金/ 氧化硅纳米复合纤维薄膜的抗菌性能研究

夏雪晴，王珂，陈丰，刘成宝

（苏州科技大学化学生物与材料工程学院，苏州215009）

随着人民生活水平的不断提高，人们对环境卫生的要求越来越高，有害微生物和细菌在适宜的条件下迅速生长、繁殖，使得食品发生腐败、人类感染疾病，严重影响到人类的生活质量，因此抗菌材料制品具有很大的市场需求。金作为一种传统的无机抗菌材料被研究者们所重视，其纳米颗粒具有优良的抗菌性能，但聚集长大成为了阻碍其应用的主要障碍。为了解决这一问题，研究者们以非金属材料，如二氧化硅、聚合物、碳球等，作为基体材料复合金纳米粒子。通过静电纺丝将金纳米颗粒复合到聚合物或者无机纤维中，此时的纳米纤维薄膜表现出优异的性能。

本研究将PVP 作为聚合物纤维源，正硅酸四乙酯和四氯化金为无机源，通过静电纺丝法制备出氧化硅纳米复合纤维薄膜，为金纳米粒子提供载体，优化纳米金的使用方法，提高纳米粒子的性能和稳定性，提高材料的抗菌性。

1 实验

1.1 掺杂金氧化硅纤维的制备

称取2 g PVP，在40 mL 乙醇中充分溶解，密封室温搅拌。缓慢滴加4.46 mL(0.02 mol)TEOS，搅拌，为促进正硅酸四乙酯的水解滴加2 mL 的乙酸作为催化剂，密封室温搅拌约3 h。再称取0.170 g HAuCl4·4H2O(5×10-4mol)加入至 5 mL 去离子水中充分溶解，缓慢滴加到上述溶液，密封搅拌2 h，即制得一种浅棕色均匀的，略带粘性的PVP/TEOS/HAuCl4/乙醇的纺丝液。另外通过改变加入纺丝液中HAuCl4的含量，探索负载不同银含量下纺丝膜的形貌特征与性能，即HAuCl4/TEOS 的物质的量比分别为 1∶160、1∶40 和 1∶20。将以上纺丝液装入5 mL 塑料注射器进行静电纺丝，在接收板上获得纯白色的复合纤维膜，再将其放置在一个真空干燥箱内6 h，温度设定40 ℃以去除残留溶剂。将复合纳米纤维膜以 5℃/min 在马弗炉中煅烧至650℃，保温1 h，制得由金/氧化硅纳米复合纤维薄膜[1]。

1.2 抗菌实验

用麦氏比浊法检查细菌浓度，将煅烧后的所有样品磨成粉末分别放入三角烧瓶中灭菌，将二氧化硅粉末设为对照样（称为GXJ）、纳米金镶嵌的二氧化硅纳米纤维薄膜粉末为样品样（按照纳米金从少到多的含量分别称为X1、X2、X3），最后再设一个为空白样。准备250mL 的三角烧瓶5个，单独称量每个样品重量为0.5g，加入到已经灭菌的各个三角烧瓶中，将三角烧瓶放入24℃恒温振荡器中振荡培养18h，从烧瓶中取出1mL 菌液后加入琼脂平面皿中，涂抹均匀后放置37℃培养箱中培养18h，将样品放在菌落计数器上数，记录下菌落数。抗菌率R 按公式2.1 计算。

式中：R—抗菌率，%；A—空白样品与大肠杆菌革兰氏阴性菌（E.coli） 接触 24h 后平均菌落，cfu/mL；B—试验样品与大肠杆菌革兰氏阴性菌（E.coli）接触 24h 后平均菌落，cfu/mL。

