基于靜紡技術(shù)制備金屬有機(jī)抗菌薄膜材料及抗菌性能研究

張亞男， 張 昱， 成 晶， 李 磊

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

銀抗菌材料與其他金屬或金屬氧化物相比，對細(xì)菌[1]、真菌[2]以及一些耐藥菌種[3]具有廣泛而有效的抗菌活性，因此，吸引了許多研究者的關(guān)注，近年來，也有大量的文章進(jìn)行報道[4-11].隨著對銀抗菌材料研究的深入，發(fā)現(xiàn)其具有很多弊端.銀抗菌材料起到抗菌作用的作用源是銀離子，但是由于無法控制銀離子的釋放，容易使其在人體各個器官進(jìn)行累積，最終產(chǎn)生神經(jīng)毒性，危害人體健康，因此，限制了銀抗菌材料的應(yīng)用與發(fā)展[12].

金屬有機(jī)骨架 (MOFs) 作為一種新型功能材料，具有高比表面積、開放的活性金屬位點(diǎn)、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使得MOFs在傳感[13,14]、氣體分離[15]、氣體與能量存儲[16,17]、催化[18]和發(fā)光材料[19]等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用.但是，在近幾年來，MOFs由于可調(diào)節(jié)的孔徑及其結(jié)構(gòu)使其具備可以控制藥物釋放的能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低毒性的目的，所以MOFs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間.

1997年，Nomiya等[20]用含氮、磷、硫的配體合成了系列銀金屬有機(jī)骨架，[Ag(imd)](a)、[Ag(Himd)2](NO3)(b)、[Ag(imd)(PPh3)3](c)、{Na[Ag(tsa)]·H2O}(d)并證明上述金屬有機(jī)骨架具有抑菌活性，而且其性能明顯優(yōu)于有機(jī)配體與硝酸銀的抗菌活性.2004年，Nomiya等[21]合成了以銀、鋁、釩、鋅、銅、鈷為中心離子的金屬有機(jī)骨架材料，并對其抑菌活性進(jìn)行對比分析得出銀金屬有機(jī)骨架材料的抗菌活性優(yōu)于其他金屬有機(jī)骨架材料.

但是，目前所得到的金屬有機(jī)骨架材料大多是粉體材料，疏水疏油導(dǎo)致其不易加工，這在很大程度上限制了其應(yīng)用，故而開發(fā)合適的加工工藝，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域是現(xiàn)階段金屬有機(jī)骨架材料研究所必須解決的問題.為了解決這一難題，將MOFs材料成膜化已成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，由于MOFs為顆粒狀或者為粉體，其成膜需要載體材料，所以將其與聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚乙烯醇(PVA)等工業(yè)高分子聚合物結(jié)合，將其用于抑菌、生物醫(yī)學(xué)、發(fā)光材料、氣體分離、增強(qiáng)疏水性、液相分子篩分、染料和污染物的分離等領(lǐng)域[22,23].近幾年來，靜電紡絲技術(shù)以其操作簡單、紡絲成本低廉、可紡種類繁多、工藝可控等優(yōu)點(diǎn)已成為有效制備納米薄膜材料的主要途徑之一.Tang J等[24]利用靜電紡絲技術(shù)，制備出具有良好抗菌活性的Ag/PVP納米纖維.

本文利用硝酸銀與D-天門冬氨酸(圖1)合成Ag-MOF(圖2)，并將其與聚乙烯吡咯烷酮(圖3)結(jié)合利用靜電紡絲技術(shù)制備出紡絲纖維薄膜，使用PXRD、熒光光譜分析、TGA、SEM、紫外-可見分光光譜儀對其結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)進(jìn)行表征，表明該薄膜具有良好的熒光性能、熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性及其時間穩(wěn)定性.選取銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌為研究對象，利用抑菌圈法與生長曲線法對Ag-MOF、純PVP、Ag-MOF@PVP纖維薄膜的抗菌活性進(jìn)行研究，得出Ag-MOF@PVP纖維薄膜分別對銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌均有良好的抗菌活性.

圖1 D-天門冬氨酸結(jié)構(gòu)式

圖2 Ag-MOF的填充模式圖

圖3 聚乙烯吡咯烷酮的結(jié)構(gòu)式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

D-天門冬氨酸,分析純，上海麥克林生化科技有限公司；氫氧化鈉,分析純，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；蒸餾水,分析純，自制；硝酸銀,分析純，上?；瘜W(xué)試劑有限公司；聚乙烯吡咯烷酮,醫(yī)藥級，山東優(yōu)索化工科技有限公司.

