赵梦雅 张美云 杨 强， 聂景怡 解宏滨， 宋顺喜，，* 鲁 鹏

（1.陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心，中国轻工业纸基功能材料重点实验室，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021；2.广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁，530004）

微晶纤维素（Microcrystalline cellulose,MCC）是天然纤维素经稀酸水解后形成的可自由流动的短棒状或粉末状多孔颗粒，具有可再生、可循环使用、降解性强、比表面积大、结晶度高等优异性质，可作为一种优异的抗菌载体，被广泛应用于医药、食品和轻化工行业［1］。然而，传统的MCC基抗菌材料，如MCC/纳米铂［2］、MCC/二氧化钛［3］的抗菌性能差、抗菌持久性弱、热稳定性能差等，限制了其在抗菌材料方面的应用。

金属有机框架化合物（MOFs）是由含有氮原子或者氧原子的有机配体和金属离子或者金属簇通过配位键连接形成的一类新型晶体材料［4-5］。MOF-5是由［Zn4O］6+与［O2C-C6H4-CO2］2-以八面体形式连接形成的具有三维立体刚性骨架结构材料［6］，可快速杀灭水中的大肠杆菌［7］，具有优异的抗菌性能。1，3，5-均苯三甲酸铜（Ⅱ）（HKUST-1）是一种典型的MOFs材料，晶体结构类似于桨轮［8］。Pezeshkpour等［9］的研究表明，MOF-5具有高效、持久广谱抗菌活性。王晓岚［10］的研究结果证明，HKUST-1具有与MOF-5类似的抗菌机制，能够与各类抗菌载体复合。与传统抗菌剂相比，MOFs具有来源丰富、选择性高、协同抗菌能力强等更加优异的性能［11］，可解决传统抗菌剂抗菌选择性低、抗菌范围受限的缺点。MCC具有良好的生物可降解性和生物适应性，且资源丰富、应用广泛，具有吸附性，可以通过对金属离子的吸附，提高MOFs在其表面的生成量。利用MCC和MOFs的各自优势，将两者结合制备出的具有一定生物可降解性、抗菌性能优异的复合材料，在生物医学领域具有潜在的应用前景［12］。

本研究采用原位生长法先在MCC表面原位生长MOF-5、HKUST-1，获得MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元复合抗菌材料，再引入MOF-5、HKUST-1，生成MCC/MOF-5/HKUST-1、MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合抗菌材料，并对复合材料的结构、形貌及抗菌性能进行了分析。

1 实 验

1.1 材料

微晶纤维素（MCC），购于美国FLC公司；六水合硝酸锌（Zn（NO3）2·6H2O）、乙酸铜（Cu（CH3COO）2·H2O）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氢氧化钠（NaOH）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF），均为分析纯，购于天津市大茂化学试剂厂；对苯二甲酸（H2BDC），化学纯，购于成都市新都区成都科龙化工试剂厂；均苯三甲酸（H3BTC，99%），分析纯，购于北京百灵威科技有限公司；氯化钠（NaCl），分析纯，购于天津市天力化学试剂有限公司；无水乙醇（EtOH），分析纯，购于天津富宇精细化工有限公司；琼脂（生物试剂）、蛋白胨（生物试剂）、牛肉膏（生物试剂）均购于北京奥博星生物试剂有限责任公司；大肠杆菌（Escherichia Coli，E.Coli）购于百灵威试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 MCC/MOF-5二元复合材料的制备

准确称取0.1450 g绝干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH（5∶3，V/V，下同）的混合溶液中，超声分散均匀，再加入0.1744 g H2BDC，接着将0.6314 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超声分散均匀，最后将上述分散均匀的溶液迅速移入Telflon反应釜中，在140℃下反应4 h，待冷却至室温，用DMF、EtOH各洗涤5次，在100℃下烘干，得到MCC/MOF-5二元复合材料。

1.2.2 MCC/HKUST-1二元复合材料的制备

准确称取0.1450 g绝干MCC，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超声分散均匀，再加入0.2116 g H3BTC，接着将0.3983 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP加至上述混合液中，再次超声分散均匀，最后将上述分散均匀的溶液迅速移入Telflon反应釜中，在140℃下反应4 h，待冷却至室温，用DMF、EtOH各洗涤5次，在100℃下烘干，得到MCC/HKUST-1二元复合材料。

