以豌豆葉片為模板的高分子膜抑菌性研究

紀(jì)丁琪 房巖 金丹丹 關(guān)琳 藍(lán)藍(lán) 孫剛

摘 要：選用國產(chǎn)豌豆（Pisum?sativumL.）和進(jìn)口麻豌豆（Pisum?sativum?var.?saccharatum）為材料，利用掃描電鏡觀察葉片及PDMS仿生膜微觀結(jié)構(gòu)，使用接觸角測量儀測定葉片及PDMS仿生膜表面接觸角，使用紅外光譜測量儀分析葉片化學(xué)組成。以葉片為模板，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基材，用軟刻蝕法制備高分子仿生膜。結(jié)果表明，豌豆葉片表面具有明顯的粗糙微觀結(jié)構(gòu)。豌豆葉片表面及仿生膜接觸角均大于151.8°，均具有較高的疏水性。葉片化學(xué)成分主要包括烴基、酯類等疏水性基團(tuán)。PDMS仿生膜復(fù)制葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的疏水性和抗菌性。

關(guān)鍵詞：豌豆葉片;疏水性;抑菌性;仿生

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190815001

表面潤濕性是固體表面的重要特性之一，由表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)2方面因素共同決定[1-3]。人們通過研究動(dòng)植物表面結(jié)構(gòu)與其特殊濕潤性的關(guān)系，不斷發(fā)展基本潤濕模型及方程，構(gòu)建具有更多功能的超疏水表面[4-6]。隨著科技的發(fā)展，仿生學(xué)越來越多地滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、交通和日常生活中，涉及集水、儲(chǔ)油、抗菌、抗凝、防水、防污染和防氧化等眾多領(lǐng)域[7]。本文以葉片為模板，將分級(jí)微納米結(jié)構(gòu)復(fù)制到高分子材料表面，研究細(xì)菌在仿生高分子材料表面的抑制效應(yīng)，為新型抗粘附、抗感染功能材料的構(gòu)建提供新的思路和啟發(fā)。

1?實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1?材料與儀器

1.1.1?實(shí)驗(yàn)材料

國產(chǎn)豌豆（Pisum?sativumL.）和進(jìn)口麻豌豆（Pisum?sativum?var.?saccharatum），枯草芽孢桿菌（Bacillus?subtilis）。

1.1.2?主要試劑及儀器

PDMS（道康寧184，美國）;掃描電子顯微鏡（SU8010，日本日立）;光學(xué)法接觸角儀（C50，上海梭倫）;傅立葉紅外光譜分析儀（NICOLET-380，美國Thermo?Electron）。

1.2?方法

1.2.1?葉片及仿生膜微觀結(jié)構(gòu)觀察

將葉片和PDMS仿生膜切成4mm×4mm片段，用導(dǎo)電膠帶固定于銅柱上，噴金處理，掃描電子顯微鏡下觀察并拍照。

1.2.2?葉片紅外光譜分析

取新鮮葉片，用75%酒精清洗，烘箱80℃干燥4h。取1g干燥葉片，與10g純KBr混合研磨，壓成薄片，用紅外光譜儀分析葉片化學(xué)成分。

1.2.3?葉片及仿生膜接觸角測量

將葉片及仿生膜剪成1.5?cm×1.5?cm正方形。液滴體積為6μL，測試5次，取平均值。

1.2.4?仿生膜制備

取3g?PVA與27mL無菌水混勻，靜置30min，90℃恒溫水浴鍋加熱，磁力攪拌器攪拌1h（常溫，轉(zhuǎn)速1000rpm/min），靜置除氣泡。將PVA水溶液均勻涂在葉片表面，室溫存放24h，將PVA膜揭下備用。

取PDMS主劑與固化劑按10：1比例混合，磁力攪拌器攪拌均勻，靜置1h至無氣泡。涂至PVA膜表面，烘箱120℃干燥2h，將PDMS膜揭下備用。

1.2.5?抗菌性檢測

將枯草芽孢桿菌放入恒溫震蕩培養(yǎng)箱活化48h，置于4℃醫(yī)用冷藏箱保存?zhèn)溆?。配制牛肉膏蛋白胨固體和液體培養(yǎng)基。采用平板涂布法，將350μL枯草芽孢桿菌菌液接種在固體培養(yǎng)基中，置入PDMS仿生膜。在液體培養(yǎng)基中，將接種350μL菌液的PDMS仿生膜培養(yǎng)18h、24h、48h和72h，于λ=660?nm處測量菌液OD值。實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組，分別為對(duì)照組和2種葉片正、反面的PDMS仿生膜。

2?結(jié)果與分析

2.1?葉片及仿生膜表面微觀結(jié)構(gòu)

