紫外輻照一步法構(gòu)建醋酸纖維素抗菌膜分析研究 高分子材料學(xué)專業(yè)

目錄TOC\o"1-4"\h\u第一章緒論 31.1前言 31.2研究目標(biāo)以及內(nèi)容 5第二章醋酸纖維素抗菌膜的構(gòu)建及表征 72.1實驗部分 72.1.1實驗原料與試劑 72.1.2實驗儀器 72.1.3實驗方法 82.1.3.1二苯甲酮類離子液的合成 82.1.3.2醋酸纖維素纖維膜的制備 92.1.3.3離子液功能化纖維膜的制備 92.1.3.4離子液功能化纖維膜的抗菌性能測定 102.1.4表征方法 102.2結(jié)果與討論 102.2.1二苯甲酮類離子液合成 102.2.2改性前醋酸纖維素膜的觀測結(jié)果與分析 112.2.3改性后醋酸纖維素膜的表征結(jié)果與分析 122.2.4改性后醋酸纖維素膜的抗菌表征結(jié)果 142.3小結(jié) 15第三章結(jié)論 17參考文獻 18致謝 20紫外輻照一步法構(gòu)建醋酸纖維素抗菌膜摘要靜電紡絲是一種用于快速制備一維納米材料的方法，具有快速、方便的特點，所制備的纖維直徑可從幾十個納米到幾微米，具有較高的孔隙率及比表面積，可攜帶大量的釋放性藥物。若在納米纖維的表面接枝上抗菌劑進行修飾，便可制得具有抗菌功能的纖維膜，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文對抗菌的靜電紡絲膜進行研究，以期獲得高抗菌效率的靜電紡絲膜。本課題首先通過控制靜電紡絲過程中的紡絲液濃度、電壓值、接收距離、進給速率、紡絲液用量和滾筒轉(zhuǎn)速等參量制得表面平整、直徑均一的醋酸纖維素（CA）納米纖維膜，用掃描電子顯微鏡（SEM）對其形貌進行觀察。再通過化學(xué)合成制得一種二苯甲酮類離子液體，運用核磁共振波譜表征其化學(xué)結(jié)構(gòu)。隨后通過紫外光照將二苯甲酮類離子液接枝到CA膜的表面獲得改性CA膜，通過傅里葉紅外光譜儀及X射線光電子能譜對其進行表征。最后再進行抗菌測試，表征改性CA膜的抗菌性能。關(guān)鍵詞：靜電紡絲 醋酸纖維素納米膜 抗菌AbstractElectrostaticspinningisafastandconvenientmethodfortherapidpreparationofone-dimensionalnanomaterials.Thediameterofthefiberisfromnanometerstomicrometers.Thefiberhashighporosityandspecificsurfacearea,andcancarrydrugstorelease.Iftheantibacterialagentsaremodifiedonthenano-fibersurfaces,itcanbemadeoffibermembranewithantibacterialfunction,whichiswidelyusedinthefieldofbiomedicalmaterials.Inthispaper,antibacterialspinningfilmsarestudiedinordertoobtainthehighantibacterialefficiencyofelectrospinningfilm.Inthisstudy,firstly,smoothsurfaceanduniformdiameterofcelluloseacetate（CA）nanofibermembraneswereproducedbycontrollingelectrospinningsolutionconcentration,voltage,receivingdistance,feedrate,volumeofdopeandrollerspeed.Itsmorphologywasobservedbyscanningelectronmicroscopy（SEM）.Sceondly,adiphenylketoneionicliquidwassynthesizedandcharacterizedbynuclearmagneticresonancespectra（NMR）.ThenthemodifiedCAfilmswereobtainedbygraftingthediphenylketoneionicliquidontothesurfaceoftheCAmembrane.Theionicliquid-modifiedCAfilmswerecharacterizedbyFourierinfraredspectraandX-rayphotoelectronspectroscopy.Finally,antibacterialtestwasperformedtodemonstratetheantimicrobialpropertiesofthemodifiedCAmembrane.Keywords:electrospinning；celluloseacetatenanomembranes；antibacteria；緒論1.1前言細菌、真菌和病毒等病原微生物能引發(fā)機體組織發(fā)生病變，嚴(yán)重威脅著人類健康。