光敏抗菌型静电纺丙烯酸甲酯/丙烯酸纳米纤维的制备及其性能表征

张 权， 代雅轩， 马梦琴， 王清清， 魏取福

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

光敏抗菌型静电纺丙烯酸甲酯/丙烯酸纳米纤维的制备及其性能表征

张 权， 代雅轩， 马梦琴， 王清清， 魏取福

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

为利用乳液聚合法合成甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸共聚物(P(MMA-co-MAA))，通过静电纺丝技术制备P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜，并利用其表面的羧酸基团吸附阳离子光敏药物，从而得到光敏抗菌型静电纺纳米纤维膜。通过凝胶渗透色谱、傅里叶红外光谱、热失重分析法等对P(MMA-co-MAA)聚合物进行表征，借助扫描电子显微镜、表面张力仪对P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的形貌及吸附行为进行分析，最后探讨了所制备纳米纤维膜的抗菌性能。结果表明：制备出了具有较高分子质量的P(MMA-co-MAA)聚合物，静电纺纳米纤维膜对阳离子光敏剂亚甲基蓝(MB)和5,10,15,20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉锌(锌卟啉)具有良好的吸附性能。二者都表现出良好的抗菌效果，抗菌率可达到99.99%。

乳液聚合； 甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸共聚物； 静电纺丝； 纳米纤维； 光动力抗菌

近半个世纪以来，光敏抗菌药物伴随着光动力治疗技术的临床应用逐渐趋于成熟而受到越来越多的关注。光动力抗菌化学疗法[1](PACT)的基本原理是：光敏剂优先聚集于细菌周围，在近红外光或可见光的照射下，光敏剂吸收电子从基态跃迁到高能量的三线态，三线态光敏剂直接与生物分子反应产生自由基和自由电子(Ⅰ类反应)，或者与分子氧反应产生更高活性的单线态氧(Ⅱ类反应)。自由基和单线态氧对目标微生物产生毒性，从而灭活细菌，治疗细菌感染性疾病[2]。常见的光敏剂有吩噻嗪类光敏剂、玫瑰红、钌络合物、酞菁类光敏剂、卟啉类光敏剂等[3]。相较于传统的抗菌材料，光敏抗菌材料具有以下优点：1)抗菌范围广，可广泛作用于各种细菌、真菌、病毒等微生物；2)光敏剂的毒副作用低；3)可在短时间内灭活感染的微生物,不会使微生物产生耐药性[4]。

光敏抗菌药物在固体基质材料表面的固定化为其重复利用提供了条件。不同固定化载体在光敏剂的固定化中的应用研究已被广泛报道，例如：有学者[5]研究了在纤维素表面共价接枝卟啉从而制备光敏抗菌膜材料, 研究结果证实该复合膜对革兰氏阳性菌(以金黄色葡萄球菌和耻垢分枝杆菌为代表)及革兰氏阴性菌(以大肠杆菌为代表 )均具有良好的抗菌效果；HONG等[6]用冻融法制备了玫瑰红/聚乙烯醇以及二苯甲酮/聚乙烯醇水凝胶,分别考察了其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌行为，研究结果表明材料的光敏抗菌效果非常理想，然而光敏抗菌剂存在易析出的问题。WANG等[7]在蜂窝状的多孔膜中负载卟啉并研究了其抗菌行为,结果表明结构规整的多孔聚合物膜可提高光敏抗菌效率。其中，静电纺纳米纤维因其具有良好的可加工性，所制备的材料具有较大的比表面积，聚合物材料可选择范围广并且易于在纳米纤维表面实现功能化改性等优点而受到普遍关注。

