生物降解材料的制備和抗菌性能研究

王輝 郭旭 樊江平

摘 要：為解決生物降解材料使用過(guò)程中容易被腐蝕、使用壽命短等問(wèn)題，研究以生物降解基Zntrs復(fù)合材料為例，通過(guò)抗菌劑的添加，與高分子材料聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）熔融共混加工，制備了生物可降解材料，實(shí)踐證實(shí)其能夠?qū)Υ竽c桿菌產(chǎn)生良好的抑制，抗菌作用強(qiáng)，擁有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：生物降解材料;制備;抗菌性能;貼膜法;平板培養(yǎng)基法

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ324.8?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0061-04

Study on the preparation and antibacterial properties of biodegradable materials

WANG Hui，GUO Xu，F(xiàn)AN Jiangping

（Baoding Center for Disease Control and Prevention，Baoding 071000，Hebei China）

Abstract：In order to solve the problems of easy corrosion and short service life of biodegradable materials during use，the study took biodegradable Zntrs composite materials as an example through the addition of antibacterial agents，melt blending with polymer materials PLA and PBS to prepare biodegradable materials.Practice has proved that it can produce good inhibition to E.coli，has strong antibacterial effect，and has broad development prospects.

Key words：biodegradable materials;preparation;antibacterial properties;film method;plate culture method

生物降解聚酯在食品包裝、醫(yī)療器械及生活用品等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其具有較好的生物相容性與降解性，未來(lái)將可能替代聚烯烴成為綠色環(huán)保材料。研究發(fā)現(xiàn)，生物降解聚酯材料容易受到細(xì)菌、病毒等微生物的污染，人接觸后增加了感染發(fā)生率及患病率，影響身心健康，因此其在包裝材料、玩具等中的應(yīng)用受到了一定的限制[1]。隨著國(guó)家對(duì)于環(huán)保的重視程度不斷提升，“限塑令”以及“雙碳目標(biāo)”等新政陸續(xù)出臺(tái)，各省市也積極響應(yīng)國(guó)策號(hào)召，紛紛出臺(tái)具體意見(jiàn)和行動(dòng)方案，加快推廣可降解塑料、紙質(zhì)包裝等塑料的可替代產(chǎn)品是我國(guó)塑料污染治理的關(guān)鍵措施，亦給生物降解材料領(lǐng)域帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇。在這一背景下有學(xué)者提出開(kāi)發(fā)具有抗菌性能的生物降解材料，通過(guò)抑菌組分熔融共混或接枝共聚技術(shù)，能夠使得高分子材料具備抑菌性能，成為學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)話題[2]。作為完全生物降解材料，聚乳酸材料在商業(yè)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要包括包裝、骨組織固定及化肥等，隨著近年來(lái)人們對(duì)健康質(zhì)量要求的提高，研究具有抗菌性能的聚乳酸（PLA）制品成為一個(gè)必不可擋的趨勢(shì)，同時(shí)也為未來(lái)食品包裝材料發(fā)展提供了新的方向。目前越來(lái)越多生物降解天然高分子材料得到了開(kāi)發(fā)應(yīng)用，常見(jiàn)包括PLA、聚丁二酸丁二醇酯（PBS），此次研究以生物降解基Zntrs復(fù)合材料為例，將Zntrs配合物作為抗菌劑，熔融共混PLA、PBS等生物降解高分子材料進(jìn)行加工，制備復(fù)合材料，并對(duì)其抑菌性能進(jìn)行研究，將研究結(jié)果予以如下匯報(bào)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與儀器

