1、蘇州大學本科生畢業設計（論文）目 錄第一章 緒論31.1前 言31.2研究目標以及內容5第二章 醋酸纖維素抗菌膜的構建及表征72.1實驗部分72.1.1實驗原料與試劑72.1.2實驗儀器72.1.3實驗方法82.1.3.1二苯甲酮類離子液的合成82.1.3.2醋酸纖維素纖維膜的制備92.1.3.3離子液功能化纖維膜的制備92.1.3.4離子液功能化纖維膜的抗菌性能測定102.1.4表征方法102.2結果與討論102.2.1二苯甲酮類離子液合成102.2.2改性前醋酸纖維素膜的觀測結果與分析112.2.3改性后醋酸纖維素膜的表征結果與分析122.2.4改性后醋酸纖維素膜的抗菌表征結果142.3小

2、 結15第三章 結論17參考文獻18致謝20紫外輻照一步法構建醋酸纖維素抗菌膜摘要靜電紡絲是一種用于快速制備一維納米材料的方法，具有快速、方便的特點，所制備的纖維直徑可從幾十個納米到幾微米，具有較高的孔隙率及比表面積，可攜帶大量的釋放性藥物。若在納米纖維的表面接枝上抗菌劑進行修飾，便可制得具有抗菌功能的纖維膜，在生物醫用材料領域有著廣泛的應用。本文對抗菌的靜電紡絲膜進行研究，以期獲得高抗菌效率的靜電紡絲膜。本課題首先通過控制靜電紡絲過程中的紡絲液濃度、電壓值、接收距離、進給速率、紡絲液用量和滾筒轉速等參量制得表面平整、直徑均一的醋酸纖維素（CA）納米纖維膜，用掃描電子顯微鏡（SEM）對其形貌進

3、行觀察。再通過化學合成制得一種二苯甲酮類離子液體，運用核磁共振波譜表征其化學結構。隨后通過紫外光照將二苯甲酮類離子液接枝到CA膜的表面獲得改性CA膜，通過傅里葉紅外光譜儀及X射線光電子能譜對其進行表征。最后再進行抗菌測試，表征改性CA膜的抗菌性能。關鍵詞：靜電紡絲醋酸纖維素納米膜抗菌 AbstractElectrostatic spinning is a fast and convenient method for the rapid preparation of one-dimensional nanomaterials. The diameter of the fiber is from

4、nanometers to micrometers. The fiber has high porosity and specific surface area, and can carry drugs to release. If the antibacterial agents are modified on the nano-fiber surfaces, it can be made of fiber membrane with antibacterial function, which is widely used in the field of biomedical materia

5、ls. In this paper, antibacterial spinning films are studied in order to obtain the high antibacterial efficiency of electrospinning film.In this study, firstly, smooth surface and uniform diameter of cellulose acetate（CA）nanofiber membranes were produced by controlling electrospinning solution conce

6、ntration, voltage, receiving distance, feed rate, volume of dope and roller speed. Its morphology was observed by scanning electron microscopy（SEM）. Sceondly, a diphenylketone ionic liquid was synthesized and characterized by nuclear magnetic resonance spectra（NMR）. Then the modified CA films were o

7、btained by grafting the diphenylketone ionic liquid onto the surface of the CA membrane. The ionic liquid-modified CA films were characterized by Fourier infrared spectra and X-ray photoelectron spectroscopy. Finally, antibacterial test was performed to demonstrate the antimicrobial properties of th

8、e modified CA membrane.Keywords: electrospinning； cellulose acetate nanomembranes； antibacteria；第1章 緒論1.1前 言細菌、真菌和病毒等病原微生物能引發機體組織發生病變，嚴重威脅著人類健康。尤其是醫用生物材料在介（植）入體內后，在其表面滋生細菌是引發人體感染的最主要原因，嚴重者甚至會危及生命安全。研究表明，細菌在生物醫用材料表面粘附是引起感染的第一步，細菌先要粘附于物質表面，然后通過信號分子進行相互間的信息交流，引來同類細菌聚集，從而形成完整的生物膜結構 Pavithra D, Doble M.