本文利用乳液聚合制备甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸(P(MMA-co-MAA))共聚物，通过静电纺丝得到其纳米纤维膜，并利用其表面的羧基基团实现对2种阳离子光敏剂亚甲基蓝(MB)、5，10，15，20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉锌(Zn-Por)的吸附，并探讨了光敏剂在溶液状态下以及纤维膜表面的不同抗菌行为。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸(MAA)、氢氧化钠、脂肪醇聚氧乙烯醚 AEO-7、三氯甲烷、过硫酸钾,分析纯，均购自中国医药集团上海化学试剂公司。十二烷基苯磺酸钠 (SDBS),分析纯；N,N-二甲基甲酰氨(DMF)，色谱纯，均购自国药集团化学试剂有限公司。亚甲基蓝结构式如图1所示。卟啉锌、金黄色葡萄球菌(Staph.Aureus)、CMCC(B) 26003，均购自上海维塔试剂有限公司。

图1 光敏剂的结构式Fig.1 Chemical structure of photosensitizers. (a) Methylene blue； (b) Meso-tetrakis (N-methyl- pyridinium-4-yl) porphyrin Zn(Ⅱ)

静电纺丝装置(实验室自制)；NDJ-79型旋转式黏度计(同济大学机电厂)；DCAT 21型表面张力仪(德国 dataphysics 公司)；DDS-11A型数显电导率仪(上海天达仪器有限公司)；XQ500W型氙灯(上海蓝晟电子有限公司)；85-2A型数显恒温测速磁力搅拌器(金坛市荣华仪器制造有限公司)；NICOLETIS10型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)(赛默飞世尔科技(中国)有限公司)；SU1510型扫描电子显微镜(SEM)(日本日立株式会社)。

1.2 P(MMA-co-MAA)聚合物及性能测试

将30 g MMA、24.3 g MAA以及200 mL去离子水分别加入500 mL的三口烧瓶中。将烧瓶放入油浴锅中搅拌升温至80 ℃后，依次加入0.092 8 g SDBS、0.266 7 g乳化剂AEO-7和20 mL浓度为0.05 mol/L的K2S2O8引发剂溶液，滴加完成后保温反应4 h,整个过程都在N2保护环境中进行。冷却后用盐酸破乳，去离子水洗涤抽滤，真空干燥得到聚合物[8]。分别用傅里叶变换红外光谱仪和Q500热分析仪对聚合物进行红外光谱分析和热学性质的测定。

1.3 纳米纤维膜制备及结构观察

配制聚合物质量分数为6%的纺丝液，溶剂为DMF和氯仿复配体系，比例分别为10∶0、7∶3、5∶5、3∶7。利用DCAT 21型表面张力仪、DDS-11A型数显电导率仪、NDJ-79型旋转式黏度计分别对纺丝液的表面张力、电导率、黏度进行测定。将已配制好的纺丝液倒入标准容量为20 mL的注射器中,在针头加上正电势，用被铝箔纸覆盖的滚筒作为接收装置。纺丝过程中电压为20 kV，纺丝速度为0.7 mL/h，收集距离为15 cm，纺丝结束后，卸下锡箔纸，在室温下存放，待溶剂挥发。用扫描电子显微镜观察静电纺纳米纤维的表面形貌及纤维结构。

1.4 光敏剂固定及对光动力抗菌行为评价

1.4.1 P(MMA-co-MAA)羧基含量的测定

分别将3组100 g的膜于室温下浸泡在50 mL浓度为0.01 mol/L的NaHCO3溶液中，48 h后过滤、干燥。用0.05 mol/L的HCl溶液滴定浸泡后的NaHCO3溶液直至溶液pH值为7时，测定消耗的HCl溶液体积，进而计算出样品表面的羧基含量[9]。

P(MMA-co-MAA)羧基含量测试结果平均值为3.39 mmol/g。

1.4.2 固定光敏药物

在P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜中选取有代表性的试样，剪成适当大小，称取质量为(0.4±0.05)g作为1个试样。将试样放入24孔板内，分别加入1 mL浓度为100 μmol/L的MB和锌卟啉溶液，静置12～24 h，通过纳米纤维膜上羧基的静电吸附作用将光敏剂固定在纳米纤维膜上。