研究所用Zntrs由天津市雄冠科技發(fā)展有限公司提供;PLA購(gòu)自山東鴻達(dá)生物科技有限公司;PBS購(gòu)自東莞晟東塑膠原料有限公司;聚乙烯（PE）購(gòu)自西安基美科技有限公司;磷酸氫二鈉七水合物購(gòu)自盼得（上海）國(guó)際貿(mào)易有限公司;磷酸二氫鉀由濟(jì)南眾杰化工有限公司提供;無(wú)水乙醇由濟(jì)南涵百化工有限公司提供;牛肉提取物購(gòu)自陜西夏州生物科技有限公司;蛋白胨 P 購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;瓊脂購(gòu)自湖南聚碩生物科技有限公司;氯化鈉購(gòu)自山東緒財(cái)生物科技有限公司;大腸埃希氏桿菌由上海撫生實(shí)業(yè)有限公司提供。

am消毒器由北京邁博潤(rùn)環(huán)保技術(shù)有限公司提供;無(wú)菌酸性苯酚消毒劑購(gòu)自深圳欣博盛生物科技有限公司;EHG恒溫培養(yǎng)箱購(gòu)自常州蒙特儀器制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 Zntrs配合物合成

研究首先在適量高純水中加入丁二酸（5.8 g：0.05 mol）、六水硝酸鋅（7.4 g：0.025 mL）與1，2，4-三氮唑（3.45 g：0.05 mol），在硝酸鋅溶液中加入1，2，4-三氮唑溶液與丁二酸溶液，采用磁力攪拌器進(jìn)行混合均勻攪拌處理;在混合液中加入1 mol/L NaOH溶液，將pH值控制在4～5，然后再次進(jìn)行攪拌，充分反應(yīng)4 h。將旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀溫度調(diào)整為60 ℃，獲得白色粉末粗產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)提純處理，將其保存于真空干燥箱中進(jìn)行烘干處理，溫度以100 ℃為宜;獲得的Zntrs配合物，其主要成分為1，2，4-三氮唑、丁二酸，熔點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定為258～260 ℃。

1.2.2 生物降解基Zntrs材料的制備

將Zntrs配合物置于真空干燥箱中進(jìn)行烘干處理，并采用研缽進(jìn)行研磨使其成為細(xì)末狀，在對(duì)PLA、PBS進(jìn)行烘干處理時(shí)，先將其置于真空干燥箱中，溫度設(shè)置為60 ℃;將PLA加工溫度調(diào)整為150 ℃;當(dāng)加工PBS與PE時(shí)溫度調(diào)整為135 ℃。將適量聚合物基體加入雙錕混煉機(jī)中，確保聚合物熔融后，將不同配比Zntrs配合物加入其中，在常溫狀態(tài)下靜置一定時(shí)間后，采用平板硫化機(jī)進(jìn)行熱壓成型，冷卻到室溫后，將其制為方片試樣，規(guī)格為4 cm×4 cm[3]。

1.2.3 貼膜法測(cè)生物降解基Zntrs材料抑菌性能

嚴(yán)格按照《抗菌塑料的抗菌性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，首先取大腸桿菌，在營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面上進(jìn)行種植，將溫度設(shè)置為37 ℃，培養(yǎng)時(shí)間為24 h。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將經(jīng)過(guò)24 h培養(yǎng)的新鮮細(xì)菌取出，將其制為菌懸液，濃度以1×106cfu/mL為宜;在待測(cè)抑菌試片與空白試片上涂抹適量菌懸液，在試片中央貼上PE覆蓋膜（規(guī)格為30 mm×30 mm），采用滅菌培養(yǎng)皿對(duì)試片予以保存。設(shè)置培養(yǎng)箱溫度為37 ℃，將相對(duì)濕度調(diào)整為90%以上，進(jìn)行24 h培養(yǎng)。將培養(yǎng)后的樣品取出，加入含有20 mL生理鹽水的洗脫液中，對(duì)樣品、覆蓋膜進(jìn)行反復(fù)清洗，震蕩處理懸濁液使其充分搖勻，精密稱(chēng)取0.1 mL，在營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上進(jìn)行接種，設(shè)置溫度為37 ℃，進(jìn)行24 h培養(yǎng);對(duì)活菌計(jì)數(shù)，生物降解材料抗菌率計(jì)算方法為R=c（A-B）/A×100%，其中抑菌率采用R表示，A、B分別表示的是空白對(duì)照試樣與抗菌塑料試樣的回收菌落平均數(shù)[4]。

