基于纳米铜/氧化锌复合物的抗菌纤维制备及性能研究

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细菌等病原微生物广泛分布于自然界中,可通过接触粘附等途径导致动物、植物和人类感染疾病,长期以来有害微生物一直是人体健康和社会发展的威胁。纺织纤维因其多孔式形状和化学结构有利于微生物附着,同时人体的汗液、皮脂等各种分泌物及环境污染物为微生物提供了营养物质,故纺织纤维是微生物生长、繁殖和传播的良好媒介。病原微生物的存在不仅会降低纤维的使用性能,还会严重危害人体健康。因此赋予纺织纤维抗菌性能是保护其使用价值、减少微生物感染风险的一种有效方式。通过物理或化学的方法将抗菌材料与纺织纤维有效结合是制备具有高效、持久抑菌性能的抗菌纤维的主要途径。目前,常见的抗菌材料存在价格昂贵、生产成本高、金属离子易溶出产生毒性等缺点,并且由于各种抗菌药物的广泛使用导致了耐药性菌株的出现。无机抗菌材料因具有稳定性高、耐热性好、生物毒性低以及不容易引起细菌耐药性等优势,成为了研究的热点。其中,纳米氧化锌(ZnO NPs)原料来源丰富、价格低廉,具有良好的抗菌活性和生物相容性,是一种具有前景的抗菌材料。然而,ZnO NPs一般需要在光照条件下才能产生较高的抗菌活性,因此限制了其使用环境。此外,纳米铜(CuNPs)由于具有优异的抗菌性能已逐渐引起广大研究人员的关注,但纳米颗粒的高表面活性使得其容易团聚,而且CuNPs易被氧化,影响了抗菌活性的正常发挥和持久抑菌性。因此,单一组分的抗菌材料存在一定的局限性,研究制备多组分的复合抗菌材料具有重要意义。本论文通过原位还原法制备得到纳米铜-氧化锌复合抗菌剂(Cu-ZnO NPs),并进一步通过浸轧-高温烘焙法和离心-静电纺丝技术将Cu-ZnO NPs引入纺织纤维中。具体研究内容如下:(1)通过原位还原法将CuNPs负载到ZnO NPs上制备得到Cu-ZnO NPs,并通过浸轧-高温烘焙法与低熔点皮芯聚酯纤维(LMPET)有效结合,制备得到纳米铜-氧化锌@聚酯抗菌纤维(Cu-ZnO@LMPET)。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等一系列表征手段分析研究Cu-ZnO NPs和Cu-ZnO@LMPET,结果表明已成功制备得到Cu-ZnO NPs和Cu-ZnO@LMPET。选择典型的革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)和革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli)为目标菌种,评价Cu-ZnO NPs和Cu-ZnO@LMPET的抗菌性能,结果表明Cu-ZnO NPs和Cu-ZnO@LMPET均具有优异的抗菌活性,并且纤维经过50次洗涤后对E.coli和S.aureus的抑菌率仍分别达到97%和98%以上,说明纤维具有良好的耐洗涤性。通过细胞毒性测试表明Cu-ZnO@LMPET具有良好的生物相容性。通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)、抑菌圈(ZOI)测试和电子顺磁共振波谱仪(EPR)研究纤维的抗菌机理,结果表明·O2-,~1O2和·R等自由基是Cu-ZnO@LMPET抗菌体系中的主要活性物种,这些活性种可以穿透细菌的细胞膜,与细菌细胞中的蛋白质和核酸等大分子相互作用进而杀死目标细菌。(2)进一步采用相较于LMPET亲水性更佳的聚丙烯腈(PAN)作为基材,通过离心-静电纺丝技术将Cu-ZnO NPs分散至PAN上制备得到纳米铜-氧化锌/聚丙烯腈抗菌纤维(Cu-ZnO/PAN)。利用FESEM、TEM、FTIR等一系列仪器分析Cu-ZnO/PAN,同样的,选择S.aureus和E.coli作为目标菌种评价Cu-ZnO/PAN的抗菌性能,结果表明Cu-ZnO/PAN具有优异的抗菌性能和良好的耐洗涤性,纤维洗涤50次后对E.coli和S.aureus的抑菌率仍达到97%及以上。通过水接触角测试、固体表面Zeta电位测试和染料吸附实验表明引入抗菌剂后纤维的亲水性能更好、Zeta电位更低,细菌更易固定在纤维表面,进而与抗菌剂充分接触。通过ICP-MS、ZOI和EPR测试研究Cu-ZnO/PAN的抗菌机理。本论文的研究为开发制备具有优异抗菌性能的纺织纤维提供了新思路和新方法。
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