尤其是醫(yī)用生物材料在介（植）入體內(nèi)后，在其表面滋生細菌是引發(fā)人體感染的最主要原因，嚴(yán)重者甚至?xí)＜吧踩?。研究表明，細菌在生物醫(yī)用材料表面粘附是引起感染的第一步，細菌先要粘附于物質(zhì)表面，然后通過信號分子進行相互間的信息交流，引來同類細菌聚集，從而形成完整的生物膜結(jié)構(gòu)[[]PavithraD,DobleM.Biofilmformation,bacterialadhesionandhostresponseonpolymericimplants--issuesandprevention[J].BiomedicalMaterials,2008,3(3):034003.]。生物膜一旦形成，膜內(nèi)細菌抵抗抗生素等殺菌藥物以及防止機體免疫系統(tǒng)清除的能力將大大加強，從而就會引起細菌持續(xù)性感染[[]HardingJL,ReynoldsMM.Combatingmedicaldevicefouling[J].TrendsinBiotechnology,2014,32(3):140-6.[]PavithraD,DobleM.Biofilmformation,bacterialadhesionandhostresponseonpolymericimplants--issuesandprevention[J].BiomedicalMaterials,2008,3(3):034003.[]HardingJL,ReynoldsMM.Combatingmedicaldevicefouling[J].TrendsinBiotechnology,2014,32(3):140-6.目前迅速發(fā)展的在材料表面引入抗菌劑是一種構(gòu)建抗菌表面非常有效的方法，主要可分為兩類：第一類是利用物理方法，例如，旋涂、沉積等在表面修飾上如抗菌肽、抗生素、銀離子和季銨鹽類的化合物等抗菌劑[[]ShiH,LiuH,LuanS,etal.Antibacterialandbiocompatiblepropertiesofpolyurethanenanofibercompositeswithintegratedantifoulingandbactericidalcomponents[J].CompositesScience&Technology,2016,127:28-35.]；第二類是通過化學(xué)共價鍵的鍵合在表面修飾上抗菌劑，包括表面聚合接枝法、本體添加法、層層自組裝法等[[]Joseph,SchlenoffB.Zwitteration:CoatingSurfaceswithZwitterionicFunctionalitytoReduceNonspecificAdsorption[J].Langmuir,2014,30(32):9625-36.]。物理方法雖然操作簡單，但抗菌涂層熱穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性較差，抗菌涂層的使用壽命較短[[[]ShiH,LiuH,LuanS,etal.Antibacterialandbiocompatiblepropertiesofpolyurethanenanofibercompositeswithintegratedantifoulingandbactericidalcomponents[J].CompositesScience&Technology,2016,127:28-35.[]Joseph,SchlenoffB.Zwitteration:CoatingSurfaceswithZwitterionicFunctionalitytoReduceNonspecificAdsorption[J].Langmuir,2014,30(32):9625-36.[]DesmetT,MorentR,GeyterND,etal.NonthermalPlasmaTechnologyasaVersatileStrategyforPolymericBiomaterialsSurfaceModification:AReview[J].Biomacromolecules,2009,10(9):2351-78.[]BarbeyR,LavanantL,ParipovicD,etal.Polymerbrushesviasurface-initiatedcontrolledradicalpolymerization:synthesis,characterization,properties,andapplications.[J].ChemicalReviews,2009,109(11):5437.纖維素是自然界中廣泛存在的一種天然高聚物，醋酸纖維素又稱乙酸纖維素，它是將纖維素用醋酐處理后得到的，具有良好的熱穩(wěn)定性、生物相容性和親水性，是一種綠色環(huán)保的可再生材料。