1.2.4 平板培養(yǎng)基法測(cè)定生物降解基Zntrs材料抑菌性能

將生物降解基Zntrs材料制作成為試樣，形狀為圓柱形，直徑以0.9 mm為宜，厚度為4 mm，將其在大腸桿菌液培養(yǎng)基中進(jìn)行均勻涂抹，在平板上進(jìn)行24 h培養(yǎng)，對(duì)試樣的抑菌情況進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.2.1 貼膜法試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，101型號(hào)聚乳酸加工溫度最低為150 ℃，當(dāng)熔融溫度設(shè)置為150 ℃時(shí)，Zntrs配合物得到分解但出現(xiàn)明顯變質(zhì)，可聞到刺激性氣味，試驗(yàn)以失敗告終。當(dāng)PBS熔融溫度控制在105～140 ℃，PE為140 ℃時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)Zntrs配合物未發(fā)生分解變質(zhì)，獲得試驗(yàn)成功，并成功制備了Zntrs/PBS與Zntrs/PE材料。

如表1所示，其展示的是Zntrs生物降解材料抑制大腸桿菌的性能，可以發(fā)現(xiàn)生物降解材料抑菌效果會(huì)隨著Zntrs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10.0%，其抗菌率為92.82%，提示其抑菌作用強(qiáng)。

2.2.2 平板法試驗(yàn)結(jié)果分析

不同Zntrs添量Zntrs/PBS生物降解材料中培養(yǎng)24 h大腸桿菌的結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌的生長(zhǎng)需要對(duì)PBS試樣進(jìn)行依附;從圖2（b）中可見(jiàn)。大腸桿菌未對(duì)生物降解材料試樣進(jìn)行依附，抑菌作用不強(qiáng);從圖1（c）中可以發(fā)現(xiàn)，試樣周?chē)嬖谝志?，但作用相?duì)微弱，直徑在1 mm以下;圖1（d）顯示Zntrs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，可見(jiàn)周?chē)忻黠@抑菌圈，平均直徑為4 mm;從圖1（e）可以發(fā)現(xiàn)，試樣周?chē)休^大的抑菌圈，直徑在5 mm左右;從圖1（f）中可以發(fā)現(xiàn)，Zntrs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，試樣均表現(xiàn)出明顯的抑菌作用。不難發(fā)現(xiàn)，兩種試驗(yàn)方法獲得的結(jié)果具有較高的一致性，均提示隨著抑菌劑含量的增加，生物降解材料在抑制大腸桿菌方面作用越強(qiáng)，抑菌性能越強(qiáng)。

2.2.3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

將生物降解聚酯材料與Zntrs進(jìn)行共混，可以發(fā)現(xiàn)生物降解聚酯材料被賦予了抑菌性能，此次研究選擇塑料聚乙烯作為非生物降解材料，對(duì)比了其與Zntrs抑菌劑制備復(fù)合材料在抑菌方面的作用。如圖2所示其呈現(xiàn)的是添加不同Zntrs量所獲得的Zntrs復(fù)合材料的抑菌作用結(jié)果。從圖2（a）中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)24 h培養(yǎng)，純PE試樣自薄膜轉(zhuǎn)移后，可見(jiàn)培養(yǎng)基上的大腸桿菌呈現(xiàn)稠密的菌斑。該研究結(jié)果提示，大腸桿菌接觸PE后大部分菌種均成活，培養(yǎng)過(guò)程中各菌落形成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，細(xì)菌生長(zhǎng)受到一定程度的限制;且影響了養(yǎng)分的吸收，難以形成大的菌落[5]。

