高压静电纺丝法制备植物源抗菌纳米纤维膜的 综合实验设计

陈品鸿，曹庆云，黄永欣，林若玫，谢晓琪，卢芷薇，张伟琦，倪春林，周武艺

（1.华南农业大学 材料与能源学院，生物质3D 打印研究中心，广东 广州 510642；2.华南农业大学 动物科学学院 实验中心，广东 广州 510642）

聚乙烯醇（PVA）绿色环保，成膜性好，在医药、护肤、食品、过滤[1-5]等领域得到广泛应用。在医药领域，PVA 可用作药物缓释[6-9]、伤口敷料[10-13]、药用膜[14]、手术缝合线、人工肾膜等；在护肤领域，常添加到乳液、面膜和化妆水等[15]护肤品当中；在食品领域，因为PVA 成膜性、机械性能、气体阻隔性能良好，常用作食品包装材料[16-18]，添加抑菌成分[19-20]，可以增长食物的保存期；在纺织领域，PVA 可作为纺织品的上浆剂，PVA 纤维还可与其他纤维混纺制备出高档纺织品[21-22]；在工业领域，PVA 的加入可增强制品耐磨性能以及水泥的韧性等[23-27]。苦槛蓝品种单一，主要种植地分布在中国、日本、新西兰等国家，而苦槛蓝在中国主要种植于广东、广西、台湾、福建等省份。苦槛蓝不仅可以观赏，还广泛应用在医药领域，例如作补药、解毒剂，治风湿病、头痛、溃疡和疤疹等疾病。研究表明，呋喃倍半萜烯有较强的杀虫活性，而苦槛蓝的第1 种呋喃倍半萜烯（蒽盖酮）在1925 年被分离出[28]，随后20 余种被分离出[29]。据报道，苦槛蓝挥发油中的主要化学成分为倍半萜类、单萜类、脂肪酸、醇类、酮类、醛类及醚类等，对蔬菜害虫、小菜蛾等具有驱避和拒食作用[30]。此外，挥发油中的苦槛蓝酮能抑制菌类生长，对害虫有忌避作用[29]。因此，本实验设计了以PVA 为基材，以水为溶剂、吐温为乳化剂，添加天然产物苦槛蓝挥发油作为抑菌成分，通过高压静电纺丝法制备负载天然植物抗菌药物的复合纳米纤维膜的综合性实验，并对纳米纤维薄膜的纤维形貌、表面接触角、耐水性、红外光谱、力学性能和抗菌性能等进行了系统表征和研究。

1 实验试剂与仪器

试剂与仪器：PVA，广东捷进化工有限公司；纯净水，怡宝；吐温-80（AR），广州化学试剂厂；苦槛蓝挥发油，实验室自制；高压静电纺丝机（TL-01），深圳市通力微纳科技有限公司；傅立叶变换红外光谱仪（AVATAR360ESP），美国尼高力公司；数码显微镜（WSB1200D），广州微域光学仪器有限公司；万能电子试验机（UTM4204），深圳三思纵横科技股份有限公司；接触角测量仪，上海市中晨数字技术设备有限公司。

2 实验设计

2.1 PVA 溶液的配制

将一定量的醇解度为98%和88%的PVA 颗粒分别加入适量的去离子水中，配制成浓度为8%、10%、12%、14%、1.6%的PVA 水溶液，在90 ℃加热搅拌2 h 至完全溶解后再放到超声仪中超声1 h，最后静置24 h 脱泡后待用。

2.2 醇解度及浓度对PVA 纳米纤维形貌的影响

用10 mL 的注射器吸取适量的纺丝液后将注射器固定在高压静电纺丝机中，调节至合适的参数，对醇解度和浓度不同的PVA 水溶液分别进行静电纺丝。在电压为25 kV，纺丝速率为0.3 mL/h，接收距离为14 cm 的条件下对不同浓度的醇解度为98%的PVA 纺丝液进行静电纺丝；在电压为20 kV，纺丝速率为0.5 mL/h，接收距离为14 cm 的条件下对不同浓度的醇解度为88%的PVA 纺丝液进行静电纺丝。

2.3 纺丝电压对PVA 纳米纤维形貌的影响

在纺丝速率为0.5 mL/h，接收距离为14 cm 的条件下，调节纺丝电压为16、18、20、22 kV，分别对浓度为12%的醇解度为88%的PVA 溶液进行静电纺丝。

