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丝胶复合纳米口罩的制备及其抗菌性性能研究

近年来,随着空气质量逐渐恶化,雾霾天气现象出现频率越来越高,PM2.5作为霾的主要污染物,对人体的伤害非常大。因此口罩在日常生活中的使用频率越来越高,但人们在佩戴的过程中由于不注意或者消毒不彻底很容易滋生大量的细菌,且不及时清除会导致人体出现各种感冒发烧等症状,大大降低自身的身体素质。人体携带的各种细菌会在呼吸间与外界交换,与口罩外侧相比,口罩的内侧环境较为封闭,更容易产生细菌,所以口罩具有抗菌性是非常有必要的。
丝胶是一种天然水溶性动物蛋白质,对人体具有一系列特殊保护功能且性能优良,具有相配性强以及相容性好等优点,被广泛的应用于各个领域中而且作为生物材料的应用研究日趋活跃在人们的视野中[3]。丝胶蛋白(SS)无毒,具备较好的抗氧化性、抗菌性、以及良好生物相容性、生物降解性。聚环氧乙烷(PEO)是一种水溶性的高聚物,能溶于水,且水溶液在低浓度也具有较高的粘性,并且与SS之间具有一定相容性或部分相容性[4]。本文选用SS、PEO作为原料,利用静电纺丝技术[5,6],制备丝胶复合纳米口罩,探究其抗菌性能。
 
1 实验
1.1 实验材料
丝胶蛋白(上海步克医药科技有限公司)、聚环氧乙烷(平均分子量为10万,阿拉丁试剂有限公司),实验用水采用超纯水。
 
1.2 仪器与设备
固体培养基无菌棉拭子;无菌镊子;烧瓶;试管;YG-461数字式透气量仪(宁波纺织仪器厂);FM1107静电纺丝设备(北京富友马科技有限公司);JSM-6360LV型SEM电子扫描电镜(日本电子公司);HJ-5型多功能搅拌器(郑州长城科工贸有限公司);AUY120电子天平(日本SHIMADZU公司);HSW-1磁力搅拌恒温水浴锅(上海极恒实业有限公司)。
 
1.3 丝胶复合纳米口罩用料的制备
第一步,SS/PEO纺丝液的制备。将SS粉放入超纯水中,加热搅拌配制浓度为20%SS溶液;将PEO加入到超纯水,加热搅拌配制6%浓度的PEO溶液;将20%SS水溶液与6%PEO水溶液混合并搅拌均匀,得到SS/PEO纺丝液。
第二步,丝胶复合纳米口罩用料的制备。室温条件下,利用静电纺丝技术,将SS/PEO纺丝液喷射到接收屏处,以无纺布为基底接收静电纺纳米纤维得到丝胶复合纳米口罩用料。
 
1.4 测试与表征
(1)丝胶复合纳米口罩用料的形貌观测
采用日本电子公司JSM-6360LV型SEM电子扫描电镜在室温条件下观察纳米复合口罩用料的形态结构。
 
(2)抗菌定性测试
将纤维样品剪成5mm,紫外灯光照射下灭菌30min。实验器具均高温高压灭菌。用无菌处理的棉拭子蘸取100μL金黄色葡萄球菌或大肠杆菌母液,在固体培养基平板表面均匀涂抹3次。每涂抹1次,转动平板60°,再用棉拭子绕平板边缘涂抹一周。盖好平皿,置室温干燥5min。最后将试样放于平板表面,并轻压样片使其紧贴于平板表面。盖好平皿,放置在37℃恒温培养箱内,培养24h并观察结果。
 
(3)抗菌定量测试
实验参照国家标准《GB/T20944.3-2008纺织品抗菌性能的评价》进行。取对照样、抗菌样0.05g分别于3个试管中,另3个试管不加试样作为空白对照样。在9个试管中分别加入5μL金黄色葡萄球菌或大肠杆菌母液加入4ml液体培养基;盖好瓶塞,将9个试样的烧瓶置于恒温振荡器,振荡24h(24±1℃,150r/min)。吸取1mL试液于试管,用十倍稀释法稀释至合适菌液浓度。取100μL稀释液,在固体培养基平板表面均匀涂抹3次。每涂抹1次,转动平板60°,最后将棉拭子绕平板边缘涂抹一周。每个试管作两个平板作平行样。室温凝固,倒置平板,37℃培养48h;记录每个平板中的菌落数。抑菌率计算公式如下:
 
