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本研究由Fan-xuan Xu、Chien Wei Ooi、Bing-lan Liu、Cher Pin Song、Chen-yaw Chiu、Chi-yun Wang及Yu-kaung Chang等人完成，主要作者来自明志科技大学化学工程系/生化工程研究所、马来西亚莫纳什大学工程学院化学工程学科、朝阳科技大学应用化学系以及明志科技大学生物医学工程与医疗器械创新技术国际博士学程。该论文发表于*International Journal of Biological Macromolecules*，第181卷，2021年，页码508–520，于2021年3月23日被接收，2021年3月26日在线发表。
本研究属于生物高分子与抗菌功能材料交叉领域，聚焦于开发一种具有高抗菌效能且可重复使用的新型纳米纤维膜。聚丙烯腈（polyacrylonitrile, PAN）纳米纤维膜因其良好的力学性能与可修饰性，被广泛研究用于功能化载体。然而，PAN本身不具备抗菌性能，因此研究者尝试通过表面改性与抗菌剂固定化来赋予其抗菌功能。聚六亚甲基双胍盐酸盐（poly(hexamethylene biguanide) hydrochloride, PHMB）是一种带正电荷的高分子抗菌剂，因其广谱抗菌活性、低毒性、化学稳定性好而被广泛用于消毒领域，但其水溶性高，易从材料表面溶出，造成环境污染和抗菌性能持久性差的问题。因此，如何将PHMB稳定地固定在固体载体上并保持其抗菌活性，是该领域的重要挑战。本研究旨在通过碱性水解PAN纳米纤维膜引入羧基（-COOH），再以壳聚糖（chitosan, CS）修饰，随后将不同类型的活性染料偶联至膜表面，最终以离子键和氢键等非共价作用将PHMB固定于染料修饰膜上，系统评价其抗菌性能、影响因素及耐洗性。
研究的主要流程包括以下几个步骤。首先，以电纺技术制备PAN纳米纤维膜，并对其碱性水解处理得到P-COOH膜，之后将壳聚糖通过EDC/NHS偶联引入，获得P-COOH-CS膜。第二步是将活性染料通过亲核取代反应偶联至P-COOH-CS膜上。所用染料为含有不同磺酸基（-SO₃⁻）数量的二氯三嗪型活性染料，包括Reactive Brown 10（RB10）、Reactive Blue 4（RB4）、Reactive Yellow 84（RY84）、Reactive Green 19（RG19）和Reactive Red 141（RR141），磺酸基数分别为1、2、6、6和8。染料偶联在pH 11、70°C条件下进行，并在反应过程中加入NaCl和Na₂CO₃以促进反应。第三步是将PHMB在pH 7条件下固定至染料修饰膜上，得到P-COOH-CS-Dye-PHMB复合膜。对每一步修饰所得的膜均进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）表征，以确认官能团引入、表面形貌变化及热稳定性差异。抗菌性能评价采用大肠杆菌（Escherichia coli, *E. coli*）为模型菌株，通过AATCC 147平行划线法和定量抗菌效能（antibacterial efficacy, AE）测定进行研究。AE测定依据特定接触时间下对照平板与样品平板菌落数的比值计算。此外，还采用Monod型方程、Langmuir型和Freundlich型等温模型以及拟一级和拟二级动力学模型对染料固定量、PHMB固定量及抗菌动力学进行了非线性与线性拟合分析。
