以超高分子材料為載體研發(fā)新型固體緩釋抑菌劑

楊鎮(zhèn)偉， 林琪， 陳虹， 張蕊， 王立強(qiáng)

(1. 華僑大學(xué) 醫(yī)學(xué)院， 福建 泉州 362021；2. 蘇州凱虹高分子科技有限公司， 江蘇 蘇州 215211；3. 深圳聯(lián)創(chuàng)立達(dá)環(huán)境技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518116)

消毒滅菌是日常生活中非常重要的個(gè)人衛(wèi)生防護(hù)措施，2019年的新型冠狀病毒肺炎疫情啟示公眾需要對(duì)病毒和致病菌做好防護(hù)措施.病毒和致病菌通常以飛沫、氣溶膠或接觸傳播等方式在環(huán)境中傳播，通過空氣消毒能夠阻斷其傳播途徑，有效地阻止疾病的發(fā)生和擴(kuò)散[1-2].隨著環(huán)境衛(wèi)生意識(shí)和個(gè)人防護(hù)意識(shí)的提升，各種消菌、抑菌產(chǎn)品也隨之在市場(chǎng)上流行.日常使用的消毒抑菌劑多為乙醇消毒液、含氯消毒劑、過氧化物消毒劑等液態(tài)消毒抑菌劑[3]，這些液態(tài)消毒抑菌劑不僅在運(yùn)輸、使用和貯存方面存在一定的不便，而且抑菌效果短暫，需要頻繁操作才能保持抑菌效果.因此，有待研發(fā)一種使用便捷、緩釋效果和抑菌效果較好的新型固體緩釋抑菌劑.

超高分子材料是由超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料通過半熔融燒結(jié)制得的多孔材料，該材料具有高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱、耐化學(xué)侵蝕、無毒等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于建筑材料、機(jī)械化工、服裝及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[4-5].半熔融燒結(jié)技術(shù)可使高分子原料粉體顆粒呈現(xiàn)出表面熔融、內(nèi)部不熔融的半熔融狀態(tài)，通過控制成型工藝，可使相互接觸的顆粒表面熔融粘連，粉體顆粒之間相互堆砌的空隙形成微孔[6-7].因超高分子材料性質(zhì)安全穩(wěn)定，內(nèi)部顆粒間相互堆砌形成微孔的孔隙大小、分布均勻，故可用于氣體、液體的吸附和緩釋.制備一種揮發(fā)性中西藥復(fù)配抑菌液，該復(fù)配抑菌液由復(fù)方中藥提取物與季銨鹽類衍生復(fù)合物復(fù)配制得，具有良好的抑菌活性，并且藥效溫和、持久，對(duì)人體無明顯刺激性，具有良好的安全性.復(fù)配抑菌液具有揮發(fā)性，能夠揮發(fā)并全面分布于室內(nèi)空氣中，從而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生抑菌效果.基于此，本文將超高分子材料作為復(fù)配抑菌液的載體，將揮發(fā)性中西藥復(fù)配抑菌液作為主藥成分，制備一種具有長(zhǎng)效抑菌能力的固體緩釋抑菌劑，并考察其緩釋效果及抑菌效果.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料、儀器與用菌

1) 試驗(yàn)材料.揮發(fā)性中西藥復(fù)配抑菌液、超高分子材料(江蘇省蘇州市凱虹高分子科技有限公司).

2) 試驗(yàn)儀器.Phenom proX型掃描電子顯微鏡(荷蘭Phenom-World BV公司)；BSA124S型電子天平(德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；SHB- ⅢG型循環(huán)水式多用真空泵(河南省鄭州市長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)；SMVB60型真空熱壓燒結(jié)機(jī)(河南省鄭州市金海威科技實(shí)業(yè)有限公司)；WAW-D型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(山東省濟(jì)南市歐貝特(山東)試驗(yàn)設(shè)備有限公司)；JB-W300A型微機(jī)控制擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(山東省濟(jì)南市方圓試驗(yàn)儀器有限公司).

3) 試驗(yàn)用菌.大腸桿菌(ATCC 8099)、金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)、日溝維腸桿菌(ATCC 25922)、白色念珠菌(ATCC 6538)均由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院消毒檢測(cè)中心提供.