1.2.3 MCC/MOF-5/HKUST-1三元复合材料的制备

采用原位生长法制备三元复合材料。准确称取0.1 g MCC/MOF-5，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超声分散均匀，加入0.21 g H3BTC，溶解后，再加入0.4 g Cu（CH3COO）2·H2O和1.5 g PVP。将上述反应物迅速移入Telflon反应釜中，在120℃下反应4 h，冷却至室温后，分别用DMF和EtOH洗涤数次，得到MCC/MOF-5/HKUST-1三元复合材料。

1.2.4 MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合材料的制备

准确称取0.1 g MCC/HKUST-1，加入到12.5 mL DMF和7.5 mL EtOH的混合溶液中，超声分散均匀，加入0.17 g H2BDC，溶解后，再加入0.6 g Zn（NO3）2·6H2O和1.5 g PVP。将上述反应物迅速移入Telflon反应釜中，在120℃下反应4 h，冷却至室温后，分别用DMF和EtOH洗涤数次，得到MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合材料。

1.2.5 复合材料表征

采用Vectory-22（Bruker，德国）傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）分析所制备样品的化学基团（KBr压片），测量波长范围为400～4000 cm-1；采用D8 Advance（Bruker，德国）X射线衍射仪（XRD）分析样品的晶体结构，射线源为Cu Kα（λ=0.154 nm），加速电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度为0.2°/s，扫描范围为2θ=5°～60°；利用S-4800型（Hitachi，日本）扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌，对样品进行喷金处理，扫描电压为3 kV。

1.2.6 复合材料抗菌性能分析

按照GB/T 21510—2008和GB/T 21866—2008中所述的抑菌圈法［13］表征所有样品的抗菌性能。具体如下：将15 g的琼脂、10 g蛋白胨、3 g牛肉膏粉和5 g氯化钠加入到500 mL蒸馏水中加热煮沸至完全溶解，用生理盐水调节pH值至7.0，最后定容至1 L，制备出液体培养基，然后将培养基和培养皿放入灭菌锅中于121℃下灭菌15 min。完全灭菌后，在无菌工作台中，先将一定量的液体培养基倒入培养皿中水平静置，无菌条件下冷却制备固体培养基，再将0.4 mL大肠杆菌的细菌悬浮液均匀涂覆在固体培养基上，然后各称取0.01 g二元和三元复合材料，用specac压片机制备直径为5 mm的圆形试样，再将圆形试样置于培养基中，30℃培养箱中分别培养24 h，测量抑菌圈直径。按照上述测定程序，重复抗菌实验4次以测定复合材料的抗菌效果。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的结构与形貌

图1为二元复合材料MCC/MOF-5、MCC/HKUST-1和三元复合材料MCC/HKUST-1/MOF-5、MCC/MOF-5/HKUST-1的FT-IR谱图。从图1可以看出，二元和三元复合材料在1616～1809 cm-1内表现出很强的红外吸收峰，根据文献［14］报道，羧酸官能团中 ═C O振动吸收峰主要出现在这个区域；1550～1700 cm-1和1300～1420 cm-1处的吸收峰为对苯二甲基中—COOH的对称和反对称振动峰，650～1300 cm-1处的吸收峰为C—H面内、面外弯曲振动峰，是MOF-5的框架结构振动峰［15］，说明MOF-5成功负载在MCC上。结合HKUST-1的FT-IR图［8］，1653 cm-1处吸收峰为 ═C O基团的伸缩振动峰，1447 cm-1处吸收峰对应了O—H基团的弯曲振动峰，1246 cm-1处吸收峰对应了C—O基团的伸缩振动峰，747 cm-1附近振动峰证明了氧原子与铜的结合，这些都与Wang［8］和Rowsell等［16］的结论相一致，证明了HKUST-1成功负载在MCC上，说明本实验成功制备了二元和三元复合材料。

图1 二元及三元复合材料的FT-IR谱图

图2 二元及三元复合材料的XRD谱图

图3 二元及三元复合材料的SEM图片

图2为所制备的二元及三元复合材料的XRD谱图。其中，2θ=14.9°、16.4°、22.7°和34.5°处的衍射峰分别归属于MCC的（101）、（101）、（002）和（040）晶面［17］。此外，2θ=11.9°、13.8°、15.3°和19.7°处的衍射峰分别归属于HKUST-1的特征峰，Chui等［18］报道了相似的结果。其次，2θ=8.8°、9.9°、15.7°、19.9°和21.3°的衍射峰分别归属于MOF-5的（200）、（220）、（400）、（420）和（531）晶面［19］，并且没有杂峰存在，证明本实验成功制备了纯度较高的二元和三元复合材料。