9、Biofilm formation, bacterial adhesion and host response on polymeric implants-issues and preventionJ. Biomedical Materials, 2008, 3(3):034003.。生物膜一旦形成，膜內細菌抵抗抗生素等殺菌藥物以及防止機體免疫系統清除的能力將大大加強，從而就會引起細菌持續性感染 Harding J L, Reynolds M M. Combating medical device foulingJ. Trends in Biotechnology, 2014, 32(3):1

10、40-6.。因此，針對醫用生物材料相關感染的巨大危害，醫用材料抗菌性能的研究受到了越來越多的關注。目前迅速發展的在材料表面引入抗菌劑是一種構建抗菌表面非常有效的方法，主要可分為兩類：第一類是利用物理方法，例如，旋涂、沉積等在表面修飾上如抗菌肽、抗生素、銀離子和季銨鹽類的化合物等抗菌劑 Shi H, Liu H, Luan S, et al. Antibacterial and biocompatible properties of polyurethane nanofiber composites with integrated antifouling and bactericidal com

11、ponentsJ. Composites Science & Technology, 2016, 127:28-35.；第二類是通過化學共價鍵的鍵合在表面修飾上抗菌劑，包括表面聚合接枝法、本體添加法、層層自組裝法等 Joseph, Schlenoff B. Zwitteration: Coating Surfaces with Zwitterionic Functionalityto Reduce Nonspecific AdsorptionJ. Langmuir, 2014, 30(32):9625-36.。物理方法雖然操作簡單，但抗菌涂層熱穩定性以及化學穩定性較差，抗菌涂層的使用壽命較短

12、Desmet T, Morent R, Geyter N D, et al. Nonthermal Plasma Technology as a Versatile Strategy for Polymeric Biomaterials Surface Modification: A ReviewJ. Biomacromolecules, 2009, 10(9):2351-78.。與物理方法相比，化學方法中抗菌劑是共價修飾在基材表面，有更好的穩定性，使用壽命也較長，但往往也有操作相對較復雜，制備周期較長的不足 Barbey R, Lavanant L, Paripovic D, et al.

13、Polymer brushes via surface-initiated controlled radical polymerization: synthesis, characterization, properties, and applications.J. Chemical Reviews, 2009, 109(11):5437.。纖維素是自然界中廣泛存在的一種天然高聚物，醋酸纖維素又稱乙酸纖維素，它是將纖維素用醋酐處理后得到的，具有良好的熱穩定性、生物相容性和親水性，是一種綠色環保的可再生材料。而靜電紡絲是一種制備多孔膜的簡單通用的方法 Jessica D. Schiffman,

14、Caroline L. Schauer. A Review: Electrospinning of Biopolymer Nanofibers and their ApplicationsJ. Polymer Reviews, 2008, 48(2):317-352.，通過靜電紡絲法制備的醋酸纖維素膜具有高的比表面積和孔隙率、可控的纖維直徑、良好的親水性、生物相容性等特點，目前已廣泛應用于生物醫用材料、親水材料、分離材料等方面 Konwarh R, Karak N, Misra M. Electrospun cellulose acetate nanofibers: the present s

15、tatus and gamut of biotechnological applicationsJ. Biotechnology Advances, 2013, 31(4):421-437. Zhang L, Menkhaus T J, Hao F. Fabrication and bioseparation studies of adsorptive membranes/felts made from electrospun cellulose acetate nanofibersJ. Journal of Membrane Science, 2008, 319(12):176-184. S

16、on W K, Youk J H, Park W H. Antimicrobial cellulose acetate nanofibers containing silver nanoparticlesJ. Carbohydrate Polymers, 2006, 65(4):430-434.。因此，我們設想如果能方便快捷的制備具有高效抗菌功能的醋酸纖維素膜，則必將在抗菌分離膜、傷口敷料等生物醫用方面具有廣闊的應用前景。靜電紡絲（electrospinning）技術簡稱靜電紡絲或者電紡絲，是從電噴技術（electrospraying）發展演化而來的一種技術。其概念最早可追溯到 1882 年R

17、ayleig Dalton A B, Collins S, Muoz E, et al. Super-tough carbon-nanotube fibresJ. Nature, 2003, 423(6941):703.霧滴靜電化研究。1934 年，Formalas發明用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利，這是首次利用高壓靜電來制備纖維裝置的詳細描述，被公認為是靜電紡絲技術制備微納米纖維的開端 Moon S C, Farris R J. Strong electrospun nanometer-diameter polyacrylonitrile carbon fiber yarnsJ