由圖3（b）～（f）可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料上轉(zhuǎn)移的菌液所能夠培養(yǎng)的菌落會(huì)隨著抗菌劑的增加而出現(xiàn)降低趨勢(shì);說(shuō)明活菌在菌液中的數(shù)量分布有一定程度的減少，強(qiáng)化了復(fù)合材料的抑菌效果[6～7]。表2所示為Zntrs/PE復(fù)合材料在抑制大腸桿菌方面的效果，可以發(fā)現(xiàn)抑菌效果在抑菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%后有明顯的表現(xiàn);當(dāng)添加抑菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，測(cè)量其抑菌直徑在4 mm，抗菌效果達(dá)到93.64%;當(dāng)抑菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%時(shí)，對(duì)細(xì)菌的抑制能力達(dá)到95.69%，提示其具有極強(qiáng)的抗細(xì)菌效果。

采用平板培養(yǎng)基法對(duì)Zntrs/PE復(fù)合材料抑菌情況進(jìn)行測(cè)定，從圖3可以發(fā)現(xiàn)其與貼膜法存在較高的一致性。當(dāng)Zntrs抗菌劑含量增多時(shí)，復(fù)合材料的抑菌性能提升，表現(xiàn)為抑菌率的提升，當(dāng)Zntrs抗菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%后，其抑菌圈覆蓋4 mm直徑范圍，體現(xiàn)出較高的抑菌強(qiáng)度。

研究對(duì)生物降解聚酯與常規(guī)的塑料聚乙烯抗菌能力進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)這兩類(lèi)塑料中加入Zntrs抗菌劑均具有極強(qiáng)的可行性，其能夠使得塑料具備抗菌作用。當(dāng)Zntrs抗菌劑含量增多后，塑料的抑菌效果也會(huì)發(fā)生一定的變化，抑菌效果不斷增強(qiáng)。PBS塑料在Zntrs抗菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%時(shí)，其對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)及繁殖的抑制作用優(yōu)于PE;若繼續(xù)增加Zntrs抗菌劑含量，增加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～10%時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)塑料PE抗菌率得到了進(jìn)一步提升，分別為93.82%、95.67%，顯現(xiàn)了極強(qiáng)的抑菌效果[8]。但添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的Zntrs抑菌劑于PBS后，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料抑菌率僅為92.89%;這與常規(guī)塑料相比，其抑菌效果相對(duì)較差，抑菌率低。

3 結(jié)語(yǔ)

研究所用抑菌劑為自制Zntrs，按照流程制備了Zntrs/PLA、Zntrs/PBS抗菌復(fù)合材料，對(duì)各復(fù)合材料的抗菌效果進(jìn)行分析;對(duì)常規(guī)塑料PE在添加Zntrs復(fù)合材料的情況下抑菌性能作出了分析，得出了如下結(jié)論：

（1）對(duì)PLA、Zntrs配合物進(jìn)行熔融處理時(shí)，填充過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)顏色變黃，產(chǎn)生刺激性氣味，經(jīng)過(guò)復(fù)合材料制備對(duì)其抑菌性能進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)抑菌率均為0，提示未能產(chǎn)生抑菌作用。這是因?yàn)橐志鷦┙?jīng)過(guò)高溫作用加工后會(huì)出現(xiàn)分解現(xiàn)象，導(dǎo)致失效;

（2）大腸桿菌會(huì)受到Zntrs復(fù)合材料的影響，對(duì)其生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生一定的作用，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料抑菌效果會(huì)隨著Zntrs抑菌劑含量的升高呈現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)。復(fù)合材料抑菌性能在Zntrs抑菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，能夠達(dá)到更強(qiáng)的抗菌效果;

（3）研究比較了常規(guī)塑料PE與Zntrs抑菌劑填充后的性能，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)塑料在加入Zntrs抑菌劑后能夠發(fā)揮抗菌效果，在較少Zntrs含量狀態(tài)下，生物降解聚酯塑料抑菌效果更好;當(dāng)Zntrs抑菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7%～10%后，常規(guī)塑料抑菌效果更好。

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