MOF-5三元复合抗菌材料对革兰氏阴性大肠杆菌生长抑制作用机理研究（一）
摘要
以微晶纤维素水凝胶(MCCBA)为载体、采用Cu2O和MOF-5原位沉积制备 MCCBA-Cu2O-(MOF-5)三元复合材料。通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和革兰氏阴性大肠杆菌(E.Coli)分别表征其结构和抗菌能力。研究结果表明，Cu2O和MOF-5能够很好地沉积在MCCBA上，从而制备出MCCBA-Cu2O-(MOF-5)三元复合材料；抗菌实验表明，在培养24h后，细菌生长曲线呈现递减性变化，抑菌圈直径呈递增性变化。这说明单一MCCBA并不具有抗菌性，经纳米Cu2O复合改性的MCCBA表现出一定的抗菌性。在引入MOF-5形成三元复合材料的细菌浓度(OD值)为1.0，抑菌圈直径变为10mm，可以证明制备的三元复合材料对革兰氏阴性大肠杆菌呈现出优异的抗菌能力。
引言
抗菌材料是通过将抗菌剂和抗菌载体相复合的具有杀菌、抑菌功能的一类功能材料，在医疗、纤维和塑料等领域获得了广泛应用。微晶纤维素(MCC)水凝胶由天然亲水性高分子MCC制备，含有大量亲水性基团的交联聚合物，具有生物相容性和可生物降解性等优点，可用作农用薄膜、保水剂、矿业抑尘剂、原油脱水剂、医疗药物载体等领域。由纤维素构成的水凝胶并不具有抗菌能力，但其独特的纤维簇装、网络状结构能够提高抗菌剂的负载量，可作为一种优异的抗菌载体。Hashemi制备了壳聚糖/富马酸聚乙醇酯混合水凝胶膜，用于医疗伤口涂敷，其对绿脓杆菌和金色葡萄球菌的抑菌率高达99.92%，具有很强的抑菌能力。
刘瑞来等人研究了纤维素/聚苯乙烯-马来酸钠水凝胶(SMA-Na-DEG/纤维素)的抗菌性及药物释放能力，发现SMA-Na-DEG/纤维素具有一定的抑菌性，并能逐步释放水杨酸等药物。 Cu2O是一种立方体结构的无机杀菌剂，通过Cu⁺变性或氧化达到杀灭细菌和霉菌的目的，在抗菌方面有潜在应用价值。
Lu等人首次报道了Cu2O的抗菌性，发现其抗菌性主要由晶面结构、晶面原子排列决定，并且对不同菌种表现出更高的选择活性。在此基础上，Jia等人发现Cu2O对革兰氏阴性大肠杆菌(E.Coli)的抗菌活性不仅与其{111}晶面的原子排列有密切关系，也与Cu2O和E. Coli之间的Zeta电位差有关。通过将Cu2O引入到MCC水凝胶中，可以赋予水凝胶抗菌性能，拓展其在医疗卫生领域的应用。在现有的研究中，多以Cu2O复合单一基材的抗菌性研究为主，鲜见引入其他新型抗菌剂达到增强抗菌的目的。
与Cu2O相比，金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是具有丰富载药孔道的新型抗菌剂，其结合了无机抗菌剂金属阳离子中心(Zn²⁺，Ag⁺，Cu²⁺等)和有机抗菌结构(壬二酸等)从而表现出良好且持续的抗菌性。MOF-5[Zn4O(BDC)3]是由次级结构单元Zn4O和有机配体1,4-对苯二甲酸(1,4-BDC)构成的，因其具有抗菌能力强、性质丰富、孔道可调节、易于后修饰等特点受到了广泛关注。
通过引入MOF-5负载到MCC水凝胶(MCCBA)-Cu2O抗菌载体上，能够增强抗菌载体的抗菌能力。 本实验采用原位生长法先将MCC水凝胶和Cu2O复合，获得MCC水凝胶基二元复合抗菌材料，再引入MOF-5，形成三元复合抗菌材料，研究MOF-5复合改性MCCBA-Cu2O后对革兰氏阴性大肠杆菌的抗菌增强能力，并探讨相关抗菌机理。
1 实验
1.1 实验原料及试剂
微晶纤维素(MCC)，购自美国FMC公司；六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O，分析纯)，对苯二甲酸(H2BDC，CP)，五水硫酸铜(CuSO4·5H2O，分析纯)，抗坏血酸(分析纯)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，分析纯)，氢氧化钠(NaOH，分析纯)，过硫酸铵(分析纯)，N,N-二甲基甲酰胺(N，N-Dimethylformamide，DMF，分析纯)，无水乙醇(EtOH，分析纯)购自天津市大茂化学试剂有限公司；丙烯酸(分析纯)，丙烯酰胺(分析纯)，N,N亚甲基双丙烯酰胺(分析纯)购自阿拉丁试剂有限公司；琼脂(生物级)，革兰氏阴性大肠杆菌(E.Coli)购自百灵威试剂有限公司。所有试剂未进一步提纯。
1.2 实验方法
1.2.1 MCC水凝胶(MCCBA)的制备
取2.0g MCC分散在50mL去离子水中，加入0.2g过硫酸铵在室温下超声分散20min。接着加入10mL丙烯酸、2.0g丙烯酰胺和0.06gN，N-亚甲基双丙烯酰胺在70℃下反应2h，分别用去离子水和无水乙醇洗涤数次，洗至中性，烘干，研磨粉碎备用。
1.2.2 MCCBA-Cu2O复合材料的制备
取0.75g上述制备好的MCCBA加入到36mL 0.1 mol/L CTAB中，在室温下加入2.5mL0.1 mol/L CuSO4溶液并超声分散均匀，然后加入5mL0.1 mol/L抗坏血酸。将上述混合体系在搅拌下从室温升至55℃，反应10 min，接着加入2 mL0.5 mol/L NaOH溶液，再保温10 min。待其冷却至室温后，用去离子水和无水乙醇洗涤至中性。
1.2.3 MCCBA-(MOF-5)的制备
称取0.34gZn(NO3)2·6H2O和0.17gH2BDC溶解在20mL混合溶剂[V(DMF):V(EtOH)=5:3]中，加入0.6g MCCBA，将上述反应物移入25mL Telflon反应釜中，120℃反应4h，分别用DMF和EtOH洗涤数次。
1.2.4 MCCBA-Cu2O-(MOF-5)的制备
采用原位生长法制备三元复合材料。取0.6g MCCBA-Cu2O分散在20mL混合溶剂[V(DMF):V(EtOH)=5:3]中，加入0.34g Zn(NO3)2·6H2O,溶解后，再加入0.17gH2BDC。将上述反应物迅速移人25 mL Telflon反应釜中，在120℃下反应4 h，冷却至室温后，分别用DMF和EtOH洗涤数次。
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