2.4 添加苦槛蓝挥发油的PVA 纺丝液的配制及纺丝

在含有2 g 吐温-80、10 mL 去离子水的吐温水溶液中加入1 g 苦槛蓝挥发油，搅拌至溶液澄清。添加一定量的含苦槛蓝挥发油的吐温水溶液到已经加热溶解且降到室温的PVA 水溶液里，配制成含1%、2%的苦槛蓝挥发油的PVA 浓度为12%的PVA 纺丝液，常温下搅拌24 h，超声1 h，静置脱泡。脱泡后，对上述纺丝液进行静电纺丝，调节接收距离为14 cm，设置电压为20 kV、纺丝速率为0.5 mL/h。

2.5 戊二醛蒸气交联

往培养皿中加入20 mL 浓度为25%的戊二醛溶液，然后将它放入装有变色硅胶的干燥器隔板的下端，上端放置苦槛蓝挥发油/PVA 纳米纤维膜。在室温、密闭的条件下交联48 h 后取出，干燥24 h 后将样品保存好。

3 结果与讨论

3.1 醇解度及浓度对PVA 纳米纤维形貌的影响

图1 是电压为25 kV，纺丝速率为0.3 mL/h，接收距离为14 cm，浓度分别为10%、12%、14%、1.6%的醇解度为98%的PVA 纳米纤维形貌。从图1 可知，随着PVA 的浓度上升，纤维数量逐渐增加，但是珠状液滴仍不能消除，即使调节电压、速率、接收距离仍无法消除。这是因为醇解度高的PVA 制备过程反应副产物醋酸钠多，其电导率和表面张力过大，可纺性差，不适用于静电纺丝。在纺丝过程中发现，浓度为10%的PVA 针头喷液滴，不能形成射流；浓度为10%～14%的能形成射流；浓度为16%时由于浓度过大易堵住针头。因此，醇解度为98%的PVA 水溶液没有合适的浓度进行静电纺丝。

图1 不同浓度的醇解度为98%的PVA 的光学显微镜图（455X）

图2 不同浓度的醇解度为88%的PVA 的 光学显微镜图（455X）

图3 不同电压对PVA 纤维结构影响的 光学显微镜图（455X）

图2 是电压为20 kV，不同浓度的醇解度为88%的PVA 纳米纤维形貌。从图2 可知，浓度为6%的PVA 纳米纤维几乎全为串珠；浓度为8%的PVA 纳米 纤维串珠数量大量减少，纤维增多；浓度为10%的PVA 纳米纤维串珠消失，纤维形貌较好，但纤维直径较小；浓度为12%的PVA 纳米纤维无串珠，形貌均一，纤维直径粗细均匀。浓度为14%的PVA 纳米纤维由于浓度过大，易堵住针头，无法进行静电纺丝。因此，浓度为12%，醇解度为88%的PVA 纳米纤维制备的薄膜可以达到实验要求。

3.2 纺丝电压对PVA 纳米纤维形貌的影响

图3 为不同电压下浓度为12%，醇解度为88%的PVA 纤维形貌。从图3 中可知，当电压为12 kV 时，纤维有少量串珠状存在；当电压为16 kV 时，串珠消失，纤维形貌较为均一；当电压为20 kV 时，纤维形貌良好，粗细均匀，无黏连且连续；当电压为24 kV时，纤维形貌受到影响，纤维黏连严重，出现弯曲，纤维间互相缠绕。这主要是由于电压较低时，射流受到的电场力小于表面张力，无法完全拉伸；电压增大时，射流所受电场力足以克服表面张力，从而进行充分拉伸，形成均一光滑的纳米纤维；但是电压过高易造成射流不稳定，导致纤维间缠绕严重。因此，20 kV为最佳静电纺丝电压。

3.3 苦槛蓝挥发油浓度对PVA 纳米纤维形貌的影响

图4 为不同浓度的苦槛蓝挥发油对纤维形貌影响的光学显微镜图。从图4 中可知，添加1%苦槛蓝挥发油对纤维形貌影响不大，但随着提取液的浓度增加，形貌逐渐弯曲，纤维间缠绕程度增加。这是由于随着提取液的浓度增加，纺丝液溶质浓度增加，黏度增加，在最佳纺丝条件下，纤维无法充分被拉伸，导致形貌不均一。综合考虑实际应用的成本，苦槛蓝挥发油最佳添加量为1%。

图4 添加不同浓度苦槛蓝挥发油对PVA 纳米纤维形貌的影响（455X）

3.4 戊二醛蒸气交联对PVA 纳米纤维形貌的影响

图5 为戊二醛蒸气交联对PVA 纳米纤维形貌影响的光学显微镜图。从图5 可知，戊二醛蒸气交联前后，并没有对PVA 纳米纤维的形貌结构造成明显的改变，如图5(b)，交联后PVA 纳米纤维形貌仍保持良好，纤维直径分布均匀。