1.1.2 主要儀器

Bruker Smart APEX-II CCDX-射線單晶衍射儀(德國布魯克公司，Mo-Kα射線)；Rigaku RU200 X-射線粉末衍射儀(日本理學(xué)公司，Cu-Kα射線，λ=1.541 8 ?，測試角度3～60 °)；靜電紡絲機(jī)(東文高壓電源股份有限公司，JDF05)；傅立葉紅外光譜儀(德國布魯克公司)；VarioEL III 元素分析儀(德國艾爾曼公司)；德國布魯熱重分析儀(STA449F3-1053-M德國耐馳有限公司)；熒光磷光熱釋光譜儀(FluoroMax-4P日本HORIBA公司)；紫外-可見分光光譜儀(Cary100 UV-Vis 美國安捷倫公司).

1.2 配合物[Ag3(D-asp)2(NO3)]n·nH2O的合成

室溫下，用分析天平稱取AgNO3(3 mmol，0.51 g) 和D-asp (2 mmol，0.266 g)置于25 mL的燒杯中，加入10.0 mL的蒸餾水,逐滴加入NaOH(0.5 mmol)并攪拌，直至pH為6.將該溶液置于磁力攪拌器恒溫80 ℃ 攪拌1 h，過濾掉灰色沉淀，將濾液在室溫下靜置2天，則有無色透明細(xì)棒狀晶體析出.重復(fù)單元為Ag3C8H14N3O12(667.83)，元素分析(%)，理論值：C為14.39；H為2.11；N為6.29；實(shí)驗(yàn)值：C為14.48；H為2.06；N為6.36.

1.3 金屬有機(jī)薄膜的制備

1.3.1 配制鑄膜液

利用分析天平稱取0.1 g配合物[Ag3(D-asp)2(NO3)]n·nH2O于燒杯中,加入8 mL甲醇，利用保鮮膜密封，超聲10 min后，加熱至50 ℃左右 ，在磁力攪拌下，緩慢加入1 g PVP(聚乙烯吡咯烷酮K90),用保鮮膜密封在50 ℃下攪拌20 min.

1.3.2 紡絲

醫(yī)用注射器取8 mL鑄膜液，裝上紡絲噴頭后，裝載到進(jìn)樣泵上，設(shè)置進(jìn)樣速度為1.0 mL/h，將高壓電源輸出端口接到噴絲頭上，啟動高壓電源，設(shè)置電壓為12 kV，開始紡絲.

1.4 Ag-MOF@PVP纖維薄膜抗菌性能檢測

1.4.1 抑菌圈實(shí)驗(yàn)

利用抑菌圈實(shí)驗(yàn)對Ag-MOF晶體粉末、PVP纖維薄膜、Ag-MOF@PVP纖維薄膜的抗菌性能進(jìn)行分析.首先，針對Ag-MOF晶體，制備其懸浮液，并將懸浮液滴加于直徑為6 mm的中性濾紙圓片上，針對纖維薄膜材料，將薄膜材料剪裁成直徑為6 mm的圓片，然后配制固體培養(yǎng)基并進(jìn)行滅菌，將大腸桿菌和銅綠假單胞桿菌分別接種到已制備好的固體培養(yǎng)基中，最后，將中性濾紙圓片或纖維膜薄片放置于培養(yǎng)皿中央，在37 ℃的條件下于細(xì)胞恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后測量其抑菌圈的直徑，以抑菌圈的直徑大小判斷材料的抑菌性能.

1.4.2 生長曲線

分別將OD值為0.8的菌液以及0.1 g Ag-MOF@PVP纖維薄膜加入到盛有液體培養(yǎng)基的試管中并設(shè)置空白對照組，在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，間隔數(shù)小時利用紫外可見分光光度計測量波長為600 nm處的吸光度.

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)載Ag-MOF前后紡絲薄膜形貌觀測

圖4是Ag-MOF負(fù)載前后紡絲薄膜的SEM對比圖.圖4(a)為放大25 000倍未負(fù)載Ag-MOF紡絲薄膜的SEM圖，圖4(b)為放大20 000倍負(fù)載Ag-MOF紡絲薄膜的SEM圖.通過對比可以看出，未負(fù)載Ag-MOF紡絲薄膜的纖維是光滑均勻的，負(fù)載Ag-MOF后的紡絲纖維表面變粗糙且可清晰的觀察到有固體顆粒附著于紡絲纖維上，由此可以證明Ag-MOF成功負(fù)載于纖維上.