图3为所制备的二元及三元复合材料的SEM图。图3（a）的SEM成像显示，采用原位生长法生成的MOF-5为立方体结构［20］；图3（b）表明，HKUST-1为柱状或片状结构，由于铜元素与均苯三甲酸的3个羧基配位，晶体的生长速率较快，且纳米粒子有量子尺寸效应，颗粒与颗粒之间容易通过范德华力和库仑力粘结在一起［21］，形成了图中的簇状结构［22］；图3（c）和图3（e）显示，MCC表面立方体架构的MOF-5和棒状结构的HKUST-1互相镶嵌，说明成功合成了MCC/MOFs/MOFs三元复合材料；由图3（d）和图3（f）可以看出，MCC表面包覆有大量MOFs。进一步证明了本实验成功将MOF-5和HKUST-1负载在MCC表面，制备出了二元和三元复合材料。

2.2 抗菌性能分析

二元及三元复合材料抗菌前后的图片如图4所示。从图4可以看出，经过24 h的细菌培养后，二元及三元复合材料均出现明显的抑菌圈，表明所制备的复合材料具有抑菌效果。这是由于MOFs的中心金属离子对细菌具有细胞毒性，通过使膜蛋白、脂肪酸变性或者改变跨膜运输的通透性破坏了细菌细胞膜的结构，进而影响细菌的增殖和生长［23］。当微生物与二元和三元复合材料接触时，微生物细胞壁吸附金属离子，导致微生物无法生长。由抗菌后的样品可以看出，相比于呈白色的二元复合材料，抗菌后的MCC/MOFs/MOFs三元复合材料呈淡黄色（Zn2+）和淡绿色（Cu2+），表明其仍具有活性金属离子，存在抗菌活性，因此相比于二元复合材料，三元复合材料具有更长的抗菌时间，其抗菌性能更加优良。实验过程中发现，在抗菌完成后，复合材料的颜色也发生了明显变化，出现颜色蜕变现象，因此其可作为抗菌指示剂并具有一定的应用前景。

二元及三元复合材料的抑菌圈直径如图5所示。结合图5数据，已知样品直径为5 mm，培养24 h后，与MCC/HKUST-1复合材料相比，MCC/MOF-5复合材料的抗菌效果更好，抑菌圈直径达到18.7 mm，这是因为MOF-5的中心金属离子是Zn2+，HKUST-1的中心金属离子是Cu2+，Zn2+的抗菌能力大于Cu2+，所以MOF-5的抗菌效果较HKUST-1优异。MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合材料暴露在最外层的是MOF-5，而MCC/MOF-5/HKUST-1三元复合材料暴露在最外层的是HKUST-1，所以MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合材的抗菌效果较MCC/MOF-5/HKUST-1三元复合材料好，抑菌圈直径分别为22.3 mm和21.3 mm。

图4 二元及三元复合材料抗菌前后的图片

图5 二元及三元复合材料的抑菌圈直径

由图4和图5可知，三元复合材料比对应的二元复合材料的抑菌圈直径更大，表现出更强的抗菌作用。这主要是因为三元复合材料中金属离子的种类较多，复合材料的抗菌性主要源自MOF-5的Zn2+和HKUST-1的Cu2+［8］，而且金属离子具有协同杀菌的作用，两种金属离子的杀菌率大于单独金属离子的杀菌率［10］。Jin等［24］研究了通过离子注入的方法，将银离子和锌离子同时注入到钛基材料表面，其杀菌性能优于只注入银离子或锌离子的钛基材料，说明同时注入的银离子和锌离子具有协同杀菌作用。因此，三元复合材料表现出更强的抗菌能力。

3 结 论

3.1 采用原位沉积法将两种金属有机框架化合物（Metal-Organic Frameworks，MOFs）MOF-5和1，3，5-均苯三甲酸铜（Ⅱ）（HKUST-1）负载在微晶纤维素（MCC）上，制备出MCC/MOF-5和MCC/HKUST-1二元复合材料以及MCC/MOF-5/HKUST-1和MCC/HKUST-1/MOF-5三元复合材料。沉积在MCC上的MOF-5为纳米级的立方体结构，沉积在MCC上的HKUST-1为纳米级的棒状结构。三元复合材料中MOF-5和HKUST-1互相镶嵌，包覆在MCC表面。

3.2 复合材料的抗菌性能主要源于MOFs，由于金属离子的协同杀菌作用，三元复合材料对大肠杆菌的抗菌效果优于二元复合材料。

3.3 复合材料在抗菌过程中出现了褪色现象，未来其在制备抗菌指示剂方面具有一定的前景。