陈爱芳,肖 强

(1.武汉光谷人福生物医药有限公司,湖北 武汉 430074；2.武汉东湖高新集团股份有限公司,湖北 武汉 430073)

抗菌无纺布在日常生活中应用广泛，与人们生活息息相关，尤其在医疗健康领域，在维护人类健康和预防感染中，发挥着重要作用。无纺布也称非织造布，是由定向的或随机的纤维组成。在生活中棉无纺布应用最为广泛。我们对棉无纺布的使用几乎渗透到每一个角落，并且棉无纺布相比其他材料制品，具有质地柔软、来源广泛、吸湿性好、强度适中、价格便宜等优点，广泛应用于一次性医疗口罩、一次性防护衣等的制造[1]。

抗菌材料是一类新型功能材料，其本身就具有杀死或者抑制细菌、真菌等微生物作用。市场上目前各类抗菌材料琳琅满目，不胜枚举，但主要分为两类：无机抗菌材料和有机抗菌材料。无机抗菌材料主要是将金属类离子与其他载体材料加以复合从而赋予材料抗菌功能，这些金属类离子包括Ag+、Cu2+、Zn2+、Mg2+等。这些金属离子以纳米形态附着在材料上，增加了材料的比表面积，可以更好的吸附细菌等微生物，因此具有良好的抗菌效果。有机抗菌材料主要包括天然抗菌材料、低分子抗菌材料和高分子抗菌材料。有机抗菌材料的抗菌机理：通过某些元素所带的电荷破坏微生物细胞膜和细胞结构、渗透进细胞内部并吸附细胞内含阴离子的物质，扰乱细胞正常的生理活动从而达到杀菌的效果[2]。

本文旨在通过多巴胺做为表面处理剂[3-4]接枝银离子吸附在无纺布表面，使原本的棉无纺布具有抗菌和耐洗牢度好等功能，不仅解决了以往纯棉无纺布的缺陷，还赋予了普通棉无纺布更大的附加值。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要试剂和材料：棉无纺布，广州美博城；盐酸多巴胺 (DA)，硝酸银，三羟甲基氨基甲烷(TRIS)，上海阿拉丁试剂有限公司；胰蛋白胨，酵母膏，琼脂粉，北京索莱宝科技有限公司；大肠杆菌(ATCC 25922)，金黄色葡萄球菌 (ATCC 25923) 南京便诊生物科技有限公司；化学试剂均为分析纯。

主要仪器：多功能酶标仪Synergy HTX，美国博腾仪器有限公司；JSW-6519LV型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；Tensor 27傅里叶变换红外光谱仪,德国Bruker公司。

1.2 多巴胺改性纯棉无纺布的制备

将浓度为0.02 mol/L的盐酸多巴胺加入到浓度为 10 mmol/L 的Tris溶液中，并用 1 mol/L 盐酸调节多巴胺缓冲液的pH值为8.5～8.8。由于多巴胺的自聚反应对pH值的变化非常敏感，因此需要严格控制pH值。

将洗净烘干的纯棉无纺布完全浸入到多巴胺缓冲溶液中，密封后放在 30 ℃，100 r/min的恒温水浴摇床中反应 24 h，取出洗净后放入 60 ℃ 的烘箱中干燥 30 min 备用。将处理好的纯棉无纺布浸入到 100 mL、浓度为 0.03 mol/L 硝酸银溶液中，用铝箔纸完全包裹以形成避光环境，避免光照造成硝酸银的分解。在恒温水浴振荡箱中振荡反应 24 h，温度为 30 ℃。取出洗净在 60 ℃ 烘箱内烘干后备测[5]。

1.3 多巴胺改性纯棉无纺布抗菌性能测试

抗菌性能通过检测细菌生长曲线和试样的抑菌圈来判定多巴胺改性无纺布是否具有抗菌性。

将大肠杆菌活化计数后，把浓度调为 5×105CFU/mL。选取 100 mL 的无菌锥形瓶5个，分别加入 10 mL 无菌LB培养液和 100 μL 、浓度为5×105CFU/mL 的大肠杆菌，并标记为：空白，D1，D2，A1，A2。空白组为未经任何处理的纯棉无纺布；D1、D2两组为仅经过多巴胺处理的无纺布；A1、A2两组为多巴胺和硝酸银先后处理的无纺布。将备好的试样加入瓶中后放在37 ℃、150 r/min恒温摇床中培养。每隔1 h取样1次，用Synergy HTX 多功能酶标仪检测菌液的OD600值，测4次后；然后每隔2 h再测4次；接着间隔12 h检测2次。该测试共需36 h，共检测10个时间点。将这10个点的数据根据培养时长做成曲线便可得到细菌的生长曲线[6]。

将准备的LB琼脂平板取出，用 1 mL 移液枪头从活化的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中吸取 100 μL 菌液至平板中，用涂布棒将菌液均匀推开至整个平板，来回多次推涂直至平板上没有菌液流动。用镊子将样品圆片均匀分散放在平板上，放好后将盖子盖上，底部朝上放入恒温培养箱中培养。

1.4 多巴胺改性纯棉无纺布性能表征

通过扫描电子显微镜(SEM)表征样品表面形貌，酶标仪测定细菌在各个时期的生长状况，傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)通过傅里叶变换对信号进行处理得到透过率或者吸光度随波数或者波长的红外吸收光谱图。

