基于天然生物质的非离子抗菌聚合物：新型纤维素-吲哚衍生物复合材料的合成、表征与应用潜力

一、 研究团队与发表信息 本研究由陕西科技大学仿生工程与生物力材料研究所及国家轻化工实验教学示范中心的党旭刚、于振福、王学川和李楠共同完成。研究成果以题为“eco-friendly cellulose-based nonionic antimicrobial polymers with excellent biocompatibility, nonleachability, and polymer miscibility”的论文形式，于2023年10月20日发表在学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（2023年第15卷，第50344-50359页）。

二、 学术背景与研究目的 本研究属于高分子材料、生物质材料与抗菌材料交叉领域。全球新冠疫情凸显了细菌感染防控的重要性。传统抗菌材料，如小分子抗生素或金属纳米颗粒（如纳米银），存在易浸出、易导致细菌耐药性、生理毒性及环境二次污染等问题。而大多数已报道的合成抗菌聚合物为离子型，其抗菌活性依赖于与细菌细胞膜的离子相互作用，可能存在水溶性差、抗菌性能持续性不足、结垢风险及毒性等问题。此外，许多合成抗菌聚合物基于石油原料，存在生理毒性、难生物降解及环境污染等缺点。

因此，开发环境友好、高效、可生物降解、非浸出且长效的非离子型抗菌聚合物成为迫切需求。纤维素作为地球上最丰富的天然生物质高分子，具有环境友好、无毒、廉价、可再生、可生物降解和生物相容性好等优点，是替代石油基原料的理想选择。吲哚衍生物是来源于植物的非离子小分子，在自然界和家庭废弃物中含量丰富，常被用作天然抗生素。本研究旨在通过可持续的一锅法，将吲哚衍生物共价接枝到纤维素分子主链上，制备出兼具优异生物相容性、非浸出性、抗菌活性和聚合物混溶性的天然生物质基非离子抗菌聚合物，并评估其与可生物降解聚合物复合后的性能，以拓展其在伤口敷料、医疗器械、食品包装等领域的应用潜力。