1.2 超高分子材料和固體緩釋抑菌劑的制備

1.2.1 超高分子材料的制備 取超高分子量聚乙烯原料(相對(duì)分子質(zhì)量為150萬)、高分子聚丙烯原料(相對(duì)分子質(zhì)量為20萬)過100～150目篩.通過高速攪拌將超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料混合均勻，將混合物置于準(zhǔn)備好的模具中，將模具持續(xù)加壓5 min至10 MPa，使原料固定成型；成型后逐漸加熱至145 ℃，進(jìn)行半熔融燒結(jié)，燒制時(shí)間為45 min；燒結(jié)完成后，自然冷卻，將超高分子材料從模具中取出，即得超高分子材料.

1.2.2 固體緩釋抑菌劑的制備 取超高分子材料(尺寸為10 cm×5 cm×1 cm(長(zhǎng)×寬×高)，體積為50 cm3)與100 mL復(fù)配抑菌液一同放入布氏漏斗，復(fù)配抑菌液浸潤(rùn)超高分子材料，間歇性減壓(0.01～0.05 MPa)，使復(fù)配抑菌液完全飽和后取出，即得固體緩釋抑菌劑.

1.3 超高分子材料的表征

1.3.1 孔隙率的測(cè)定 將超高分子材料切割成1 mm左右的薄片，鍍金后制備成樣品，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察超高分子材料的微觀結(jié)構(gòu)[8].運(yùn)用ImageJ軟件對(duì)掃描電鏡圖進(jìn)行分析，可得孔徑和表觀密度，由此計(jì)算出孔隙率[9-10].孔隙率n的計(jì)算公式為n=(ρA/ρ)×100%.其中，ρA為樣品的表觀密度，g·cm-3；ρ為樣品的實(shí)際密度，g·cm-3.

1.3.2 力學(xué)性能的測(cè)定 取超高分子材料，通過萬能測(cè)試機(jī)和擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)其拉伸斷裂強(qiáng)度和抗沖擊性能進(jìn)行測(cè)試[11].

1.3.3 抑菌液吸附量和吸附率的測(cè)定 取50 cm3的超高分子材料，采用節(jié)1.2.2方法吸附復(fù)配抑菌液后，精密稱量質(zhì)量，記為m1，將其破碎后，放入90 ℃烘箱中烘干6 h后取出，精密稱量質(zhì)量，記為m2.抑菌液吸附量M的計(jì)算公式為M=(m1-m2)/V，其中，V為超高分子材料的體積.抑菌液吸附率r=(m1-m2)/m1×100%[12-13].

1.4 固體緩釋抑菌劑緩釋和分布效果的測(cè)定

1.4.1 空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度的測(cè)定 以抑菌劑中含量最高的樟精油成分作為空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)成分，采用吸附管采樣-熱脫附法測(cè)定空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度[14-15].

1.4.2 空氣中抑菌劑分布均勻度的測(cè)定 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的潔凈密閉恒溫箱中(溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為90%，下文恒溫箱條件相同).將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱中央位置，分別于0，5，10，15，30，45，60，90，120 min的時(shí)間點(diǎn)采集空氣樣本，5個(gè)采樣點(diǎn)分別位于恒溫箱正中及4個(gè)邊角靠近底座處，由此可得不同采樣點(diǎn)的抑菌劑質(zhì)量濃度及其隨時(shí)間的變化情況，并繪制不同采樣點(diǎn)的抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間(ρn-t)變化曲線.

1.4.3 固體緩釋抑菌劑釋放時(shí)間的測(cè)定 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的潔凈密閉恒溫箱中.將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱中央位置，每天采集空氣樣本，采樣點(diǎn)位于恒溫箱中部，檢測(cè)空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度，并繪制空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間變化曲線.

1.5 固體緩釋抑菌劑抑菌效果的測(cè)定

1.5.1 空氣自然菌的采集 根據(jù)文獻(xiàn)[16]的技術(shù)操作步驟，采用自然菌沉降法對(duì)空氣中的細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)[17].在消毒前及消毒后0，6，12，24，72，120 h，于室內(nèi)中央及4個(gè)角落分別采樣，在離地面高10 cm處放置瓊膠培養(yǎng)皿，并在空氣中暴露30 min.然后，將采集到的樣本培養(yǎng)48 h，計(jì)算平均菌落數(shù).空氣中總菌落數(shù)的計(jì)算公式為

B=50 000N/AT.