2 结果与讨论

2.1 聚多巴胺-纳米银的结构表征

2.1.1 扫描电子显微镜表征

从图1中的三组电镜图看出,空白组(A,B)的无纺布纤维表面十分光滑，没有黏附任何物质，纤维分布杂乱而均匀，是属于未经任何处理的纯棉非织造无纺布。经过多巴胺处理的电镜图(C,D)中看到，纤维表面黏附着一些颗粒物质，这些表面附着的颗粒应该是聚多巴胺颗粒，这表明经过多巴胺处理后的无纺布表面还是附着了很多的颗粒，多巴胺处理过程还比较理想。图1(E,F)经放大后可以看到无纺布表面较(C,D)组附着的颗粒数量更多、体积更大，这表明纳米银粒子已经被包覆在无纺布表面的聚多巴胺内，多巴胺/硝酸银处理过后无纺布表面明显附着有更多的颗粒。

2.1.2 傅里叶变换红外光谱表征

将未经过处理的纯棉无纺布和经过多巴胺硝酸银改性的纯棉无纺布做傅里叶变换红外光谱测试，得到两份红外光谱图(图2)。在两种样品的谱图中，均在1313.4、2895 cm-1处出现吸收峰，这些吸收峰属于纯棉无纺布大分子结构的特征吸收谱带。与未经过处理纯棉无纺布的红外谱图相比，经多巴胺和硝酸银溶液处理后的纯棉无纺布的红外光谱图在553.55、1022.2、1633.6、3271.1 cm-1处的吸收峰峰位都发生了变化。经分析认为，在还原纳米银粒子的过程中，聚多巴胺中的部分酚羟基可能被氧化成醌基结构，所以在红外图谱中 1633.6 cm-1的吸收峰较另一组峰更宽，强度更低，证明纳米银会被包裹在聚多巴胺内部。纯棉无纺布经多巴胺处理后，无纺布表面会沉积一层聚多巴胺涂层，聚多巴胺分子中的某些结构使得多巴胺能够在无纺布表面紧密贴服，沉积在无纺布表面的多巴胺具有很好的黏附性和还原能力。通过原位还原反应，可将硝酸银溶液中的Ag+还原、接枝到纤维表面。这步反应不仅使纯棉无纺布表面接枝了大量的Ag+，还会有许多的被还原的纳米银沉积在无纺布表面[7]。

A.未经处理的纯棉无纺布；B.经过多巴胺和硝酸银处理的纯棉无纺布。图2 红外光谱图

2.2 聚多巴胺-纳米银抗菌性能研究

2.2.1 抑菌圈测试

图3为纯棉无纺布的抑菌圈测试图。其中，D1、D2为仅经过多巴胺处理的无纺布，A1、A2两组为多巴胺和硝酸银先后处理无纺布。

从图3 A中观察到，A1、A2两块样品周围有一个明显的无菌圈，而空白和D1、D2三组样品周围均长满了大肠杆菌，说明经过多巴胺/硝酸银处理的无纺布具有显著的抗菌能力。观察图3 B可以得到相同的结论，并且在这个抑菌圈测试中，设置了3种不同浓度的多巴胺(A1=0.01、A2=0.02、A3=0.03 mol/L)，根据抑菌圈的大小，可以初步判定：在低浓度情况下，多巴胺浓度越大，多巴胺/硝酸银处理无纺布的抑菌性越好。

A.大肠杆菌抑菌圈；B.金色葡萄球菌抑菌圈。图3 抑菌圈测试图

2.2.2 细菌生长曲线测试

1.3中五组测试样品在36 h内的不同时间点测试的OD600数据，绘制出细菌的生长曲线图(图4)，以分析菌液中细菌的实际生长情况。

由图4可知，A2组试样对大肠杆菌的抑制效果可长达36 h以上。LB初始平均值为0.201，菌液初始平均值为0.227。与菌液初始值相比，36 h后空白组的OD600值为2.807，增长了2.58；36 h后D2组的OD600值为2.219，增长了1.992；36 h后A2组的OD600值为0.270，仅增长了0.043，这充分证明了聚多巴胺-纳米银改性无纺布具有很好的抗菌性能，且抗菌持久。观察三条曲线的走势看到，空白组和D2组的走势均先是快速增长，这是因为在碱性条件下，聚多巴胺中的酚羟基发生电离，粒子间存在静电排斥作用，这种作用可以使纳米银颗粒更快分散从而不易团聚。

空白组为未经任何处理的纯棉无纺布；D1、D2为仅经过多巴胺处理的无纺布；A1、A2为多巴胺和硝酸银先后处理无纺布。图4 细菌生长曲线图

3 结论

通过多巴胺和硝酸银溶液先后处理纯棉无纺布得到抗菌无纺布，具有持久抗菌效果，抗菌时长至少可达36 h，可满足一次性医疗口罩和防护衣的要求。研究发现，多巴胺首先经过氧化聚合形成聚多巴胺，然后聚多巴胺将硝酸银还原并与其结合形成聚多巴胺-纳米银，聚多巴胺通过醌基结构与纳米银粒子进行相互作用。表征结果表明，纳米银通过聚多巴胺附着在无纺布表面，聚多巴胺包裹在纳米银表面，并且聚多巴胺-纳米银在体系中具有良好的分散性和稳定性。聚多巴胺-纳米银粒子对大肠杆菌和金色葡萄球菌均具有优良的抑制效果，并具有很好的耐洗牢度[8]。

当经多巴胺和硝酸银先后处理过的无纺布润湿放入菌液后，Ag+和带正电的纳米银被释放出来，并通过库仑力吸附在微生物的细胞膜上。由于银离子具有很高的表面能和分散性，使得纳米银能够与细胞膜表面发生化学反应并破坏细胞膜的完整性，入侵细胞内部。同时，因为Ag+能与细胞内的多种蛋白质发生反应形成沉淀，所以纳米银浸入细胞内后会阻碍细胞正常的生理活动并最终使细胞失去分裂繁殖能力而失活[9]。