三、 详细研究流程 本研究流程系统且完整，主要包含以下几个核心步骤：

1. 纤维素基非离子抗菌聚合物（MICA和MIPA）的合成与表征 * 研究对象与合成方法： 以微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose, MCC）为原料，分别与两种吲哚衍生物——吲哚-3-羧酸（Indole-3-carboxylic-acid, ICA）和3-吲哚丙酸（3-Indolepropionic-acid, IPA）——通过酯化反应进行接枝。采用可持续的一锅法，在室温下于N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）/氯化锂（LiCl）溶剂体系中，以N-(3-二甲氨基丙基)-N’-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和4-二甲氨基吡啶（DMAP）为催化剂，反应36小时，最终得到两种新型非离子抗菌聚合物，分别命名为MICA（接枝ICA）和MIPA（接枝IPA）。 * 结构表征实验： * 傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 分析MCC、ICA、IPA、MICA和MIPA的官能团变化，确认酯键（C=O伸缩振动峰）及芳香环特征峰的形成，证明接枝成功。 * 核磁共振氢谱（¹H NMR）： 使用氘代DMSO为溶剂，检测MICA和MIPA的化学位移。结果显示，ICA/IPA的羧基质子峰（~11.⁹⁰⁄₁₂.90 ppm）消失，而吲哚环上的氨基质子峰（~10.⁶⁸⁄₁₀.70 ppm）和芳香质子峰（6.50-8.00 ppm）以及MCC葡萄糖单元上的质子峰（3.6-5.5 ppm）均出现，进一步证实了酯化反应的发生和产物的结构。 * X射线光电子能谱（XPS）： 分析元素组成和化学态。与MCC相比，MICA和MICA的XPS全谱中出现了N 1s峰；高分辨C 1s谱中出现了C=O峰（~286.4-286.9 eV），O 1s谱中出现了C=O/O-C-O峰（~530.9-531.2 eV），N 1s谱中出现了N-H和N-C峰，这些均为接枝成功的证据。 * 紫外-可见光谱（UV-Vis）与取代度（DS）测定： 通过建立ICA和IPA的标准曲线，测定MICA和MIPA在特定波长下的吸光度，利用文中公式（1）和（2）计算得出MICA和MIPA的取代度分别为2.16和2.31，表明每个葡萄糖单元平均接枝了约2个吲哚衍生物分子。 * 溶解度测试： 在10 mg/mL浓度下，测试MCC、MICA和MIPA在不同溶剂中的溶解性。结果显示，MCC在所有测试溶剂中均不溶，而MICA和MIPA在多种极性非质子溶剂（如DMSO、DMF、DMAc、THF、丙酮等）中可溶，但在质子溶剂（如水、甲醇、乙醇）中不溶。这归因于吲哚小分子的引入破坏了MCC的结晶区域和分子间作用力。 * 热性能分析： * 热重分析（TGA）： 在氮气氛围下测试。MCC、MICA和MIPA的最大热分解温度（T_d）分别为361°C、332°C和301°C。虽然接枝后T_d略有下降，但仍高于300°C，表现出良好的热稳定性。此外，MICA和MIPA的残炭率（16%和21%）高于MCC（7%），这归因于吲哚芳香结构的热稳定性。 * 差示扫描量热法（DSC）： 测得MCC、MICA和MIPA的玻璃化转变温度（T_g）分别为101±0.9°C, 102±1.3°C, 和104±0.4°C。接枝后T_g轻微上升，表明材料热稳定性有所增强。DSC曲线均只出现一个T_g峰，说明合成的聚合物具有良好的相相容性和结构均一性。 * 凝胶渗透色谱（GPC）： 测定MICA和MIPA的分子量及分布。MICA的重均分子量（M_w）为30,307 g/mol，数均分子量（M_n）为13,625 g/mol，多分散指数（PDI）为2.2；MIPA的M_w为33,362 g/mol，M_n为14,992 g/mol，PDI为2.2。表明所制备的聚合物具有较高的分子量和较宽的分子量分布。 * 扫描电子显微镜（SEM）与X射线衍射（XRD）： * SEM： MCC呈现规则、完整的短纤维状结构，表面光滑。而MICA和MIPA的短纤维结构完全消失，转变为片状颗粒形态，尺寸不均。这表明吲哚小分子在反应中渗透并破坏了MCC的原始形貌。 * XRD： MCC在14-17°、18°和22.7°处显示出典型的纤维素I型结晶衍射峰。接枝后，MICA和MIPA的结晶峰显著减弱、变宽，表明MCC的结晶区被破坏，结晶度降低，这与溶解度提高的结果一致。