上式中：B為空氣中總菌落數(shù)，cfu·m-3；A為培養(yǎng)皿面積，cm2；T為培養(yǎng)皿暴露時(shí)間，min；N為培養(yǎng)皿平均菌落數(shù)，cfu·培養(yǎng)皿-1.

1.5.2 不同消毒方法抑菌效果的檢驗(yàn) 采用不同消毒方法對(duì)1 m3的恒溫箱進(jìn)行消毒，消毒結(jié)束后進(jìn)行自然通風(fēng)，分別于消毒前及消毒后0，6，12，24，72，120 h，采用自然菌沉降法采集空氣中的細(xì)菌和病毒，進(jìn)行培養(yǎng)計(jì)數(shù).設(shè)置1個(gè)實(shí)驗(yàn)組和3個(gè)對(duì)照組，根據(jù)文獻(xiàn)[16]的技術(shù)操作步驟，將紫外燈消毒法、過氧乙酸消毒法作為陽性對(duì)照，將不做任何處理作為空白對(duì)照.3個(gè)對(duì)照組分別在與實(shí)驗(yàn)組相同的時(shí)間點(diǎn)采集空氣樣本，計(jì)算空氣中總菌落數(shù)，從而比較不同消毒方法的抑菌效果.

固體緩釋抑菌劑、紫外燈消毒法和過氧乙酸消毒法的消毒過程如下.

1) 固體緩釋抑菌劑.取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的恒溫箱中，消毒時(shí)間為1 h.

2) 紫外燈消毒法.使用30 W紫外線燈對(duì)1 m3的恒溫箱進(jìn)行消毒滅菌，紫外線燈輻射強(qiáng)度>70 μW·cm-2，恒溫箱中連續(xù)照射消毒1 h.

3) 過氧乙酸消毒法.采用過氧乙酸霧化熏蒸消毒，準(zhǔn)備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的過氧乙酸溶液，將過氧乙酸溶液通過氣溶膠噴霧器進(jìn)行霧化，在1 m3的恒溫箱中進(jìn)行熏蒸消毒，過氧乙酸用量為1 g·m-3，消毒時(shí)間為2 h.

1.5.3 染菌載體的制備 采用大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、日溝維腸桿菌和白色念珠菌4種較為常見的致病菌作為試驗(yàn)菌，進(jìn)行載體染菌殺滅試驗(yàn).根據(jù)文獻(xiàn)[16]的技術(shù)操作步驟，制備試驗(yàn)菌懸液.取4種試驗(yàn)菌懸液各10 μL滴染于脫脂棉布片(2 cm×2 cm)上，置于37 ℃恒溫箱中，干燥30 min后，制成染菌載體片，回收菌量為5×105～5×106cfu·片-1，備用.

1.5.4 固體緩釋抑菌劑抑菌效果的檢驗(yàn) 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的無菌密閉恒溫箱中.分別在1，3，5，10 d，將染菌載體放入恒溫箱中培養(yǎng)，30 min后取出菌片，洗脫并培養(yǎng)48 h，計(jì)算平板菌落數(shù)，計(jì)算殺滅率L.每組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值，計(jì)算平均殺滅率Lave.

2 結(jié)果與分析

2.1 超高分子材料的表征

超高分子材料是由超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料燒結(jié)而成，具有優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度、疏松多孔的空間結(jié)構(gòu)，以及穩(wěn)定的理化性質(zhì).使用SEM觀察超高分子材料樣品的表觀結(jié)構(gòu)，發(fā)射電壓為10 kV，放大倍數(shù)分別為300，500，800倍.

超高分子材料掃描電鏡圖，如圖1所示.由圖1可知：通過半熔融燒結(jié)技術(shù)制得的超高分子材料具有多孔結(jié)構(gòu)，通過ImageJ軟件進(jìn)行分析，得到的孔徑約為30～80 μm，經(jīng)計(jì)算得到超高分子材料的表觀密度為0.29 g·cm-3，孔隙率為69.17%.