2 结果与讨论
2.1 丝胶复合纳米口罩用料的形貌
利用静电纺丝技术,以SS/PEO纺丝液与无纺布复合得到丝胶复合纳米口罩用料,其实物图如图1a所示。可见丝胶复合纳米口罩用料均匀柔软、舒适性较好,材料表面隐约呈现纳米纤维叠加分布纹路。无纺布具有一定的强力,很好地弥补了纳米纤维层力学性能较差这一缺陷,能有效提高丝胶复合纳米纤维材料的力学性能。采用SEM电子扫描电镜观测丝胶复合纳米口罩用料得到扫描电镜图如图1b所示。可见纳米纤维表面光滑无水珠,纤维形态好,纤维较细且纤维量大,纤维与纤维直径相互叠加多,呈现小而多的孔隙,纤维对颗粒的分离捕集作用有所加强,提高了过滤效率。静电纺纳米纤维具有高比表面积,直径小,质量轻,孔隙率高以及很强的吸附力等优点,对于颗粒过滤具有显着的直接拦截效应和惯性冲击效应,且良好的空隙内部连通性,有利于提高纳米纤维膜的过滤效率。
因此以无纺布为基底接收静电纺纳米纤维得到丝胶复合纳米口罩,结合了两种材料的优势,既有纺粘无纺布均匀柔软、强力较高的特点,又具备纳米纤维比表面积大、孔隙率高、内部连通性好等优点。
 
2.2 抗菌定性测试分析
通过抑菌圈法来定性的评定丝胶复合纳米口罩的抗菌性能,分别采用大肠杆菌与金黄色葡萄球菌母液,培养24h并随时观察结果如图2所示。两个培养皿左边均为对照样,右边均为丝胶纳米复合口罩制成的样品。在丝胶纳米复合口罩制成的样品周围显示有明显的抑菌圈,说明丝胶纳米复合口罩对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果。这是由于丝胶蛋白在一定程度上能够抗拒外界的恶劣环境,包括细菌侵入等,因此其应具备较好的抗菌性能,以丝胶蛋白作为原料制成的丝胶纳米复合口罩同样具备明显的抗菌效果。
 
2.3 抗菌定量测试分析
采用振荡法定量分析,计算抑菌率来评价丝胶复合纳米口罩的抗菌能力。实验中,细菌原液的细菌浓度约为109CFU/ml,而振荡法要求细菌的个数在能数清的范围内。稀释倍数过低,菌落的个数很多没有达到可以数清的程度,而稀释倍数多大数目过少,会增大实验的误差。因此选择稀释100万倍的菌液作为振荡法的实验用菌。
图3为样品对大肠杆菌的作用效果图,图3c是加入丝胶复合纳米口罩样品振荡后培养的细菌图。与对照组未加抗菌剂的相比,实验组中加入丝胶复合纳米口罩样品振荡后细菌个数极少,抑菌效果非常明显。对照组的大肠杆菌浓度约为2000 CFU/ml,而实验组的浓度约为1030CFU/ml。由公式计算得到,样品对大肠杆菌的抑菌率达到48.5%。这说明丝胶纳米复合口罩对大肠杆菌具有明显的抑菌效果。
 
3 结论
本文采用20%SS水溶液与6%PEO水溶液混合配置SS/PEO纺丝液,利用静电技术纺出SS/PEO纳米纤维,与无纺布复合,制备了丝胶复合纳米口罩。通过抗菌定性测试分析与抗菌定量测试分析,研究了丝胶复合纳米口罩的抗菌性,得到以下结论:
(1)静电SS/PEO纳米纤维表面光滑无水珠、纤维形态好,以无纺布为基底接收静电纺纳米纤维得到丝胶复合纳米口罩,既有纺粘无纺布均匀柔软、强力较高的特点,又具备纳米纤维比表面积大、孔隙率高且内部连通性好的优点。
(2)通过抑菌圈法观测丝胶纳米复合口罩制成的样品周围有明显的抑菌圈,定性的评定丝胶复合纳米口罩对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果。
(3)通过振荡法定量分析,计算丝胶纳米复合口罩对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌率分别达到45.17%和48.5%。说明丝胶纳米复合口罩具有显着的抗菌性能。

 

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