图5 戊二醛蒸气交联对PVA 纳米纤维形貌的影响（455X）

3.5 纤维膜表面亲水性分析

图6 为样品纤维膜的表面接触角测试图。从图6可知，吐温-80 和苦槛蓝挥发油的加入对纤维膜的接触角改变较小，戊二醛蒸气交联后的纤维膜接触角稍增大。交联后接触角并没有明显增大，这可能是因为没有完全交联，纤维膜中还有羟基剩余；而且改性后的纤维膜上可能有未进行反应的醛基，羟基和醛基的亲水性导致接触角没有明显增大。

图6 纤维膜与水的接触角

3.6 纤维膜的耐水性分析

表1 为不同样品的纤维膜在水中全部溶解所需要的时间。由表1 可知，吐温-80 和苦槛蓝挥发油的加入使PVA 抗溶解性得到一定增强，但并不明显。戊二醛蒸气交联后耐水性得到较为明显的增强，其耐水性得到提高的主要原因是在交联过程中，消耗了纤维膜中的大量羟基基团，从而提高了抗溶解能力。

表1 纤维膜完全溶解的时间 单位：min

3.7 纤维膜的红外光谱图分析

图7 为交联反应前后的苦槛蓝挥发油/PVA 纳米纤维膜的红外光谱图。从图中可知，3 408 cm–1的特征吸收峰为羟基的伸缩振动，说明戊二醛蒸气交联后仍存在羟基，这是因为在缩醛反应中是随机选择羟基反应，羟基没有完全反应。而交联后的纳米纤维膜在1 027 cm–1处多了一个吸收峰，这可能是由交联后生成的C—O—C 键引起的。这是由于PVA 和戊二醛反应可能生成醚键或缩醛基，交联后消耗了一定量的羟基。

图7 纳米纤维膜的红外谱图

3.8 纤维膜的拉伸性能分析

图8 为纳米纤维膜样品的应力-应变曲线，表2 为其对应的具体数据。由图8 可知，吐温-80 的加入使PVA 纳米纤维膜的拉伸强度由13.72 MPa 上升到16.68 MPa，断裂伸长率由45.20%上升到49.60%。苦槛蓝挥发油的加入使纳米纤维膜拉伸强度由16.68 MPa下降到 15.08 MPa，断裂伸长率由 49.60%下降到46.77%。戊二醛蒸气交联后的纳米纤维膜的拉伸强度由15.08 MPa 上升到16.89 MPa，断裂伸长率由46.77%上升到61.88%。这可能是因为吐温-80 的加入增强了PVA 纳米纤维膜的力学性能；而苦槛蓝挥发油的加入使原有的结构破坏，其力学性能降低；戊二醛蒸气交联后的纤维膜力学性能得到加强是因为交联过程中，分子间键合形成体型结构，在拉伸时需破坏分子内和交联过程中形成的分子键。

图8 纤维膜的应力-应变曲线

表2 纳米纤维膜的拉伸强度和断裂伸长率

3.9 抗菌性能分析

图9 为不同纤维膜抑菌实验的抑菌图，表3 为不同纤维膜的抑菌活性。由表3 可知纯PVA 薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都没有抑菌性；吐温-80 的加入使得纤维膜有少量抑菌性；苦槛蓝挥发油明显地增强了纤维膜的抑菌性，随着添加量增大抗菌效果更明显。研究发现戊二醛蒸气交联改性后的纳米薄膜与改性前的抑菌性没有变化，这说明改性不影响纤维膜的抑菌性。

图9 纤维膜的抑菌性能

表3 纤维膜的抑菌活性 单位：cm

4 结论

本文设计了以聚乙烯醇作为基材，以水为溶剂、吐温为乳化剂，添加苦槛蓝挥发油作为抑菌成分，采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜的综合实验，通过对其进行戊二醛蒸气交联有效地改善了PVA 的耐水性。通过对纳米纤维膜的纤维形貌、表面接触角、力学性能和抗菌性能等进行表征，得出以下结论：

（1）醇解度为99%的PVA 不适用于静电纺丝；醇解度为88%的PVA 在浓度为12%时，可制备形貌均一的纳米纤维。以吐温-80 为乳化剂，添加1%的苦槛蓝挥发油对PVA 纳米纤维的形貌影响不大，最佳制备条件为：电压20 kV，接收距离14 cm，纺丝速率0.5 mL/h，制备的纳米纤维无黏连，无串珠，形貌均一。

（2）戊二醛蒸气交联48 h 不会明显影响苦槛蓝挥发油/PVA 纳米纤维的形貌，但可改善其耐水性和力学性能。抑菌实验表明，苦槛蓝挥发油/PVA 纳米纤维具有较好的抑菌性。