1.4.3 抗菌行为

考虑到单态氧的寿命较短，扩散距离有限，纤维形貌和直径会对抗菌效果产生影响，因此选择复配溶剂中DMF与三氯甲烷质量比为5∶5的纳米纤维膜来进行抗菌评价。根据GB/T 20944.2—2007《纺织品抗菌性能的评价 第2部分：吸收法》对纳米纤维膜进行抗菌测试。从上述纳米纤维膜上剪出适当大小的试样，分别取3个待测抗菌性能试样和6个对照样。6个对照样中，3个试样直接接种细菌作为对照原样，3个吸附光敏剂的试样接种细菌后置于暗室的环境中，作为暗室对照。3个吸附光敏剂的待测抗菌性能试样接种细菌后用近红外光或可见光进行照射。30 min后测定9个样品的菌落数，计算出其抑菌值和(或)抑菌率，从而对其抗菌效果作出评价。

2 结果与讨论

2.1 P(MMA-co-MAA)聚合物性能的表征

2.1.1 P(MMA-co-MAA)聚合物分子质量

通过凝胶渗透色谱法(GPC)分析，计算结果表明P(MMA-co-MAA)的数均分子质量为422 631，质均分子质量为532 680，分子质量多分散性系数为1.26，表明该聚合物的分子质量较大，且分子质量分布较为集中，为其可纺性提供了保障。

2.1.2 结构分析

图2 P(MMA-co-MAA)聚合物的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectrum of P(MMA-co-MAA) polymer

2.1.3 P(MMA-co-MAA)聚合物热性能分析

通过热重分析研究了P(MMA-co-MAA)聚合物的热性能，图3示出其热失重(TGA)曲线和微分热重(DTG)曲线。由图可知，聚合物的质量损失分为2个阶段，在177～365 ℃区间内，有轻微的质量损失，主要是由于聚合物中含有的水分和小分子物质等杂质的去除以及侧链基团的初步降解。在365～471 ℃范围内，聚合物骨架开始降解，造成质量的显著下降，在471 ℃达到完全降解[11]。

图3 P(MMA-co-MAA)聚合物的TGA和DTG曲线Fig.3 TGA and DTG cruves of P(MMA-co-MAA) polymer

2.2 纳米纤维膜形貌及性能

2.2.1 纺丝液性质及纤维平均直径

纺丝液的基本性质可通过不同溶剂的复配来进行调节，结果如表1所示。可看出，随着溶剂中三氯甲烷的比例增加，纺丝液的黏度增加，这是因为三氯甲烷的分子质量大于DMF，分子质量越大，分子链越长，分子间力越大，流动越困难。此外，随着三氯甲烷比例的增加，纺丝液电导率下降，表面张力值降低。

由于黏度的增加以及电导率的下降会导致静电纺纳米纤维的直径变大[12]，因此随着三氯甲烷在复配溶剂中比例的增加，纤维平均直径也逐渐变大。

表1 静电纺丝溶液性质与纤维直径的关系Tab.1 Properties of eletrospinning solution and mean diameter of electrospun nanofibers

2.2.2 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的形貌结构

P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的扫描电镜照片如图4所示。可看出，单独用DMF作为溶剂时，所制备的纳米纤维表面有大量珠节，而三氯甲烷的加入有效改善了纤维形貌，纤维表面变得平滑，且随着三氯甲烷比例的增加，纤维直径逐渐变粗，这与表1纺丝液性质分析的结果一致。

图4 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的 SEM照片(×10 000)Fig.4 SEM images of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membranes(×10 000)

2.2.3 光敏剂吸附曲线

图5示出P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对3种溶液的吸附速率。由图可见，P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜对MB溶液吸附速率曲线斜率最大，其次是锌卟啉溶液，可见对MB溶液的吸附速率大于锌卟啉溶液。原因是因为锌卟啉溶液的黏度较大，对纤维膜吸附溶液造成了一定的阻碍作用，从而使吸附速率降低。根据表面张力仪测得单位体积纤维膜吸附MB溶液(0.086 2±0.000 3)g/cm3，吸附锌卟啉溶液(0.032 3±0.000 2)g/cm3，吸附去离子水(0.017 6±0.000 1)g/cm3。