2. 纤维素基复合薄膜（PVA-MICA和PVA-MIPA）的制备与性能评估 * 薄膜制备： 采用流延法，将MICA或MIPA与可生物降解的聚乙烯醇（PVA）以不同质量比（95/5, ⁹⁰⁄₁₀, 80/20）混合，溶解在DMSO中，浇铸在培养皿中，于60°C真空干燥24小时，制得一系列复合薄膜，分别命名为PVA-MICA5/10/20和PVA-MIPA5/10/20。作为对照，也制备了PVA与游离小分子ICA/IPA物理混合的薄膜（PVA/ICA5/10/20和PVA/IPA5/10/20）。 * 性能评估实验： * 混溶性分析（DSC）： 对所有复合薄膜进行DSC测试。所有PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜的DSC曲线均只显示一个T_g峰，且T_g随MICA/MIPA含量的增加而升高。这表明MICA/MIPA与PVA之间具有良好的混溶性，形成了均相复合材料。 * 浸出性分析（UV-Vis）： 将各复合薄膜样品（1x1 cm²）浸入20 mL去离子水中5天。通过UV-Vis监测浸泡液在250-320 nm（吲哚特征吸收区间）的吸光度。结果显示，PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜的浸泡液无特征吸收峰，而PVA/ICA和PVA/IPA对照薄膜的浸泡液则显示出随ICA/IPA含量增加而增强的特征吸收峰。这证明通过化学键接枝到纤维素上的MICA和MIPA在复合膜中具有优异的非浸出性。 * 形貌与光学性能（SEM与透明度观察）： SEM显示纯PVA薄膜表面光滑均匀。加入MICA或MIPA后，PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜表面仍保持连续光滑结构，无相分离现象，证实了良好的相容性。薄膜外观透明，表明MICA/MIPA的加入未显著影响其光学性能。 * 表面润湿性（水接触角，WCA）： 纯PVA薄膜的水接触角为35.5°，表现出强亲水性。随着MICA或MIPA的加入，复合薄膜的水接触角显著增大（例如PVA-MICA20为72.4°，PVA-MIPA20为88.6°），疏水性增强。这归因于MICA/MIPA与PVA分子间形成了致密的交联网络结构。 * 机械性能： 通过万能试验机测试薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。纯PVA薄膜的拉伸强度为29.55±2.90 MPa，断裂伸长率为184.86%。加入MICA/MIPA后，复合薄膜的机械性能得到改善。例如，PVA-MICA10的拉伸强度最高（44.30±1.80 MPa），所有复合薄膜的断裂伸长率均显著高于纯PVA，PVA-MICA20的断裂伸长率最高达393.35%。这表明MICA/MIPA的加入不仅增强了材料强度，还作为“内增塑剂”提高了薄膜的柔韧性。 * 抗菌性能评估： * 纸片扩散法： 以大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）为测试菌种。将负载有MICA或MIPA样品溶液（0.2 mg/mL，相当于4 μg/片）的圆片置于接种了细菌的LB琼脂平板上，培养24小时后测量抑菌圈直径。结果显示，MICA对E. coli和S. aureus的抑菌圈直径分别大于22 mm和38 mm；MIPA的抑菌圈直径分别大于22 mm和39 mm，表明两者对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均具有良好的杀菌效果。 * 细菌与薄膜相互作用（SEM）： 将细菌悬液涂布在纯PVA、PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜表面培养24小时后，通过SEM观察细菌形态。在纯PVA表面，两种细菌生长良好，形态完整。而在PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜表面，细菌细胞膜和细胞壁出现严重破损和孔隙，表明MICA和MIPA能与细菌细胞膜相互作用，破坏其结构，从而达到杀菌效果。 * 生物相容性分析（细胞毒性）： * CCK-8法： 使用小鼠成纤维细胞L929作为体外模型，评估PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜浸提液的细胞毒性。培养1、3、5天后，实验组（薄膜浸提液处理）与对照组（仅培养基）的细胞存活率无显著差异，均超过99%，且吸光度值随时间增加，表明材料无细胞毒性。 * 活/死细胞染色： 荧光显微镜观察显示，用薄膜浸提液培养的L929细胞生长状态良好，活细胞（绿色）占绝大多数，进一步证实了材料良好的生物相容性。

四、 主要研究结果及其逻辑关联 1. 成功合成与结构确证： 通过FTIR、¹H NMR、XPS、UV-Vis（DS测定）等一系列表征，确证了MICA和MIPA的成功合成。ICA/IPA通过酯键共价接枝到MCC骨架上，取代度较高（>2），显著改变了MCC的溶解性（可溶于多种极性非质子溶剂）和结晶结构（结晶度降低，形貌由纤维变为颗粒）。 2. 具备优良的基础物化性能： MICA和MIPA表现出良好的热稳定性（T_d > 300°C）、可加工的T_g（~102-104°C）以及较高的分子量。这些特性为其后续加工和应用奠定了基础。 3. 与PVA复合展现卓越综合性能： DSC证明MICA/MIPA与PVA完全混溶。复合薄膜具有优异的非浸出性（关键优势，避免二次污染）、良好的透明度、增强的疏水性和显著改善的机械性能（高强度与高延展性结合）。 4. 强大的抗菌活性： 纸片扩散法和细菌-SEM观察结果一致证明，MICA和MIPA本身及其复合薄膜对E. coli和S. aureus均具有显著的抗菌杀菌能力。其作用机制可能与非离子抗菌剂通过氢键、疏水或偶极-偶极相互作用破坏细菌细胞膜有关。 5. 出色的生物相容性： CCK-8细胞毒性测试和活/死细胞染色结果表明，PVA-MICA和PVA-MIPA薄膜浸提液对L929细胞无毒性，细胞存活率高，生长状态良好，满足生物材料的安全性要求。

