PVA基纳米Ag复合静电纺丝纤维的制备及抗菌性能研究

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由病原性微生物所引起的疾病一直危害着人类的健康,加之近年来传统抗生素的滥用导致病菌耐药性的增强,使得具有高效、广谱、持久抗菌性的新型抗菌材料的研究日益重要。纺织品纤维由于表面高低不平,存在着无数细微的凹槽,以及直接接触人体而具备适宜的温湿度,为细菌繁殖生长提供了温床,因而研究抗菌作用的纤维材料具有重要理论意义和应用价值。静电纺丝作为一种制备纳米纤维的新兴技术,本身具有价格低廉、设备简单、操作简便、通用性和可靠性高,易于规模化等优势。通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、长径比大、直径分布均匀、吸附性和过滤性强、力学性能好等优点。基于此,本论文采用静电纺丝技术,选用具有良好生物相容性、生物可降解、力学性能和成纤维性的聚乙烯醇(PVA)作为基体;Ag和Cu2O无机纳米抗菌剂作为功能性添加剂,通过直接共混或原位生成的方法,制备了Ag纳米颗粒(Ag NPs)、Ag纳米线(Ag NWs)、Ag@Cu2O复合纳米微球包覆于PVA纤维内部和Ag NPs修饰于PVA纤维表面的有机无机复合纳米纤维。采用多种分析手段对所制备样品的形貌和结构进行了表征,研究了复合静电纺丝纳米纤维的形成过程及影响因素。通过滤纸片抑菌圈法、浊度法、吸收法测试了所制备纳米晶及PVA基复合纳米纤维对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能,考察了复合纤维中无机纳米抗菌材料含量不同对样品抗菌性能的影响规律,提出了Ag/PVA复合纳米抗菌纤维的抗菌作用机制。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)Ag NPs/PVA复合静电纺丝纳米纤维的制备及其抗菌与SERS活性首先,对形成静电纺丝PVA纳米纤维的影响因素进行了考察,采用正交试验方法确定了PVA最优纺丝实验条件为:溶液浓度78%,电场电压1416 kV,注射速率0.0100.015 mL/min,接收距离812 cm,针头大小1921 G。并发现了各因素对纤维形貌和直径影响大小的顺序,分析了这些纺丝条件在PVA纤维形成过程产生影响的内在原因。然后,通过化学液相法,以PVP为修饰剂,用单宁酸还原AgNO3,成功合成出粒径均一的Ag NPs。接着将制备的Ag NPs分散于PVA纺丝液,通过静电纺丝方法,制备出Ag NPs包覆于PVA纤维内部(Ag NPs/PVA)的复合纳米纤维。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收分光光度计(UV-vis)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线能量色散谱仪(EDX)等表征方法等对所得样品进行了形貌和结构表征。分别采用滤纸片抑菌圈法、浊度法、吸收法对所制备Ag NPs及Ag NPs/PVA复合纳米纤维的抗菌性能进行了评价。结果表明,Ag NPs/PVA复合纳米纤维直径分布范围较小,随着Ag NPs含量的增加,纤维直径由188 nm减小至135 nm。所制备的复合纳米纤维交叉纵横排列成“网状”纤维毡结构,Ag NPs在纤维毡中均匀分布。对革兰氏阴性菌E.coli和革兰氏阳性菌S.aureus均具有良好的抗菌性,并且对S.aureus的抗菌性更为显著。其抗菌性能来源于包覆于纤维内部Ag NPs与细菌的作用。