图5 P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜的吸附曲线Fig.5 Adsorption curves of P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane

2.2.4 抗菌效率

P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜、MB溶液及其负载后的纳米纤维膜、锌卟啉溶液及其负载后的纳米纤维膜对Staph.Aureus的抗菌效果如表2所示。由表可得，100 μmol/L MB溶液和锌卟啉溶液在光照条件下抗菌效果非常好，抗菌效率可达到100%。MB和锌卟啉在纳米纤维膜表面负载后在光照条件下仍然表现出良好的抗菌效果，MB负载的纳米纤维膜抗菌效果达到99.993 3%，锌卟啉负载的纳米纤维膜抗菌效果可达到99.997 0%。

MB和锌卟啉在纤维膜表面吸附固定后抗菌效果的表现不同，锌卟啉负载的纳米纤维膜抗菌效率高于MB。这是因为在光照条件下， MB在光动力抗菌的过程中与DNA或酶等活性生物分子发生电子转移反应，使其单线态氧量子产率低于锌卟啉，进而导致抗菌效果的差异[13]。

表2 不同材料对金黄色葡萄球菌的抗菌效果Tab.2 Antibacterial effect of different samples against S.Aureus

3 结 论

通过乳液聚合法合成具有较高分子质量的P(MMA-co-MAA)共聚物，利用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜，通过纤维表面的羧酸基团对阳离子光敏药物的静电吸附作用将二者结合得到光敏抗菌型电纺纳米纤维膜。溶剂DMF与三氯甲烷的质量比为5∶5时得到的P(MMA-co-MAA)纳米纤维膜中纤维较为光滑，直径较细，其对阳离子光敏剂具有良好的吸附性能，抗菌测试显示出锌卟啉修饰的纳米纤维膜抗菌效果强于MB。

FZXB

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Preparation and characterization of photodynamic antimicrobialpolymethyl methacrylate-co-methacrylic acid electrospun nanofibers

ZHANG Quan, DAI Yaxuan, MA Mengqin, WANG Qingqing, WEI Qufu

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Polymethyl methacrylate-co-methacrylic acid (P(MMA-co-MAA)) synthesized by emulsion polymerization was electrospun into nanofibers, and carboxyl groups were used to adsorb cationic photosensitizers to fabricate photodynamic antimicrobial nanofibrous membrane. Gel permeation chromatography, Fourier transform infrared spectrometry, and thermo-gravimetric analysis were employed to characterize P(MMA-co-MAA) polymer. Scanning electron microscope and surface tension meter were used to analyze the surface morphology of the P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane as well as its adsorption behavior of cationic photosensitizers. Finally, the antimicrobial behavior of the as-prepared material was evaluated. The results indicate that P(MMA-co-MAA) polymers with relative high molecular weight as well as favorable spinnability are successfully prepared. Furthermore, the electrospun P(MMA-co-MAA) nanofibrous membrane shows good adsorption capacity of two cationic photosensitizers, i.e., methylene blue (MB) and (meso-tetrakis (N-methylpyridinium- 4-yl) porphyrin) Zn(Ⅱ)(Zn-Por). The membrane decorated by Zn-Por and MB shows desirable antimicrobial effect, and the sterilization ratio can reach 99.99%.

emulsion polymerization; polymethyl methacrylate-co-methacrylic acid; electrospinning; nanofiber; photodynamic antimicrobial

2016-04-27

2016-11-30

江苏省自然科学基金项目(BK20150155)；中央高校科研专项基金项目(JUSRP115A04)

张权(1992—)，男，硕士生。研究方向为功能纺织材料。魏取福，通信作者，E-mail: qfwei@jiangnan.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160407405

O 614.41

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