溶菌酶在等離子體改性PLA纖維上的固定

孫欣悅，薛亞玲，逯向陽，戴圣軒，麻文效

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010800)

隨著環(huán)境的日益惡化，人們的生活水平要求也逐漸提高，關(guān)于日用保健醫(yī)療功能材料的開發(fā)正引人注目。PLA是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，由可再生的植物資源(玉米等)所提出的淀粉原料制成，使用后能被自然界中微生物在一定的條件下完全降解，不產(chǎn)生污染環(huán)境，是公認(rèn)的生態(tài)友好材料[1-5]。PLA還具有優(yōu)良的芯吸性與導(dǎo)濕快干性，性能優(yōu)于常見的合成纖維[6]。廣泛分布于動物、植物和微生物中的溶菌酶(Lysozyme)，能有效地水解細(xì)菌細(xì)胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺的β- 1,4糖苷鍵，使細(xì)菌細(xì)胞壁變得松弛衰亡[7]。另外溶菌酶通常帶有大量的正電荷，可與帶負(fù)電荷的病毒蛋白直接結(jié)合，與DNA、RNA脫輔基蛋白形成復(fù)鹽，使病毒失活[8]。進(jìn)行溶菌酶在PLA纖維布接枝，將賦予PLA纖維一定的抗菌等生物功能。

為增加纖維的接枝點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)首先利用氧氣低溫等離子處理PLA纖維以產(chǎn)生更多的含氧基團(tuán)，然后在交聯(lián)劑架橋下進(jìn)行溶菌酶的嫁接固定，旨在開發(fā)醫(yī)用功能PLA纖維制品，進(jìn)而提高PLA纖維材料的附加值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

材料：PLA無紡布(80 g/m2)。

試劑：溶菌酶(鄭州蒼宇化工)、聚碳化二亞胺UN557、多官能團(tuán)氮丙啶交聯(lián)劑TTMAP、環(huán)氧交聯(lián)劑EDGE(成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司)、亞甲基藍(lán)、乙醇、溴化鉀、丙酮、冰醋酸、NaOH(天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司)。三種交聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)簡式如圖1所示。

圖1 交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)簡式

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Omega DT-03型低溫等離子體處理儀，島津傅里葉變換紅外光譜儀 IRAffinity-1，HD101A型電熱鼓風(fēng)烘箱(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，水浴恒溫振蕩器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 PLA的預(yù)處理

采用丙酮溶液(5%)對PLA無紡布進(jìn)行表面清洗以去除污漬等的表面雜質(zhì)。

工藝處方及條件：在超聲清洗器中清洗30 min，之后在恒溫45℃的水浴鍋中浸泡8 h。預(yù)處理結(jié)束用去離子水充分洗滌，烘干備用。

1.3.2 低溫等離子體改性

將1 g的PLA無紡布放入兩電級為8.5 cm低溫等離子體處理腔中，抽真空到20 Pa，打開減壓閥通入氧氣，設(shè)定不同參數(shù)的壓強(qiáng)、功率和放電時間進(jìn)行輝光放電處理。之后將PLA布取出置于空氣中30 min后待接枝。

1.3.3 溶菌酶在PLA纖維上的固定

4塊等離子體處理無紡布用于溶菌酶的接枝。將PLA試樣分別先置于4個100 mL濃度為5 g/L溶菌酶水溶液燒瓶中，其中1個不加任何交聯(lián)劑，另3個分別加入0.1 g氮丙啶、聚碳化二亞胺、環(huán)氧三種交聯(lián)劑；調(diào)整EDGE交聯(lián)液pH值=9～10；氮丙啶交聯(lián)劑與聚碳化二亞胺交聯(lián)劑接枝液pH值=4～5。在一定溫度下，磁力攪拌2～6 h后，取出用去離子水充分洗滌，50℃烘干8 min后自然晾干。

1.4 測定

1.4.1 染色性能

PLA纖維在經(jīng)過氧氣的低溫等離子氣體改性后，PLA纖維表面會主要產(chǎn)生羥基和羧基，用亞甲基藍(lán)在pH值=8的條件下常溫著色，測定著色K/S值。

1.4.2 接枝率

根據(jù)接枝前后的質(zhì)量來計算織物的增重率，接枝率按照公式

G=(W-W0)/W0×100%

式中：G為接枝率，W為未整理的PLA纖維的絕對干質(zhì)量；W0為溶菌酶經(jīng)交聯(lián)劑接枝的絕對干質(zhì)量。

1.4.3 紅外光譜

本實(shí)驗(yàn)利用傅立葉變換紅外光譜(FTIR-ATR)來進(jìn)行PLA的表面化學(xué)成分分析。全反射棱鏡為ZnSe棱鏡，方向?yàn)?5°，設(shè)置掃描次數(shù)100次，掃描范圍400 cm-1到4000 cm-1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)處理并輸出，最后經(jīng)過origin軟件繪制得到紅外譜線。