同时,纤维毡作为SERS基底,展现出高的SERS灵敏度,其SERS活性主要归因于纤维内部Ag NPs所形成的“热点”对探针分子的拉曼增强作用。(2)Ag NWs/PVA复合静电纺丝纳米纤维的制备及其抗菌性能首先,通过溶剂热法,以聚乙二醇(EG)为溶剂和还原剂,PVP为表面修饰剂,成功合成出了Ag NWs。考察了CuCl2浓度、PVP添加量和反应温度对Ag NWs形貌和直径的调控作用。结果表明反应温度160°C、PVP添加量0.088 g、CuCl2浓度为50μM时制备的Ag NWs分散性好,平均直径86 nm,长度达10μm以上。将不同量Ag NWs超声分散于PVA纺丝液,静电纺丝制备出Ag NWs包覆于PVA纤维内部(Ag NWs/PVA)的复合纳米纤维。通过SEM、TEM、XRD、EDX等表征手段,证实Ag NWs被成功地电纺至PVA纳米纤维内部,且沿纤维轴向排列。部分Ag NWs在电纺丝过程中被拉断成Ag纳米棒或Ag NPs,均匀分散在三维网状结构的PVA纤维膜中。采用浊度法和吸收法进行的抗菌性测试表明,所制备的Ag NWs/PVA复合纳米纤维毡对E.coli和S.aureus均展现出优异的抗菌性能,并且对S.aureus的尤为显著。其抗菌活性主要来自于分散在PVA纤维中的Ag NWs,而对S.aureus的抗菌性则是由于Ag NWs和PVA的协同作用。Ag NWs晶体结构中{111}晶面的富集有利于其抗菌性。Ag NWs/PVA复合纳米纤维膜可能的抗菌作用机理是纤维中Ag NPs的释放,Ag+的析出与细菌细胞膜及内容物的作用及细胞中ROS浓度的显著升高。(3)Ag@Cu2O/PVA多元复合静电纺丝纳米纤维的制备及其抗菌性能首先,采用简便、温和的两步液相还原法合成出了Cu2O包覆在Ag纳米颗粒表面的核壳结构复合纳米微球Ag@Cu2O,其平均直径为100-110 nm。然后采用直接共混法制备了Ag@Cu2O纳米微球包覆于PVA纤维内部(Ag@Cu2O/PVA)的多元复合纳米纤维膜。表征了其结构和形貌,考察了Ag@Cu2O本身及其添加量不同条件下所制备的多元复合纳米纤维膜的抗菌性能。发现Ag@Cu2O被纺至PVA纤维以后,粒径大小没有明显变化,而壳核间隙有所增大。滤纸片抑菌圈测试结果表明Ag@Cu2O具有优异的抗菌性能,这种高活性归因于纳米Ag和Cu2O两种无机抗菌剂的协同作用。浊度法和吸收法抗菌测试结果显示,Ag@Cu2O/PVA多元复合静电纺丝纳米纤维对E.coli和S.aureus均具有良好的抗菌作用,对S.aureus更为显著;且随着Ag@Cu2O含量的增高,抗菌性逐渐增强。(4)PVA@Ag NPs复合静电纺丝纳米纤维的制备及抗菌性能与上述三章纳米Ag包覆于PVA纤维内部不同,本章通过原位生成法在已预先制备好的PVA静电纺丝纳米纤维表面修饰上Ag NPs,制备出纳米颗粒在纤维外(PVA@Ag NPs)的复合静电纺丝纳米纤维膜。考察了AgNO3浓度对PVA纤维表面Ag NPs粒径和负载率的影响,形貌和结构分析表明,0.066 M为添加AgNO3的最佳浓度,此条件下获得的PVA@Ag纳米纤维膜上负载的Ag NPs粒径小而均匀,且负载量最大。分析了Ag NPs在PVA纤维表面可能的沉积过程,阐释了其受AgNO3浓度影响的原因。吸收法和浊度法的抗菌性测试结果表明,在AgNO3最佳添加浓度0.066 M时制备的PVA@Ag NPs复合纳米纤维膜展现出最佳的抗菌性,其原因是此条件下修饰上的Ag NPs粒径小且数量多。通过对细菌生长曲线的测定,证实了所制备复合纳米纤维膜具有一定的长效抗菌性。
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