18、. Carbon, 2009, 47(12):2829-2839.。90 年代，美國阿克隆大學大學 Reneker 實驗室對靜電紡絲工藝和應用展開了深入和廣泛的研究 Khil M S, Bhattarai S R, Kim H Y, et al. Novel fabricated matrix via electrospinning for tissue engineering.J. Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials, 2005, 72B(1):-. Leonas K, Liu H. Ant

19、imicrobial Properties and Release Profile of Ampicillin from Electrospun polycaprolactone Nanofiber YarnsJ. Journal of Engineered Fibers & Fabrics, 2010, 11(7):1024-1031.。近年來， 隨著納米技術的發展，由于靜電紡絲可制備納米級纖維，也得到了飛速發展，世界各地的科研界和工業界都對該技術表現出了濃厚的興趣。靜電紡絲主要由高壓電源、紡絲噴頭和接收裝置等三個部分構成。如圖 1（a）、（b）所示，實驗過程中，將聚合物紡絲溶液裝入紡絲容器

20、內，在高壓靜電場的作用下，紡絲液從噴頭中擠出形成錐體（泰勒錐），當電壓超過某一界限時會形成射流；由于強電場的拉伸作用以及射流內部電荷的排斥作用，射流會發生不穩定彎曲，在空中急速震蕩和鞭動，從而拉伸細化（有時還會發生劈裂細化），最終形成納米纖維并以無紡布的形式沉積在收集裝置上 Wang H, Zheng G, Li W, et al. Direct-writing organic three-dimensional nanofibrous structureJ. Applied Physics A, 2011, 102(2):457-461.。纖維的直徑分布范圍在幾個納米到幾個微米之間。而影響納

21、米纖維膜性質的因素有很多，幾個較為重要的因素如下：1、噴絲頭與收集板之間的距離d：射流的飛行距離隨著d的增大而增大，纖維可以得到合適的拉伸，不同的拉伸程度可以獲得不同直徑，故可以通過控制d值的大小，從而控制纖維的直徑，以獲得目標纖維膜。2、靜電紡絲所需電壓（KV）：當噴絲頭與收集板之間的距離d不變時，提高紡絲電壓，會使得紡絲液表面具有更多的電荷，從而獲得更大的靜電力，便于射流的形成。但是靜電紡絲所需要的電壓不能太低，因為電壓太低，紡絲液所受到的靜電力太小，不足以克服本身的阻力，將不能形成射流，無法進行靜電紡絲。電壓也不能太高，因為電壓太高，在整個靜電場中形成靜電屏蔽，紡絲液不能從噴頭中噴出，也

22、就不能紡絲 何素文. 靜電紡絲納米纖維形態影響因素的分析與驗證D. 東華大學, 2011.。紡絲電壓是靜電紡絲過程中最為重要的參數之一。3、溶液濃度和射流流體的粘度：一般的，在紡絲過程中紡絲液的濃度越大，纖維直徑也就越大。另外，射流周圍的環境也有一定的影響，在真空中會比在空氣中更容易形成射流，還有環境的溫度、濕度、氣體流通速率等，同時靜電紡絲射流流體的自身特性，比如熱、表面張力、相變及熱導率對靜電紡絲過程也有一定影響。靜電紡絲過程中溶液濃度，接收距離與電壓對固化后的纖維直徑與形貌有很大影響 Boland E, Wnek G, Simpson D, et al. TAILORING TISSUE

23、 ENGINEERING SCAFFOLDS USING ELECTROSTATIC PROCESSING TECHNIQUES: A STUDY OF POLY(GLYCOLIC ACID) ELECTROSPINNINGJ. Journal of Macromolecular Science: Part A - Chemistry, 2001, 38(12):1231-1243. Deitzel J M, Kleinmeyer J, Harris D, et al. The effect of processing variables on the morphology of electr

24、ospun nanofibers and textilesJ. Polymer, 2001, 42(1):261-272.，而這三個參數的改變將會直接或簡潔的影響到噴射孔徑的大小、溶液粘度高低參數的改變，因此實現納米纖維廣泛應用的關鍵是如何合適的選擇靜電紡絲過程的工藝參數 Ross S E. Electrospinning: The quest for nanofibersJ. International Fiber Journal, 2001, 16(5):50-53.致 謝首先我要感謝論文的指導老師武照強教授。從論文選題到研究的實施以及最后論文撰寫，武老師都給予了我很大的幫助。每當我在項目