在體視顯微鏡下，豌豆葉片表面較平整，細(xì)胞均勻且緊密排列（圖1）。在掃描電鏡下，葉片表面粗糙，表皮毛豐富，可見氣孔結(jié)構(gòu)和保衛(wèi)細(xì)胞。PDMS仿生膜表面較好地復(fù)制了葉片表面的微觀結(jié)構(gòu)，類似氣孔結(jié)構(gòu)和保衛(wèi)細(xì)胞的粗糙形貌及尺寸與葉片表面相似（圖2）。

2.2?葉片化學(xué)成分分析

葉片在3362、2907、2848、2025、1620、1385、1067、548、417cm-1處有吸收峰。3362cm-1處的吸收帶由醇類、酚類或羧酸的O-H、N-H基伸縮振動(dòng)引起，2025、548cm-1處的吸收帶表明葉片具有非飽和脂肪烴，2907cm-1處的吸收帶表明葉片具有飽和脂肪烴，1620、1385cm-1處的吸收帶表明葉片含有酰胺與硝基，1067cm-1處的吸收帶是由酸酐、酰氯、酯、醛、酮、羧酸、酰胺官能團(tuán)的C-O基伸縮振動(dòng)引起（圖3）?？梢?，葉片主要由長鏈脂肪酸、醇、蠟質(zhì)晶體與蛋白質(zhì)構(gòu)成。疏水基團(tuán)是葉片特殊浸潤性的化學(xué)基礎(chǔ)。

2.3?葉片及仿生膜表面疏水性

國產(chǎn)豌豆葉片正面接觸角為156.6°，反面接觸角為154.8°;PDMS仿生膜正、反面接觸角分別為152°和156.2°。國產(chǎn)豌豆葉片與PDMS仿生膜疏水性進(jìn)行T檢驗(yàn)，P<0.001，差異極顯著。進(jìn)口麻豌豆葉片正面接觸角為153.6°，反面接觸角為151.8°;PDMS仿生膜正、反面接觸角為154.8°和153.9°。進(jìn)口麻豌豆葉片與PDMS仿生膜疏水性進(jìn)行T檢驗(yàn)，P<0.001，差異極顯著。表明豌豆葉片及PDMS仿生膜均具有良好的疏水性，且仿生膜的疏水性優(yōu)于葉片模板（圖4）。

2.4?仿生膜抑菌性

2.4.1?熒光顯微鏡觀察

二次培養(yǎng)后，熒光顯微鏡觀察，PDMS仿生膜實(shí)驗(yàn)組的枯草芽孢桿菌密度小于空白對(duì)照組，說明高分子仿生膜具有較強(qiáng)的抑菌作用（圖5）。

2.4.2?菌液OD值分析

在24h培養(yǎng)期間，各組OD值變化較大，隨著時(shí)間的推移呈明顯升高趨勢，然后趨于穩(wěn)定（圖6）。其中，空白對(duì)照組OD值最大，進(jìn)口麻豌豆PDMS仿生膜OD值最小。2種葉片PDMS仿生膜均具有良好的抑菌性。

3?結(jié)論

豌豆葉片表面具有明顯的粗糙微觀結(jié)構(gòu)。國產(chǎn)豌豆和進(jìn)口麻豌豆葉片表面的接觸角分別大于156.6°±1.7°和153.6°±1.7°，屬于超疏水表面。

以葉片為模板，以PDMS為基材，采用二次轉(zhuǎn)寫技術(shù)，成功制備具有葉片表面微觀結(jié)構(gòu)的仿生膜。國產(chǎn)豌豆和進(jìn)口麻豌豆葉片仿生膜的接觸角分別大于154.8°±1.3°和151.8°±1.1°。仿生膜具有較強(qiáng)的疏水性和抗菌性。

參考文獻(xiàn)

[1]Liu?M?J，Jiang?L.Switchable?adhesion?on?liquid/solid?interfaces[J].Advanced?Functional?Materials，2010，20（21）：3753-3764.

[2] Miwa?M，Nakajima?A，F(xiàn)ujishima?A.Effects?of?the?surface?roughness?on?sliding?angle?of?water?droplets?on?super-hydrophobic?surface[J].Langmuir，2000，16（13）：5754-5760.

[3] 杜晨光，夏帆，王樹濤，等.仿生智能浸潤性表面研究的新進(jìn)展[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（3）：421-431.

[4] 劉金秋，柏沖，徐文華，等.高黏附性超疏水表面的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化學(xué)，2013，30（7）：733-737.

[5] 房巖，孫剛，叢茜，等.蝗蟲翅表面微觀結(jié)構(gòu)及疏水耦合機(jī)理[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，42（9）：419-422.

[6] 房巖，王譽(yù)茜，孫剛，等.櫻桃葉片表面的特殊復(fù)合浸潤性及仿生制備[J].東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，48（4）：121-124.

[7] Patankar?N?A.On?the?modeling?of?hydrophobic?contact?angles?on?rough?surfaces[J].Langmuir，2003，19（4）：1249-1253.

作者簡介：

紀(jì)丁琪（1992-），女，碩士研究生。研究方向：功能生物學(xué)研究;

孫剛（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物材料研究。