2 结果与讨论

图 1 为 PVP/TEOS/HAuCl4高分子复合纤维薄膜在马弗炉中650℃下煅烧制的金/氧化硅纳米复合纤维薄膜的扫描电镜图。其中(a)、(b)和(c)图为HAuCl4/TEOS 的物质的量比为1∶160 时所得到的扫描电镜图，(d)、(e)和(f)图为 HAuCl4/TEOS 的物质的量比为1∶40 时所得到的扫描电镜图，(g)、(h)和(i)图为 HAuCl4/TEOS 的物质的量比为 1∶20时所得到的扫描电镜图。从图1 可以看出，(d)、(e)和(f)图二氧化硅纤维管粗细均匀，管径约600 nm，而且管中存在着大量的白色粒子即纳米金。在掺杂不同金含量的图中可以观察到，HAuCl4/TEOS的物质的量比为1∶160 时的照片显示并未完整地表现出纤维状态，而HAuCl4/TEOS 的物质的量比为1∶20 时的照片显示金团聚较多，从而可以推断出金含量掺杂较多导致纳米金粒子增大，根据总观图对金纳米颗粒进行测量，得出它们所对应的粒径分别约为30 nm，40 nm 和60 nm。即随着金源相对量的增多，金纳米颗粒呈逐步增大的趋势。这是因为金含量的增多必然会增加粒子碰撞的几率，更容易引起粒子的团聚，从而使得金纳米粒子变大。

图 1 Au/SiO2 物质的量比分别为 1∶160(a),(b),(c)；1∶40(d),(e),(f);和 1∶20(g),(h),(i)下的 SEM 照片

因为金以纳米颗粒的形式存在，合成的样品呈现红色，小尺寸效应会对样品的光吸收产生影响。随着金含量的提高，颜色逐渐从浅红向深红过渡。而样品的韧性较好，在受力较小的情况下，能保持薄膜的形貌。

图2 金/氧化硅纳米复合纤维薄膜的菌落数照片：(a)空白样；(b)对比样；（c）X1-1 样品；（d）X2-1 样品；（e）X3-1样品 ；（f）X1-2 样品 ；（g）X2-2 样品；（h）X3-2 样 品 ；（i）X1-3 样品；（j）X2-3 样品；（k）X3-3 样品

图2 是空白样品、对照样品和样品的大肠杆菌菌落数图，（a）图为空白样品的菌落数照片，菌落数为 1.17×104cfu/mL，（b）图为对照样品的菌落数照片，菌落数为 1.16×104cfu/mL，（c）（d）（e）图分 别 为 X1(1 ∶160)、X2(1 ∶40)、X3(1 ∶20)样 品 培 养24h 后的菌落数照片，（c）（d）（e） 图分别为 X1、X2、X3 样品培养 48h 后的菌落数照片，（c）（d）（e） 图分别为 X1、X2、X3 样品培养 72h 后的菌落数照片。从图中可以看出X1、X2、X3 样品中有纳米金粒子的加入，培养24h 后抑制大肠杆菌的效果显著，都无明显大肠杆菌菌落存在。样品在培养48h 后有菌落长出[图 2(f)、(g)、(h)]，但是菌落仍为少数，其中 HAuCl4/TEOS 的物质的量比在 1∶20 下制备的金/氧化硅纳米复合纤维薄膜的效果最显著。样品在培养72h 后菌落明显增多[图2(i)、(j)、(k)]，根据纳米金掺杂量的大小，同样是HAuCl4/TEOS 的物质的量比在 1∶20 下制备金/氧化硅纳米复合纤维薄膜的抗菌效果最佳。根据公式1 计算得24h 后材料的抗菌率都高达99.9%，而72h后，效果最佳的材料抗菌率仍能达到99%以上。由此可知，随着金含量的减少、细菌培养时间的增长、所制备的复合薄膜的抗菌效果逐渐降低。

3 结论

3.1 在PVP/TEOS 纺丝液体系中引入金离子，成功制备出金/氧化硅纳米复合纤维薄膜，在控制HAuCl4/TEOS 的物质的量比分别为 1∶160、1∶40 和1∶20 下制备的Au/SiO2纤维膜，可以发现随着金离子相对含量的增加，增加粒子碰撞的几率，更容易引起粒子的团聚，从而使得纳米金粒子增大。

3.2 金/氧化硅纳米复合纤维薄膜具有优异的抗菌性，在抑制大肠杆菌的实验中，HAuCl4/TEOS 的物质的量比在1∶20 下制备的复合纤维薄膜的抗菌效果最显著。随着纳米金粒子的减少，所制备的复合薄膜的抗菌效果逐渐减弱。