1.4.4 固定化酶活力

采用金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)和大腸埃希菌(革蘭氏陰性菌)進(jìn)行檢測?？咕阅軠y試將參照 GB/T 20944.3-2008 標(biāo)準(zhǔn)，選用振蕩燒瓶法對改性PLA纖維樣品進(jìn)行抗菌性能測試。

評價測試：樣品的抗菌性能通過抑菌率進(jìn)行評價，可按下列公式計算得出：

XS=(A-B)/A

式中：XS-抑菌率，%；A-被試樣品振蕩前平均菌落數(shù)；B-被試樣品振蕩后平均菌落數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 染色性能

表1 亞甲基藍(lán)著色PLA纖維的K/S值

PLA纖維經(jīng)不同氧氣離子體處理后亞甲基藍(lán)著色K/S值如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，氧氣等離子體處理后，PLA的染色效果得到大幅度的提升，這是等離子體處理在纖維表面引入了新的羧基，進(jìn)而增加了陽離子性亞甲基藍(lán)的著色部位。幾種進(jìn)氣量、放電時間以及電功率的因素對等離子體處理染色效果的影響中，壓強(qiáng)為35 Pa、處理時間為3 min、處理功率為250 W時PLA纖維的上染率最好。圖2展示了等離子體未處理與最優(yōu)處理的著色效果。

圖2 氧氣等離子體處理PLA前后亞甲基藍(lán)的著色對比

2.2 溶菌酶接枝

溶菌酶是蛋白質(zhì)，分子中含有大量的氨基與羧基，而PLA是聚乳酸高分子，活性基團(tuán)是羥基與羧基，要使二者共價鍵結(jié)合，交聯(lián)劑應(yīng)為多官能基化合物，其一端能與羧基或氨基反應(yīng)而另一端可與羥基或羧基反應(yīng)。纖維改性常用交聯(lián)劑有醛類交聯(lián)劑、異氰酸酯交聯(lián)劑、氮丙啶交聯(lián)劑、環(huán)氧交聯(lián)劑、丙烯酰胺類交聯(lián)劑[9]。其中醛類交聯(lián)劑一般難與羥基或羧基反應(yīng)，異氰酸酯交聯(lián)劑極易與水反應(yīng)，丙烯酰胺類交聯(lián)劑需要高溫，故氮丙啶交聯(lián)劑與環(huán)氧交聯(lián)劑可應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)方案。另外聚碳化二亞胺交聯(lián)劑被報道是一種常溫皮革交聯(lián)劑，與羧基有高的反應(yīng)性[10]，也很適合在溶菌酶和PLA的羧基間架橋。

2.2.1 反應(yīng)溫度對接枝率的影響

在適宜反應(yīng)時間和交聯(lián)劑用量條件下，以反應(yīng)溫度為單一變量進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。固定溶菌酶0.2 g、交聯(lián)劑0.1 g；時間為4 h，溫度選取常溫、30、40、50、60℃，交聯(lián)反應(yīng)后接枝率變化如表2所示。

表2 反應(yīng)溫度對接枝率的影響

可以看出當(dāng)使用EDGE交聯(lián)劑時，溶菌酶接枝率隨著溫度的不斷升高而增加，表明交聯(lián)劑需在高溫條件下才能完成較好的接枝反應(yīng)，但過高的溫度可能不適合溶菌酶存活，因此應(yīng)選60℃左右進(jìn)行接枝反應(yīng)。溶菌酶經(jīng)聚碳化二亞胺和氮丙啶接枝時，30℃以后接枝率基本穩(wěn)定，略有所提高，這說明二者在低溫下的反應(yīng)活性已經(jīng)很好，提高溫度對接枝影響不大。

2.2.2 反應(yīng)時間對接枝率的影響

根據(jù)交聯(lián)劑的有效接枝溫度，固定EDGE交聯(lián)在60℃時、聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯(lián)在30℃，以反應(yīng)時間為單一變量進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，0.2 g溶菌酶和0.1 g交聯(lián)劑的添加量不變。表3給出了不同時間后的接枝情況。