25、實驗過程中出現疑惑之處時，武老師總會耐心的對我進行指導，期間還會進行知識的引申，讓我能夠掌握除本課題所需的知識外，還能了解到更多與本課題相關的知識。老師對科研謹慎的態度也始終在影響著我，讓我不管在人生的道路上還是在專業的研究上都能保持著一份慎重的態度，為我今后的研究生生活打下了堅實的基礎！在此萬分感謝武老師的悉心指導！其次，要必須感謝的一個人就是我實驗室的董亦詩師姐，在她悉心的指導下我才能得以完成本次畢業設計。師姐給予了我許多的幫助，使我對實驗室的各項基本操作有了較為全面的認識，為我今后的研究生生活打下了堅實的基礎。在實驗過程中，我們遇見了許許多多的困難，但在師姐的指導下也一一得以解決，使得我

26、在書本上學習到的理論知識應用到實際的同時，也使得許多知識點得到了很好的回顧，印象更為扎實。在此，十分感謝董亦詩師姐這么長時間以來對我的照顧！與此同時，也要非常感謝陸曉雯師姐和皇甫夢鴿同學在我完成畢業設計時對我給予的各方面照顧，在實驗過程中，我們也相互成長了很多。在本次畢業設計完成的過程中，也用到了學部測試中心的很多儀器，在此，對測試中心各位老師給予的幫助表示感謝！最后，感謝我的母校蘇州大學這四年來給予我們本科生搭建的各種平臺，讓我們能夠在這里快樂的學習、生活。愿每一個蘇大人都始終不忘：養天地正氣，法古今完人！。1.2研究目標以及內容 基于上述分析，我們提出利用靜電紡絲并結合紫外輻照方法，將離子

27、液抗菌化合物11一步法共價接枝在醋酸纖維素膜表面，克服目前現有技術中抗菌表面制備繁瑣、制備周期較長的不足。我們希望通過該研究工作，獲得具有高效抗菌性能的醋酸纖維素膜材料，為方便、快捷解決生物材料表面細菌污染這一難題提供一種新的途徑和方法。利用紫外光輻照一步法，將離子液和醋酸纖維素膜通過共價鍵有機鍵合在一起，為設計制備高效的抗菌材料提供實驗基礎。 本課題特色基于抗菌醫用生物材料角度出發，利用靜電紡絲并結合紫外輻照方法，將天然高聚物醋酸纖維素和離子液通過共價鍵有機鍵合在一起，構建具有高效抗菌性能的膜材料，為方便、快捷解決生物材料表面細菌污染這一難題提供一種新的途徑和方法。具體如下： （1）利用二苯

28、甲酮類離子液一步法接枝在纖維膜表面作為抗菌材料，制備方法簡單宜行，可克服現有技術中抗菌表面制備繁瑣的不足。（2）醋酸纖維素纖維膜具有高的比表面積和孔隙率的特點，可高密度接枝抗菌化合物，為高效抗菌材料的制備研究提供了一條新途徑。（3）醋酸纖維素膜表面和離子液化合物的共價鍵結合，所得抗菌涂層穩定性高，可克服現有物理方法中涂層化學穩定性較差、抗菌涂層的使用壽命較短的缺陷。第2章 醋酸纖維素抗菌膜的構建及表征2.1實驗部分2.1.1實驗原料與試劑本章所使用的原料與試劑如表2-1所示。常用溶劑均按標準方法純化處理后使用。實驗用水均經過Millipore系統純化處理。2.1.2實驗儀器2.1.3實驗方法2

29、.1.3.1二苯甲酮類離子液的合成取6-溴-1己醇（2.5 g，14 mmol）與甲基咪唑（1.1 g，14 mmol），在45C氮氣保護下反應過夜，得到淡黃色粘稠狀液體，即為二苯甲酮離子液單體中間體。將4-苯甲酰苯甲酸（2.0 g，8.8 mmol）加入30 mL二氯甲烷，并加入10 L無水DMF，在冰浴條件下逐滴加入用10 mL二氯甲烷溶解的草酰氯（1.2 g，9.7 mmol），滴加完畢后移至室溫反應過夜。旋干溶劑，得到黃色的粗產物，即為4-苯甲酰苯甲酰氯。取羥基咪唑離子液（2.0 g，7.3 mmol）用20 mL三氯甲烷進行溶解，并加入2 mL三乙胺（1.5 g，14.6 mmol）