(a)未負(fù)載MOF紡絲薄膜的SEM圖

(b)負(fù)載MOF紡絲薄膜的SEM圖圖4 Ag-MOF及負(fù)載MOF前后紡絲薄膜的SEM圖

2.2 X-射線粉末衍射分析

在室溫下，利用X-射線粉末衍射對樣品的純度進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖5所示.將本文中合成的Ag-MOF晶體的粉末衍射數(shù)據(jù)與由X-射線單晶衍射儀所測結(jié)構(gòu)模擬出的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者的主要峰相吻合，說明所合成的Ag-MOF具有單一的晶相且純度較高，可用于后續(xù)研究.由純PVP紡絲薄膜的衍射數(shù)據(jù)可知在2θ= 5.7 °出現(xiàn)的主衍射峰.PVP@Ag-MOF纖維薄膜也同樣在2θ= 5.7 °出現(xiàn)PVP的特征峰，但是其他主峰與Ag-MOF晶體粉末單晶數(shù)據(jù)基本對應(yīng)，說明Ag-MOF晶體通過靜電紡絲技術(shù)與聚乙烯吡咯烷酮(PVP)成功混合并紡制成纖維薄膜后，并沒有改變其晶體結(jié)構(gòu).由此，可推斷出Ag-MOF晶體已成功負(fù)載于PVP紡絲纖維上，此結(jié)論與圖4的SEM圖所得結(jié)論相符.

圖5 配合物與紡絲薄膜的PXRD圖

2.3 熒光性能分析

分別對Ag-MOF、PVP纖維薄膜與Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熒光性能進(jìn)行分析.如圖6所示，曲線a、b、c分別代表Ag-MOF@PVP纖維薄膜、PVP纖維薄膜、Ag-MOF的熒光強(qiáng)度.從圖6可看出,Ag-MOF熒光強(qiáng)度較弱，PVP纖維薄膜的熒光強(qiáng)度較強(qiáng)(發(fā)射波長為345 nm，激發(fā)波長為284 nm).相對于Ag-MOF和PVP，通過靜電紡絲技術(shù)將Ag-MOF與PVP進(jìn)行復(fù)合后所得的Ag-MOF@PVP纖維薄膜熒光性能最好，其原因是在紡絲過程中，均勻附著于紡絲纖維上，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的自由基將Ag-MOF還原，產(chǎn)生微量的納米銀，而納米銀會使熒光物質(zhì)的熒光性能增強(qiáng)，產(chǎn)生金屬增強(qiáng)熒光效應(yīng)(MEF)[25-27].

圖6 配合物與紡絲薄膜的熒光光譜圖

2.4 Ag-MOF@PVP纖維薄膜穩(wěn)定性分析

2.4.1 Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熱穩(wěn)定性

利用熱重分析儀對Ag-MOF晶體粉末與Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析.升溫速率為10 ℃/min、測試溫度范圍為30 ℃～800 ℃.測試結(jié)果如圖7所示，曲線a、b分別代表Ag-MOF晶體粉末與Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熱重曲線.從曲線a可看出107 ℃出現(xiàn)質(zhì)量損失，這對應(yīng)于Ag-MOF晶體結(jié)構(gòu)中游離的水分子的失去，失重比為2.491%.107 ℃到180 ℃出現(xiàn)失重平臺，所以在這個階段Ag-MOF晶體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，當(dāng)升溫到180 ℃之后Ag-MOF結(jié)構(gòu)骨架迅速坍塌.由曲線b得到，Ag-MOF@PVP纖維薄膜在30 ℃～60 ℃出現(xiàn)第一個失重平臺，失重百分比為7.62%，這部分失重歸因?yàn)锳g-MOF@PVP纖維薄膜中溶劑甲醇分子的失去；在60 ℃～380 ℃之間，熱重平臺未發(fā)生明顯變化，這說明在此溫度范圍內(nèi)，金屬有機(jī)纖維薄膜的結(jié)構(gòu)可以較好的保持.當(dāng)超過380 ℃時出現(xiàn)快速失重，這部分歸因于金屬有機(jī)薄膜的分解.綜上所述，Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熱穩(wěn)定性優(yōu)于Ag-MOF晶體顆粒.

圖7 金屬有機(jī)薄膜熱重曲線圖

2.4.2 光穩(wěn)定性

利用固體紫外-可見分光光度計對Ag-MOF@PVP纖維薄膜的光穩(wěn)定性進(jìn)行分析，將Ag-MOF@PVP纖維薄膜置于可見光和紫外光(365 nm)下照射24 h，以黑暗環(huán)境下未經(jīng)過任何光照射的Ag-MOF@PVP纖維薄膜作為空白對照，如圖8所示.由圖8可看出,在三種不同條件下的纖維薄膜其主要特征峰峰位基本吻合，峰強(qiáng)稍有變化.由此說明Ag-MOF@PVP纖維薄膜長時間在紫外光以及可見光照射下其化學(xué)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定.