逻辑关联： 首先，成功合成并表征了目标聚合物，验证了其基本结构和性能（步骤1-2）。接着，将其与PVA复合，验证了其作为抗菌添加剂的加工可行性（混溶性）和核心优势（非浸出性），并获得了具有优良力学和表面性能的复合材料（步骤3）。然后，对复合材料进行功能验证，证实了其抗菌有效性（步骤4）和生物安全性（步骤5）。整个过程环环相扣，从分子设计、合成表征，到复合材料构建、性能优化，最后进行功能与安全评价，形成了一个完整的研究链条。

五、 研究结论与价值 本研究成功通过可持续的一锅法合成了两种新型纤维素基非离子抗菌聚合物MICA和MIPA。这两种材料不仅本身具有高热稳定性、良好溶解性和抗菌活性，更重要的是，它们能与可生物降解的PVA完美混溶，制备出综合性能优异的复合薄膜。该复合薄膜具备以下突出特点：非浸出性（从根本上解决了传统小分子抗菌剂迁移污染的问题）、良好的生物相容性与细胞活性（无细胞毒性）、有效的广谱抗菌性、优异的机械性能（高强度与高弹性）以及良好的热稳定性和透明度。

科学价值： 本研究为开发环境友好、可持续的非离子型抗菌高分子材料提供了一种创新策略。它首次报道了具有非浸出性、聚合物混溶性、机械性能、生物相容性和细胞活性的非离子纤维素基抗菌聚合物，深化了对生物质材料功能化改性的理解。 应用价值： 该材料体系原料成本低、性能优异，在对抗细菌感染需求迫切的领域具有巨大的应用潜力，例如可作为伤口敷料、医疗器械涂层、活性食品包装材料等，有助于推动石油基材料向生物基材料的绿色转型。

六、 研究亮点 1. 创新性的材料设计： 首次将天然吲哚衍生物通过共价键接枝到纤维素骨架上，创制了新型非离子纤维素基抗菌聚合物，巧妙结合了纤维素的环境友好性和吲哚的天然抗菌功能。 2. 突出的“非浸出”特性： 通过化学键合策略，将抗菌单元牢固固定在聚合物骨架上，实现了抗菌功能的持久性和环境安全性，这是相对于物理共混小分子抗菌剂的革命性进步。 3. 卓越的综合性能： 所制备的复合薄膜并非单一功能突出，而是在抗菌性、非浸出性、力学性能（高强度与高延展性兼具）、生物相容性、热稳定性等多个关键指标上均达到优良水平，显示出巨大的实际应用前景。 4. 系统完整的研究体系： 从分子合成、结构表征，到复合材料制备、性能评估（物理、机械、抗菌、生物相容性），研究流程完整，数据详实，论证充分，为同类研究提供了范本。

七、 其他有价值的内容 文中还通过对比实验（PVA/ICA与PVA/IPA物理混合薄膜）清晰地论证了化学接枝相对于物理共混在防止浸出方面的绝对优势。此外，研究指出MICA和MIPA在极低浓度（0.2 mg/mL）下仍显示出良好的抗菌效果，优于文献中报道的壳聚糖基抗菌材料的最低抑菌浓度（1.5 mg/mL），突出了其高效性。这些细节进一步强化了本研究工作的创新性和实用价值。