实验结果显示，P-COOH膜表面羧基密度为327.37 ± 29.32 μmol/g，P-COOH-CS膜表面胺基密度为328.42 ± 32.37 μmol/g。FTIR谱图证实了CS、染料及PHMB的成功引入，其中P-COOH-CS-Dye-PHMB在1536 cm⁻¹处出现-NH₂⁺的信号，表明PHMB已固定于膜表面。SEM结果显示，PAN基纳米纤维在接枝CS和染料后直径由300–600 nm范围有所增加。TGA结果表明，P-COOH-CS-Dye-PHMB较未固定PHMB的染料修饰膜具有更高的热稳定性，这可能与阳离子PHMB和染料磺酸基间的离子-离子相互作用有关。抗菌活性筛选实验显示，不含染料的PAN、P-COOH和P-COOH-CS膜抗菌性能较差；而P-COOH-CS-Dye膜对*E. coli*的AE在62.55%至66.51%之间，略高于P-COOH-CS，但提升有限。相比之下，P-COOH-CS-Dye-PHMB膜的AE显著提高，其中以RG19和RR141修饰的膜AE达到约99.99%，远优于RB10、RB4和RY84。含磺酸基越多的染料，其对应的P-COOH-CS-Dye-PHMB膜AE越高，表明染料中磺酸基数量直接影响PHMB的固定量及抗菌活性。在染料固定量优化方面，RR141和RG19在初始染料浓度3 mg/ml时固定量分别为约160.21 μmol/g和143.04 μmol/g。Monod型模型能良好拟合染料在膜上的固定行为（r²>0.98），且RR141与P-COOH-CS的结合强度弱于RG19。PHMB固定实验表明，随着PHMB加入量增加，固定在膜上的PHMB量也增加，RR141和RG19膜的最大PHMB固定浓度分别约为3.02 μmol/g和2.86 μmol/g，但Monod型模型对PHMB固定行为的拟合并不理想。在AE与PHMB固定量关系实验中，P-COOH-CS-RR141-PHMB和P-COOH-CS-RG19-PHMB达到约100% AE所需PHMB量分别为2.41 μmol/g和2.15 μmol/g，而此时PHMB与染料上磺酸基的摩尔比仅为0.19%和0.25%，说明极低浓度的PHMB即可实现高效抗菌。Monod型方程拟合得到的最大AE均为约100%，其中RG19膜的kd,cell值（0.0714 μmol/g）低于RR141膜（0.134 μmol/g），表明RG19膜与*E. coli*的结合作用更强。接触时间实验显示，两种膜在60分钟内AE即达到约100%。动力学拟合表明拟二级动力学模型更好地描述了抗菌过程（r²>0.99），说明膜表面反应为限速步骤。在不同*E. coli*浓度（1×10⁶至5×10⁹ cfu/ml）下，两种膜均保持约100%的AE，显示优异的抗菌容量。耐洗性测试中，经过五次重复使用后，P-COOH-CS-RG19-PHMB的AE仅下降5%，P-COOH-CS-RR141-PHMB下降7%，说明PHMB在膜上的固定具有较好的持久性。
综合来看，本研究成功构建了以CS和活性染料为桥联层、以PHMB为抗菌活性组分的新型PAN基纳米纤维膜。染料中磺酸基数量对PHMB固定量和抗菌活性具有正相关影响，其中RG19和RR141因含有较高磺酸基数而表现出最优抗菌性能。该膜在极低PHMB固定量下即可实现约100%的*E. coli*杀灭率，且在不同细菌浓度下均能保持高抗菌活性，并具有良好的重复使用稳定性。研究的科学价值在于揭示了染料介导的PHMB固定机制及其对革兰氏阴性菌的抗菌作用规律，拓展了功能化纳米纤维膜在抗菌领域的设计思路。应用价值方面，该膜在食品、制药及纺织等行业中具有作为非溶出型抗菌材料的潜力，尤其适用于需要长期抑菌和耐洗性能的功能性产品。
本研究的亮点包括：系统比较了不同磺酸基数量的活性染料对PHMB固定量及抗菌效能的影响，首次在CS修饰的PAN纳米纤维膜上评价了染料-PHMB协同抗菌体系的性能；采用Monod型模型与动力学模型定量描述了染料固定、PHMB固定及抗菌过程，为功能膜设计提供了可借鉴的数学模型；实现了在极低PHMB固定量下高效杀菌并保持优异的耐洗性，为开发环保且长效的抗菌纺织品提供了新思路。