2.4.3 時間穩(wěn)定性

由于目前所出現(xiàn)的同類型抗菌材料，不易保存，對條件要求苛刻，導(dǎo)致制備成本增加，阻礙了復(fù)合抗菌膜材料的發(fā)展與應(yīng)用，所以其穩(wěn)定性是現(xiàn)在所面臨的一個難題.本文對所制備的Ag-MOF@PVP纖維薄膜的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如圖9所示.由圖9可知，保存0天的紡絲薄膜的衍射峰與保存10天的紡絲薄膜的衍射峰基本吻合，表明將纖維薄膜在室溫下放置10天后，其結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定.

圖8 Ag-MOF@PVP纖維薄膜紫外光和可見光照射下固體紫外-可見光光譜圖

圖9 紡絲薄膜時間穩(wěn)定性的PXRD圖

2.5 抗菌性能

通過抑菌實(shí)驗(yàn)對Ag-MOF@PVP纖維薄膜的抑菌活性進(jìn)行分析.選取銅綠假單胞桿菌、大腸桿菌作為研究對象.通過抑菌圈實(shí)驗(yàn)，生長曲線實(shí)驗(yàn)對其抗菌活性進(jìn)行研究.由于Ag-MOF可以通過控制銀離子的釋放，使其與微生物相互作用，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的殺滅，利用靜電紡絲制備的纖維薄膜具有高的比表面積且質(zhì)地柔軟可作為載藥的載體并有很好的可加工性，而Ag-MOF@PVP結(jié)合了兩者優(yōu)點(diǎn)，所以具有更加優(yōu)良的抗菌性能.

2.5.1 抑菌圈實(shí)驗(yàn)

通過抑菌圈實(shí)驗(yàn)分別對Ag-MOF晶體、PVP 、Ag-MOF@PVP纖維薄膜的抑菌活性進(jìn)行研究并進(jìn)行對比分析.從圖10可以看出，Ag-MOF與Ag-MOF@PVP纖維薄膜對銅綠假單胞桿菌、大腸桿菌均具有抑菌活性且Ag-MOF@PVP纖維薄膜的抑菌活性明顯優(yōu)于Ag-MOF而純PVP纖維薄膜無抑菌活.由圖10(a)、(b)還可知Ag-MOF晶體顆粒對銅綠假單胞桿菌、大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為8.35 mm、10.85 mm，Ag-MOF@PVP纖維薄膜對銅綠假單胞桿菌、大腸桿菌的抑菌圈直徑分別為14.95 mm、15.25 mm，Ag-MOF@PVP纖維薄膜對銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌的抑菌圈直徑均大于Ag-MOF，由此說明Ag-MOF@PVP的抑菌活性優(yōu)于Ag-MOF且Ag-MOF@PVP對大腸桿菌的抑菌活性優(yōu)于銅綠假單胞桿菌.

(a)銅綠假單胞桿菌 (b)大腸桿菌 圖10 Ag-MOF、PVP 、Ag-MOF@PVP對銅綠假單胞桿菌和大腸桿菌的抑菌圈圖片

2.5.2 生長曲線法

利用生長曲線法對Ag-MOF@PVP抑菌活性進(jìn)行研究，如圖11、12所示，加入Ag-MOF@PVP纖維薄膜后，銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌的生長曲線的OD值幾乎沒有變化，而空白對照組其OD值，隨時間推移越來越大，所以結(jié)果表明Ag-MOF@PVP對銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌具有良好抗菌活性.從圖13可得出Ag-MOF@PVP對大腸桿菌的抑菌活性要稍強(qiáng)于銅綠假單胞桿菌，此結(jié)論與用抑菌圈法所得結(jié)論相符.

圖11 Ag-MOF@PVP纖維薄膜對銅綠假單胞桿菌的生長抑制曲線

圖12 Ag-MOF@PVP纖維薄膜對大腸桿菌的生長抑制曲線

圖13 大腸桿菌與銅綠假單胞桿菌的生長抑制曲線對比圖

3 結(jié)論

本文采用靜電紡絲技術(shù)制備出具有良好發(fā)光性能的金屬有機(jī)薄膜.利用SEM、PXRD、TGA、熒光光譜分析以及紫外-可見分光光譜儀對其結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)進(jìn)行表征，結(jié)果分析表明其具有高達(dá)380℃的熱穩(wěn)定性，良好的光穩(wěn)定性以及時間穩(wěn)定性，且在345 nm處具有藍(lán)色的熒光發(fā)射，其熒光性能增強(qiáng)的原因是在紡絲過程中Ag-MOF被PVP產(chǎn)生的自由基還原產(chǎn)生微量納米銀，由于金屬增強(qiáng)熒光效應(yīng)(MEF)，Ag-MOF@PVP纖維薄膜的熒光性能增強(qiáng).利用抑菌圈法與生長曲線法得出其對銅綠假單胞桿菌與大腸桿菌具有優(yōu)異的抑菌活性.