30、。隨后在冰浴條件下逐滴加入用10 mL二氯甲烷溶解的4-苯甲酰苯甲酰氯（2.1 g，8.8 mmol）。滴加完畢后移至室溫反應過夜。隨后二氯甲烷稀釋，用飽和食鹽水洗，無水硫酸鎂干燥，過濾，旋干溶劑。最后用二氯甲烷/乙醚進行沉淀，得到黃色粘稠狀液體，即為產物二苯甲酮類離子液。2.1.3.2醋酸纖維素纖維膜的制備將醋酸纖維素溶解于DMF-丙酮混合溶劑中作為紡絲液，進行靜電紡絲，通過高速旋轉器收集纖維，得到醋酸纖維素纖維膜。紡絲過程中需要控制紡絲機的濕度在40%以下。紡制好的CA膜用剪刀從滾筒上取下，再用打孔機將整塊的CA膜制成直徑為0.6cm小圓片備用。在進行紡絲時各項參數得出結果如下：紡絲液濃度

31、電紡電壓大小接收距離進給速率紡絲液用量滾筒轉速丙酮:DMF=3:2CAwt%=30%負壓：0 V正壓：15-17 KV16-18 cm0.02 ml/min35 ml （大）15 ml （小）能接收到溶液即可2.1.3.3離子液功能化纖維膜的制備將合成的二苯甲酮類離子液配制成一定濃度的乙醇溶液，然后將醋酸纖維素膜浸入溶液中1-2分鐘取出，在室溫下晾干，并經紫外光照射后，經乙醇清洗后干燥制得離子液功能化纖維膜材料。將離子液的濃度控制在3 mg/mL，5 mg/mL，8 mg/mL三個梯度，光照時間設定為2 min、5 min、8 min三個梯度在光照時發現處于5 min以及8min的離子液功能化

32、纖維膜出現了氧化變黃的結果。而后降低光照時間為2 min、3 min、4 min三個時間梯度進行實驗。2.1.3.4離子液功能化纖維膜的抗菌性能測定將大腸桿菌MG1655在37 ，2mL無菌LB培養基中震蕩培養過夜，用無菌PBS溶液將細菌溶液稀釋，使細菌濃度為1 107 mL-1。吸取10 L細菌液至改性前及改性后的醋酸纖維素膜表面在37 C下培養3小時后，用倒置離心的方法，稀釋到合適的濃度進行涂板，隨后在37C恒溫培養箱中倒置培養18 h后取出拍照并計算殺菌率。2.1.4表征方法合成產物的化學結構通過核磁共振波譜儀（INOVA 400MHz）進行分析，。CA膜的微觀結構使用掃描電子顯微鏡（S

33、-4700）進行觀察。CA膜表面接枝前后表面靜態水解觸角測試所使用的儀器為SL-200C型水解觸角儀（USA Kino Idustry Co, Ltd）。改性后的CA膜可以通過傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 6700）和X射線光電子譜（Multilab 2000）進行表征。2.2結果與討論2.2.1二苯甲酮類離子液合成圖4.二苯甲酮類離子液的1HNMR譜圖首先，我們進行了二苯甲酮類離子液的合成工作，得到的核磁結果如圖3所示，值在8.16-8.13ppm和3.92ppm所對應的為甲基咪唑上氫的化學位移，而4.39-4.23ppm和1.95-1.43ppm之間所對應的為結構中亞甲基上氫的化學位移，7.89-7.51ppm應為苯環上氫的化學位移。檢測結果表明，通過上述合成過程得到的黃色粘稠狀液體便是實驗目標產物二苯甲酮類離子液。2.2.2改性前醋酸纖維素膜的觀測結果與分析（b）首先，我們通過靜電紡絲，制備了醋酸纖維素膜，并對其進行了基本的表征。從圖4a可知，所制備的CA膜表面較為平整，無明顯斑點。SEM檢測結果表面該CA膜纖維直徑較為均一，孔隙率較高。（根據步驟應該是制備醋酸纖維素膜在前，合成二苯甲酮離子液在后）2.2.3改性后醋酸纖維素膜的表征結果與分析通過傅里葉變換紅外光譜表明改性后的離子液功