EDGE用作交聯(lián)劑時，8 h后接枝達(dá)到平衡，之后稍有下降，可能是一部分物理粘附物被清洗下去的原因。氮丙啶和聚碳化二亞胺作為交聯(lián)劑，接枝時間在12 h后達(dá)到最佳。另外發(fā)現(xiàn)，氮丙啶交聯(lián)劑的接枝效果要比聚碳化二亞胺要好一些，這可能是聚碳化二亞胺分子量太大，產(chǎn)生了一定的空間位阻，進(jìn)而影響溶菌酶的嫁接。

表3 反應(yīng)時間對溶菌酶接枝率的影響

注：EDGE交聯(lián)溫度為60℃，聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯(lián)均為30℃。

2.2.3 溶菌酶在PLA纖維的直接固定

為了分析氧氣等離子體處理和交聯(lián)劑架橋的有效作用，三種等離子體未處理的PLA纖維在最優(yōu)處理?xiàng)l件下分別用氮丙啶、環(huán)氧基、聚碳化二亞胺交聯(lián)劑進(jìn)行了溶菌酶嫁接。另外，最優(yōu)氧氣等離子體處理后，無交聯(lián)劑添加的條件下，溶菌酶在PLA纖維的固定也做了實(shí)驗(yàn)。表4給出了相應(yīng)的接枝結(jié)果，很明顯，溶菌酶接枝率遠(yuǎn)都低于氧氣等離子體處理后加入交聯(lián)劑的情況。同時發(fā)現(xiàn)，EDGE的交聯(lián)最差，可能基于環(huán)氧基與羥基或氨基在高溫下開環(huán)反應(yīng)的原因。關(guān)于無交聯(lián)劑情況下，溶菌酶在PLA纖維的接枝率0.59%應(yīng)該是酸性條件下，二者以電價鍵的方式發(fā)生了嫁接。

表4 等離子體未處理和交聯(lián)劑無添加的接枝率

注：無交聯(lián)劑嫁接和EDGE交聯(lián)嫁接均為60℃、8 h；聚碳化二亞胺和氮丙啶交聯(lián)為30℃、12 h。

2.3 紅外光譜分析

圖3 PLA改性前后及接枝溶菌酶的紅外光譜圖

PLA纖維經(jīng)氧氣等離子體處理前后及溶菌酶接枝的樣品進(jìn)行了紅外光譜測試，相應(yīng)波譜如圖3所示。與未處理PLA樣品相比，等離子體處理后在3400 cm-1和1700 cm-1附近出現(xiàn)了幅度變化較大的-OH與-COOH吸收峰，這是PLA被氧化的結(jié)果。溶菌酶接枝后，1540 cm-1產(chǎn)生了新的波峰，可以認(rèn)為是其氨基酸中大量-NH2的彎曲振動吸收，同時，3400 cm-1的吸收也變寬。這些表明PLA纖維經(jīng)氧氣低溫等離子體改性使溶菌酶成功固定在其表面。

2.4 抗菌性能測試

溶菌酶固定在PLA上最重要的功效是具備抗菌性能，經(jīng)等離子體處理與交聯(lián)劑輔助接枝率雖然得到很大的提升，但其失活與否是至關(guān)重要的。表5顯示了PLA纖維對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯刺幚鞵LA纖維的菌落數(shù)極多，缺乏抗菌性。溶菌酶在PLA上固定后的菌落數(shù)大大降低，抗菌性能有了很好的改善，該實(shí)驗(yàn)材料有望作為醫(yī)療衛(wèi)生保健材料。

表5 溶菌酶在PLA上固定化的抗菌性測試

3 結(jié)論

對PLA纖維進(jìn)行低溫等離子體輻射改性，經(jīng)氧氣等離子體處理的PLA纖維表面增加了-OH與-COOH，為溶菌酶接枝實(shí)驗(yàn)提供了多位點(diǎn)接枝條件。等離子體處理采用單因素法，改變?nèi)N影響參數(shù)，經(jīng)亞甲基藍(lán)著色效果選擇出了最優(yōu)工藝。接枝反應(yīng)中，環(huán)氧交聯(lián)劑、環(huán)氮交聯(lián)劑、聚碳化二亞胺三種交聯(lián)劑分別被使用。增重率分析得出，氮丙啶與溶菌酶接枝效果最好，適用于蛋白質(zhì)類物質(zhì)的低溫嫁接。紅外光譜證實(shí)等離子體對PLA產(chǎn)生氧化基團(tuán)，另外溶菌酶的氨基峰也出現(xiàn)在接枝PLA纖維表面。溶菌酶固定PLA纖維具有了好的抗菌能力，對金黃葡糖球菌和大腸桿菌的抑菌率均超出80%，這將有助于其更好地運(yùn)用在保健抗菌領(lǐng)域。改性PLA纖維將滿足人們對于紡織品更高的需求。