(a) 300倍 (b) 500倍 (c) 800倍

疏松多孔的結(jié)構(gòu)表明，超高分子材料具有良好的貯存能力.30～80 μm的孔徑表明，超高分子材料具有較強(qiáng)的空間位阻，能夠極大延緩流體的通過速率，故具有良好的緩釋能力，能夠使抑菌劑緩慢、勻速地通過孔隙擴(kuò)散并釋放.因此，選擇超高分子材料作為抑菌液的載體，用于吸附和緩釋抑菌成分.

表1 超高分子材料的表征結(jié)果

由表1可知：超高分子材料拉伸斷裂應(yīng)力均值為28.79 MPa，抗沖擊強(qiáng)度均值為78.85 kJ·m-2，這表明超高分子材料具有高強(qiáng)度的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)和形態(tài)穩(wěn)定性良好；超高分子材料的抑菌液吸附量均值為0.58 g·cm-3，吸附率均值為141.38%，這表明超高分子材料內(nèi)部疏松多孔的結(jié)構(gòu)能夠吸附大量的抑菌液.

綜上可知，超高分子材料能夠用于抑菌液的吸附和緩釋，超高分子材料具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及較高的抑菌液吸附率，能夠吸附大量的抑菌液，從而延長(zhǎng)抑菌劑的作用時(shí)間.

2.2 固體緩釋抑菌劑的緩釋和分布效果

2.2.1 固體緩釋抑菌劑的釋放時(shí)間 將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱內(nèi)，每天檢測(cè)恒溫箱空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度，由此得到空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間變化曲線，如圖2所示.

圖2 空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間變化曲線

由圖2可知：空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度在前10 d內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，第10 d后開始降低，這是因?yàn)槌叻肿硬牧蠈?duì)抑菌液吸附量有限，持續(xù)釋放10 d后，抑菌劑的釋放速率減緩，釋放速率小于自然沉降速率，故空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度開始逐漸降低；第11 d，空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度仍大于60 mg·cm-3，能夠達(dá)到有效抑菌濃度；第12 d，空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度降至30 mg·cm-3左右，未達(dá)到有效抑菌濃度；第13 d后，抑菌劑質(zhì)量濃度降至接近0 mg·cm-3，表明固體緩釋抑菌劑已經(jīng)完全釋放.

由此可知，以超高分子材料為載體的固體緩釋抑菌劑持續(xù)釋放時(shí)間為11 d，釋放過程中抑菌劑質(zhì)量濃度保持相對(duì)穩(wěn)定.

2.2.2 空氣中抑菌劑的分布均勻度 測(cè)定恒溫箱5個(gè)采樣點(diǎn)不同時(shí)間的抑菌劑質(zhì)量濃度，抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間變化曲線，如圖3所示.圖3中：采樣點(diǎn)1為中部采樣點(diǎn)；采樣點(diǎn)2～5為4個(gè)角落的采樣點(diǎn).

圖3 不同采樣點(diǎn)抑菌劑質(zhì)量濃度-時(shí)間變化曲線

由圖3可知：30 min之前，中部采樣點(diǎn)質(zhì)量濃度較高；45 min之后，各采樣點(diǎn)的抑菌劑質(zhì)量濃度無明顯差異，說明抑菌劑由中部向四周擴(kuò)散；各采樣點(diǎn)的抑菌劑質(zhì)量濃度在45 min之后均達(dá)到最高值且保持穩(wěn)定，抑菌劑質(zhì)量濃度分布均勻.

因超高分子材料的骨架空間位阻作用，抑菌液的擴(kuò)散和氣體的揮發(fā)受到限制，抑菌液的平均釋放速率在一定時(shí)間內(nèi)保持恒定，呈零級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)特征.在45 min之后，抑菌劑質(zhì)量濃度達(dá)到峰值，且不再繼續(xù)升高，此時(shí)，抑菌劑的釋放速率與其自然沉降速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空氣中抑菌劑質(zhì)量濃度處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

2.3 固體緩釋抑菌劑的抑菌效果

2.3.1 不同消毒方法抑菌效果的對(duì)比 在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)空氣樣本進(jìn)行菌落培養(yǎng)計(jì)數(shù)，比較不同消毒方法的抑菌效果，結(jié)果如表2所示.