而靜電紡絲是一種制備多孔膜的簡單通用的方法[[]JessicaD.Schiffman,CarolineL.Schauer.AReview:ElectrospinningofBiopolymerNanofibersandtheirApplications[J].PolymerReviews,2008,48(2):317-352.]，通過靜電紡絲法制備的醋酸纖維素膜具有高的比表面積和孔隙率、可控的纖維直徑、良好的親水性、生物相容性等特點，目前已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料、親水材料、分離材料等方面[[]KonwarhR,KarakN,MisraM.Electrospuncelluloseacetatenanofibers:thepresentstatusandgamutofbiotechnologicalapplications[J].BiotechnologyAdvances,2013,31(4):421-437.[]JessicaD.Schiffman,CarolineL.Schauer.AReview:ElectrospinningofBiopolymerNanofibersandtheirApplications[J].PolymerReviews,2008,48(2):317-352.[]KonwarhR,KarakN,MisraM.Electrospuncelluloseacetatenanofibers:thepresentstatusandgamutofbiotechnologicalapplications[J].BiotechnologyAdvances,2013,31(4):421-437.[]ZhangL,MenkhausTJ,HaoF.Fabricationandbioseparationstudiesofadsorptivemembranes/feltsmadefromelectrospuncelluloseacetatenanofibers[J].JournalofMembraneScience,2008,319(1–2):176-184.[]SonWK,YoukJH,ParkWH.Antimicrobialcelluloseacetatenanofiberscontainingsilvernanoparticles[J].CarbohydratePolymers,2006,65(4):430-434.靜電紡絲（electrospinning）技術(shù)簡稱靜電紡絲或者電紡絲，是從電噴技術(shù)（electrospraying）發(fā)展演化而來的一種技術(shù)。其概念最早可追溯到1882年Rayleig[[]DaltonAB,CollinsS,Mu?ozE,etal.Super-toughcarbon-nanotubefibres[J].Nature,2003,423(6941):703.]霧滴靜電化研究。1934年，F(xiàn)ormalas發(fā)明用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利，這是首次利用高壓靜電來制備纖維裝置的詳細描述，被公認為是靜電紡絲技術(shù)制備微納米纖維的開端[[]MoonSC,FarrisRJ.Strongelectrospunnanometer-diameterpolyacrylonitrilecarbonfiberyarns[J].Carbon,2009,47(12):2829-2839.]。90年代，美國阿克隆大學(xué)大學(xué)Reneker實驗室對靜電紡絲工藝和應(yīng)用展開了深入和廣泛的研究[[]DaltonAB,CollinsS,Mu?ozE,etal.Super-toughcarbon-nanotubefibres[J].Nature,2003,423(6941):703.[]MoonSC,FarrisRJ.Strongelectrospunnanometer-diameterpolyacrylonitrilecarbonfiberyarns[J].Carbon,2009,47(12):2829-2839.[]KhilMS,BhattaraiSR,KimHY,etal.Novelfabricatedmatrixviaelectrospinningfortissueengineering.[J].JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartBAppliedBiomaterials,2005,72B(1):-.[]LeonasK,LiuH.AntimicrobialPropertiesandReleaseProfileofAmpicillinfromElectrospunpolycaprolactoneNanofiberYarns[J].JournalofEngineeredFibers&Fabrics,2010,11(7):1024-1031.