觸性抗菌和TiO2光催化抗菌兩種機(jī)制，而且銅離子的摻雜加強(qiáng)了TiO2的光催化活性。在這兩種機(jī)制的協(xié)同作用下，銅摻雜的TiO2粒子的添加使得PSF膜具有更廣闊的應(yīng)用前景。

2.5.3 抑菌圈法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過抑菌圈法測試膜片對大腸桿菌的抑菌圈發(fā)現(xiàn)，對照組與試驗(yàn)組均未形成抑菌圈，但對照組與培養(yǎng)基接觸面有大量細(xì)菌繁殖，而試驗(yàn)組與培養(yǎng)基接觸面僅有極少量細(xì)菌繁殖。從抑菌圈法定性測試結(jié)果及上述結(jié)果分析，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜具備一定的抗菌能力，抗菌粒子CuOx/TiO2粒子是非溶出型的粒子，在應(yīng)用中比較安全。

結(jié)論

（1）采用浸漬法制備了銅摻雜的TiO2粒子，并通過XRD衍射圖譜分析了CuOx/TiO2粒子的物相結(jié)構(gòu)， 發(fā)現(xiàn)銅離子的摻雜對TiO2粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)造成影響。加入CuOx/TiO2粒子后，因?yàn)榱Ｗ拥奶砑恿勘３?wt%不變，所以膜的截面形貌無明顯變化，但膜的表面形貌有變化：隨著摻銅量的增加，膜表面膜孔數(shù)有所增加，孔隙率升高，繼續(xù)增加摻銅量到2wt%，膜孔隙率降低。

（2）相比純PSF膜，添加了CuOx/TiO2粒子的PSF膜接觸角顯著降低，親水性增強(qiáng)。當(dāng)摻銅量為1wt% 時(shí)，超濾膜純水通量高達(dá)335.65 L/（m2·h），且對大腸桿菌具有很強(qiáng)的抗菌性，采用薄膜密著法得到其在紫外光照下抗菌率為93.5%，黑暗條件下抗菌率為53.2%；振蕩瓶法得到其抗菌率為71%。這表明加入CuOx/TiO2粒子的PSF膜不僅具有光催化殺菌特性，有望利用太陽能綜合治理受病菌、微生物等污染的水源；而且在無光照條件下也具備抗菌性，可以減少使用過程中微生物在膜表面的吸附、生長、繁殖等，延長膜使用壽命，拓寬了PSF膜的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]J.Y. Park， M.H. Acar， A. Akthakul， et al. Polysulfone-graft-poly（ethylene glycol） graft copolymers for surface modification of polysulfone membranes[J]. Biomaterials， 2006（27）： 856–865.

[2]Song D， Xu J， Fu Y P， et al. Polysulfone/sulfonated polysulfone alloy membranes with an improved performance in processing mariculture wastewater[J]. Chemical Engineering Journal， 2016（304）： 882-889.

[3]Mondal.M， M.Dutta， S.De， A novel ultrafiltration grade nickel iron oxide doped hollow fiber mixed matrix membrane： Spinning， characterization and application in heavy metal removal[J]. Separation and Purification Technology， 2017（188）： 155-166.

[4]Johnson.D， N.Hilal. Characterisation and quantification of membrane surface properties using atomic force microscopy： A comprehensive review[J]. Desalination， 2015（356）： 149-164.

[5]Ridgway H， Ishida K， Rodriguez G， et al. Biofouling of membranes： membrane preparation， characterization， and analysis of bacterial adhesion[J]. Methods Enzymol，1999（310）：463–94.

[6]許堅(jiān)，許振良. 膜生物反應(yīng)器污水處理過程中膜生物污染的研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù)， 2002（3）：125-128.

[7]Rahimpour A， Jahanshahi M， Rajaeian B， et al. TiO2 entrapped nano-composite PVDF/SPES membranes： Preparation， characterization， antifouling and antibacterial properties[J]. Desalination， 2011，278（1-3）： 343-353.

[8]Kubacka A， Diez M， Rojo D， et al. Understanding the antimicrobial mechanism of TiO2-based nanocomposite films in pathogenic bacterium[J]. Scientific Reports， 2014（4）： 4134.

[9]Peng Y， Yu Z， Pan Y， et al. Antibacterial photocatalytic self-cleaning poly（vinylidene fluoride） membrane for dye wastewater treatment[J]. Polymers for Advanced Technologies， 2018，29（1）： 254-262.

[10]Hadidi M， Bigham A， Saebnoori E， et al. Electrophoretic-deposited hydroxyapatite-copper nanocomposite as an antibacterial coating for biomedical applications[J]. Surface and Coatings Technology， 2017（321）： 171-179.

[11]Chen Y， Zhang Y， Liu J， et al. Preparation and antibacterial property of polyethersulfone ultrafiltration hybrid membrane containing halloysite nanotubes loaded with copper ions[J]. Chemical Engineering Journal， 2012（ 210）： 298-308.

[12]吳樹新，尹燕華，馬智，等.摻銅方法對二氧化鈦光催化氧化還原性能的影響[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（5）：486-494.

[13]Li J F， Xu Z L， Yang H， et al. Effect of TiO2 nanoparticles on the surface morphology and performance of microporous PES membrane[J].Applied Surface Science，2009（255）：4725-4732.

[14]吳樹新.改性納米TiO2光催化氧化還原性能的研究[D].天津大學(xué)，2003.

[15]陸龍喜，陸燁，李曄，等.新型嵌銀纖維織物的抗菌性能研究[J].中國消毒學(xué)雜志，2017（3）：214-217.