由表2可知：3種消毒方法都可以達(dá)到顯著的抑菌效果，紫外燈滅菌法和過氧乙酸滅菌法在短時(shí)間內(nèi)的抑菌效果優(yōu)秀，但24 h后恒溫箱空氣中菌落數(shù)逐漸恢復(fù)正常水平；固體緩釋抑菌劑不僅在短時(shí)間內(nèi)對(duì)病菌的殺滅效果表現(xiàn)優(yōu)秀，并且對(duì)細(xì)菌的抑制效果能夠保持長(zhǎng)時(shí)間，在作用期間，固體緩釋抑菌劑的抑菌效果顯著且穩(wěn)定.

表2 不同消毒方法的抑菌效果

2.3.2 固體緩釋抑菌劑對(duì)不同菌種的抑菌效果 對(duì)固體緩釋抑菌劑進(jìn)行抑菌效果檢驗(yàn)，采用4種常見的致病菌進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示.

由表3可知:在10 d內(nèi)，固體緩釋抑菌劑對(duì)4種常見致病菌的平均殺滅率均高于99 %，說明固體緩釋抑菌劑能夠顯著抑制4種致病菌.因此，固體緩釋抑菌劑能夠應(yīng)用于日常不同場(chǎng)所的消毒抑菌.

表3 固體緩釋消毒劑的抑菌效果

3 結(jié)論

采用揮發(fā)性中西藥復(fù)配抑菌液作為主藥成分，采用超高分子材料作為載體，制備長(zhǎng)效的固體緩釋抑菌劑.通過半熔融燒結(jié)技術(shù)制得的超高分子材料具有特殊的分子微觀結(jié)構(gòu)、良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，超高分子材料內(nèi)部相互堆砌形成微孔，能夠很好地吸附抑菌液，具有較高的抑菌液吸附率.超高分子材料通過空間位阻作用對(duì)抑菌液進(jìn)行緩釋，延緩抑菌液的擴(kuò)散和揮發(fā)速率，延長(zhǎng)抑菌時(shí)間.中西藥復(fù)配抑菌液主要成分包括中藥提取物(大黃、姜黃、苦參和金銀花等)和季銨鹽類衍生復(fù)合物，將中藥與季銨鹽類消毒劑配伍，可提高消毒劑的消毒效果與穩(wěn)定性.中西藥復(fù)配抑菌液具有較強(qiáng)揮發(fā)性，能夠揮發(fā)并隨空氣流動(dòng)分布于周圍環(huán)境的空氣中，與含氯消毒劑、乙醇消毒劑相比，中西藥復(fù)配抑菌液不僅能夠在空氣中保持長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)抑菌效果，而且具有更溫和的性質(zhì)，無明顯的生理刺激性，具有更高的安全性.對(duì)固體緩釋抑菌劑的抑菌效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，制得的固體緩釋抑菌劑抑菌效果優(yōu)秀，能夠顯著抑制多種常見的致病菌.

固體緩釋抑菌劑具有優(yōu)秀的力學(xué)性能及緩釋性，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液體抑菌劑在使用、運(yùn)輸和儲(chǔ)存上的不便性，而且延長(zhǎng)了抑菌劑的作用時(shí)間，無需頻繁更換，節(jié)約成本的同時(shí)又可減少對(duì)環(huán)境的污染.與傳統(tǒng)的消毒方法相比，固體緩釋抑菌劑不僅表現(xiàn)出優(yōu)秀的抑菌效果，對(duì)一定范圍環(huán)境中的多種致病菌具備顯著的抑菌作用，而且作用時(shí)間大為延長(zhǎng)，能夠保持長(zhǎng)達(dá)11 d的持續(xù)抑菌，為大眾的日常消毒抑菌防護(hù)提供了新的選擇.

在1 m3的較小空間內(nèi)對(duì)固體緩釋抑菌劑的緩釋性能和抑菌效果進(jìn)行考察，實(shí)際應(yīng)用中需要采用更多的固體緩釋抑菌劑才能達(dá)到有效抑菌質(zhì)量濃度.今后的研究將采用不同分子量原料、不同工藝制備超高分子量材料，得到不同結(jié)構(gòu)的超高分子材料，通過調(diào)整超高分子材料的大小和形狀，增強(qiáng)其吸附和緩釋性能，使其吸附更多抑菌液，延長(zhǎng)作用時(shí)間，擴(kuò)大作用范圍，增強(qiáng)抑菌效果，使固體緩釋抑菌劑具有更廣闊的應(yīng)用前景.