靜電紡絲主要由高壓電源、紡絲噴頭和接收裝置等三個部分構(gòu)成。如圖1（a）、（b）所示，實驗過程中，將聚合物紡絲溶液裝入紡絲容器內(nèi)，在高壓靜電場的作用下，紡絲液從噴頭中擠出形成錐體（泰勒錐），當(dāng)電壓超過某一界限時會形成射流；由于強電場的拉伸作用以及射流內(nèi)部電荷的排斥作用，射流會發(fā)生不穩(wěn)定彎曲，在空中急速震蕩和鞭動，從而拉伸細化（有時還會發(fā)生劈裂細化），最終形成納米纖維并以無紡布的形式沉積在收集裝置上[[]WangH,ZhengG,LiW,etal.Direct-writingorganicthree-dimensionalnanofibrousstructure[J].AppliedPhysicsA,2011,102(2):457-461.[]WangH,ZhengG,LiW,etal.Direct-writingorganicthree-dimensionalnanofibrousstructure[J].AppliedPhysicsA,2011,102(2):457-461.而影響納米纖維膜性質(zhì)的因素有很多，幾個較為重要的因素如下：噴絲頭與收集板之間的距離d：射流的飛行距離隨著d的增大而增大，纖維可以得到合適的拉伸，不同的拉伸程度可以獲得不同直徑，故可以通過控制d值的大小，從而控制纖維的直徑，以獲得目標(biāo)纖維膜。[]何素文.靜電紡絲納米纖維形態(tài)影響因素的分析與驗證[D].東華大學(xué),2011.[]何素文.靜電紡絲納米纖維形態(tài)影響因素的分析與驗證[D].東華大學(xué),2011.大影響[[]BolandE,WnekG,SimpsonD,etal.TAILORINGTISSUEENGINEERINGSCAFFOLDSUSINGELECTROSTATICPROCESSINGTECHNIQUES:ASTUDYOFPOLY(GLYCOLICACID)ELECTROSPINNING[J].JournalofMacromolecularScience:PartA-Chemistry,2001,38(12):1231-1243.][[]DeitzelJM,KleinmeyerJ,HarrisD,etal.Theeffectofprocessingvariablesonthemorphologyofelectrospunnanofibersandtextiles[J].Polymer,2001,42(1):261-272.]，而這三個參數(shù)的改變將會直接或簡潔的影響到噴射孔徑的大小、溶[]BolandE,WnekG,SimpsonD,etal.TAILORINGTISSUEENGINEERINGSCAFFOLDSUSINGELECTROSTATICPROCESSINGTECHNIQUES:ASTUDYOFPOLY(GLYCOLICACID)ELECTROSPINNING[J].JournalofMacromolecularScience:PartA-Chemistry,2001,38(12):1231-1243.[]DeitzelJM,KleinmeyerJ,HarrisD,etal.Theeffectofprocessingvariablesonthemorphologyofelectrospunnanofibersandtextiles[J].Polymer,2001,42(1):261-272.[]RossSE.Electrospinning:Thequestfornanofibers[J].InternationalFiberJournal,2001,16(5):50-53.1.2研究目標(biāo)以及內(nèi)容基于上述分析，我們提出利用靜電紡絲并結(jié)合紫外輻照方法，將離子液抗菌化合物[11]一步法共價接枝在醋酸纖維素膜表面，克服目前現(xiàn)有技術(shù)中抗菌表面制備繁瑣、制備周期較長的不足。我們希望通過該研究工作，獲得具有高效抗菌性能的醋酸纖維素膜材料，為方便、快捷解決生物材料表面細菌污染這一難題提供一種新的途徑和方法。利用紫外光輻照一步法，將離子液和醋酸纖維素膜通過共價鍵有機鍵合在一起，為設(shè)計制備高效的抗菌材料提供實驗基礎(chǔ)。本課題特色基于抗菌醫(yī)用生物材料角度出發(fā)，利用靜電紡絲并結(jié)合紫外輻照方法，將天然高聚物醋酸纖維素和離子液通過共價鍵有機鍵合在一起，構(gòu)建具有高效抗菌性能的膜材料，為方便、快捷解決生物材料表面細菌污染這一難題提供一種新的途徑和方法。具體如下：（1）利用二苯甲酮類離子液一步法接枝在纖維膜表面作為抗菌材料，制備方法簡單宜行，可克服現(xiàn)有技術(shù)中抗菌表面制備繁瑣的不足。（2）醋酸纖維素纖維膜具有高的比表面積和孔隙率的特點，可高密度接枝抗菌化合物，為高效抗菌材料的制備研究提供了一條新途徑。（3）醋酸纖維素膜表面和離子液化合物的共價鍵結(jié)合，所得抗菌涂層穩(wěn)定性高，可克服現(xiàn)有物理方法中涂層化學(xué)穩(wěn)定性較差、抗菌涂層的使用壽命較短的缺陷。醋酸纖維素抗菌膜的構(gòu)建及表征2.1實驗部分2.1.1實驗原料與試劑本章所使用的原料與試劑如表2-1所示。常用溶劑均按標(biāo)準(zhǔn)方法純化處理后使用。實驗用水均經(jīng)過Millipore系統(tǒng)純化處理。2.1.2實驗儀器2.1.3實驗方法2.1.3.1二苯甲酮類離子液的合成取6-溴-1己醇（2.5g，14mmol）與甲基咪唑（1.1g，14mmol），在45°C氮氣保護下反應(yīng)過夜，得到淡黃色粘稠狀液體，即為二苯甲酮離子液單體中間體。將4-苯甲酰苯甲酸（2.0g，8.8mmol）加入30mL二氯甲烷，并加入10μL無水DMF，在冰浴條件下逐滴加入用10mL二氯甲烷溶解的草酰氯（1.2g，9.7mmol），滴加完畢后移至室溫反應(yīng)過夜。旋干溶劑，得到黃色的粗產(chǎn)物，即為4-苯甲酰苯甲酰氯。取羥基咪唑離子液（2.0g，7.3mmol）用20mL三氯甲烷進行溶解，并加入2mL三乙胺（1.5g，14.6mmol）。隨后在冰浴條件下逐滴加入用10mL二氯甲烷溶解的4-苯甲酰苯甲酰氯（2.1g，8.8mmol）。滴加完畢后移至室溫反應(yīng)過夜。隨后二氯甲烷稀釋，用飽和食鹽水洗，無水硫酸鎂干燥，過濾，旋干溶劑。最后用二氯甲烷/乙醚進行沉淀，得到黃色粘稠狀液體，即為產(chǎn)物二苯甲酮類離子液。2.1.3.2醋酸纖維素纖維膜的制備將醋酸纖維素溶解于DMF-丙酮混合溶劑中作為紡絲液，進行靜電紡絲，通過高速旋轉(zhuǎn)器收集纖維，得到醋酸纖維素纖維膜。紡絲過程中需要控制紡絲機的濕度在40%以下。紡制好的CA膜用剪刀從滾筒上取下，再用打孔機將整塊的CA膜制成直徑為0.6cm小圓片備用。在進行紡絲時各項參數(shù)得出結(jié)果如下：紡絲液濃度電紡電壓大小接收距離進給速率紡絲液用量滾筒轉(zhuǎn)速丙酮:DMF=3:2CAwt%=30%負壓：0V正壓：15-17KV16-18cm0.02ml/min35ml（大）15ml（?。┠芙邮盏饺芤杭纯?.1.3.3離子液功能化纖維膜的制備將合成的二苯甲酮類離子液配制成一定濃度的乙醇溶液，然后將醋酸纖維素膜浸入溶液中1-2分鐘取出，在室溫下晾干，并經(jīng)紫外光照射后，經(jīng)乙醇清洗后干燥制得離子液功能化纖維膜材料。將離子液的濃度控制在3mg/mL，5mg/mL，8mg/mL三個梯度，光照時間設(shè)定為2min、5min、8min三個梯度在光照時發(fā)現(xiàn)處于5min以及8min的離子液功能化纖維膜出現(xiàn)了氧化變黃的結(jié)果。而后降低光照時間為2min、3min、4min三個時間梯度進行實驗。2.1.3.4離子液功能化纖維膜的抗菌性能測定將大腸桿菌MG1655在37℃，2mL無菌LB培養(yǎng)基中震蕩培養(yǎng)過夜，用無菌PBS溶液將細菌溶液稀釋，使細菌濃度為1×107mL-1。吸取10μL細菌液至改性前及改性后的醋酸纖維素膜表面在37°C下培養(yǎng)3小時后，用倒置離心的方法，稀釋到合適的濃度進行涂板，隨后在37°C恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)18h后取出拍照并計算殺菌率。2.1.4表征方法 合成產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過核磁共振波譜儀（INOVA400MHz）進行分析，。CA膜的微觀結(jié)構(gòu)使用掃描電子顯微鏡（S-4700）進行觀察。CA膜表面接枝前后表面靜態(tài)水解觸角測試所使用的儀器為SL-200C型水解觸角儀（USAKinoIdustryCo,Ltd）。改性后的CA膜可以通過傅里葉紅外光譜儀（Nicolet6700）和X射線光電子譜（Multilab2000）進行表征。。2.2結(jié)果與討論2.2.1二苯甲酮類離子液合成圖4.二苯甲酮類離子液的1圖4.二苯甲酮類離子液的1HNMR譜圖首先，我們進行了二苯甲酮類離子液的合成工作，得到的核磁結(jié)果如圖3所示，δ值在8.16-8.13ppm和3.92ppm所對應(yīng)的為甲基咪唑上氫的化學(xué)位移，而4.39-4.23ppm和1.95-1.43ppm之間所對應(yīng)的為結(jié)構(gòu)中亞甲基上氫的化學(xué)位移，7.89-7.51ppm應(yīng)為苯環(huán)上氫的化學(xué)位移。檢測結(jié)果表明，通過上述合成過程得到的黃色粘稠狀液體便是實驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)物二苯甲酮類離子液。2.2.2改性前醋酸纖維素膜的觀測結(jié)果與分析（b）（b）首先，我們通過靜電紡絲，制備了醋酸纖維素膜，并對其進行了基本的表征。從圖4a可知，所制備的CA膜表面較為平整，無明顯斑點。SEM檢測結(jié)