具有生物降解和抗菌性能的化学纤维

摘要：

由于亲水性纤维素（无熔点）和疏水性聚乳酸（PLA）在分子水平上不互溶，且不溶于同一溶剂，因此制备均质纤维素/聚乳酸（C/PLA）复合材料仍然是一个挑战。在这里，通过将PLA溶解在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中，然后连续添加纤维素和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸酯（[bmim]Ac），首次实现了均匀C/PLA复合膜的制备。有趣的是，用这种方法制备的C /PLA复合膜显示出明显改善的生物相容性、生物降解性和拉伸强度。纤维素/PLA/DMF/（bmim）Ac溶液中，在纤维素和PLA的凝聚过程中，纤维素和PLA链之间的相互干扰以及O-H··O=C氢键（HB）的相互作用是形成均相C/PLA膜的主要原因。这项工作为制备含有亲水和疏水化合物的均质复合材料以及改善性能提供了新的见解。

引言

化石产品为人类社会的发展创造了辉煌灿烂的文明。然而，它们也给生态环境和人类健康带来了严重危害。因此，使用环保无毒的产品在现代社会得到了广泛的认可。聚乳酸（PLA）作为化石产品的替代品，由于其独特的生物降解性、生物相容性、无毒性等特性，越来越受到人们的关注。1,2聚乳酸可通过乳酸的缩聚3生产，其某些性能（如强度、刚度和透气性）与合成塑料相当。4-6然而，其广泛应用受到缓慢生物降解、固有脆性行为、低韧性等因素的限制。7,8

克服这些缺点的一个策略是将PLA与纤维素复合，以制备纤维素/PLA（C/PLA）复合材料。纤维素是自然界中含量最丰富、成本最低的生物聚合物，具有可再生性、生物降解性、生物相容性、高强度、高模量、高热稳定性和尺寸稳定性等突出优点，基于这样一个事实纤维素受到广泛的使用。9-13目前，C/PLA复合材料可生产以下四种类型。第一类是PLA纳米复合材料，其中纳米纤维素14-16或改性纳米纤维素17-20用作添加剂（约0.5-5 wt%）。第二种类型涉及在PLA膜21上逐层沉积纳米纤维素和在PLA纤维上涂覆纳米纤维素。22第三类是C/PLA复合材料，其中微晶纤维素由乙酰基23和钛酸酯偶联剂改性。24最终类型基于以下方法：首先通过气流铺网成型技术生产含有亚麻纤维和聚乳酸的非织造复合材料，然后进行热固结，最后热压成亚麻纤维/聚乳酸复合材料。25上述方法存在以下问题。C/PLA复合材料是异质杂化的，涉及非常复杂和耗时的过程。C/PLA材料的机械性能无法改善甚至削弱。由于异质复合，生物相容性和生物可降解性能无法显著改善。解决这些问题的关键是开发新的同质复合策略，该策略可以在纳米尺度上结合组分的一些关键特征，并有助于改善复合材料的性能。26然而，由于亲水性纤维素和疏水性PLA在分子水平上不互溶，而且也不溶于同一溶剂，因此制备均质C/PLA材料是一个巨大的挑战。例如，PLA在70℃时可溶于DMF，但纤维素不溶于DMF。

近年来，咪唑基羧酸盐离子液体（ILs）因其熔点低、溶解纤维素能力强而备受关注。27-31近年来，Rinaldi32和Xu等人33-36发现，IL+共溶剂体系对纤维素的溶解能力比单独的IL强得多。在已报道的体系中，[bmim]Ac/DMF溶剂即使在室温下也能有效溶解纤维素。33基于这些结果，很明显，如果设计适当的程序来获得均匀的纤维素/PLA/DMF/[bmim]Ac溶液，那么制备均匀的C/PLA复合材料的可能性很大。受此启发，我们设计了一种新颖、简便的方法，成功地制备了均匀的C/PLA复合薄膜。用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和固体CP/MAS 13C NMR对薄膜的形貌和结构进行了研究。通过差示扫描量热仪（DSC）和热重分析（TGA）对薄膜的热性能进行了估算。同时，还考察了纤维素/PLA质量比对生物相容性、生物降解性和力学性能的影响，并通过FT-IR和固体CP/MAS 13C NMR分析探讨了均匀C/PLA膜的形成机理。

结果和讨论

均匀复合膜的制备和微观结构

在利用离子液体/共溶剂体系制备均质C/PLA复合材料的尝试中，我们发现[bmim]Ac/DMF只能溶解纤维素，但不能溶解PLA。然而，PLA在70°C时可溶于DMF，3但纤维素不溶于DMF。基于这些结果，提出了一种同质复合程序，并在图1中进行了演示。在此程序中，PLA首先在70°C下溶解在DMF中，以获得PLA/DMF溶液。然后，在40℃搅拌下将纤维素分散到该溶液中。最后，在搅拌下将[bmim]Ac添加到纤维素/PLA/DMF混合物中，直到纤维素完全溶解，以获得透明的纤维素/PLA /DMF/bmim]Ac溶液。通过使用这种均相溶液，很容易完成C/PLA薄膜的后续制造（见实验部分的制备方法）。必须强调的是，应首先将纤维素而非[bmim]Ac添加到PLA/DMF溶液中，否则PLA可从PLA /DMF /bmim]Ac混合物中凝结。与之前报道的方法相比，这里开发的策略非常简单，制备条件非常温和，程序节省时间，并且纤维素/PLA质量比可以根据需要自由调节，这使得大规模生产均匀的C/PLA复合膜成为可能。为了比较，本研究还制备了纯纤维素膜和PLA膜。

从SEM图像（图2）可以看出，尽管纤维素和PLA在亲水性和疏水性方面存在差异，但干燥后的C/PLA膜的断裂表面显示出均匀致密的结构，其中未观察到相分离。这表明PLA在复合膜中与纤维素均匀复合，这在以前从未报道过。同样清楚的是，原始纤维素35在2θ=15.2°、16.4°、22.5°、34.6°处的典型XRD衍射峰和PLA37在16.7°、19.1°处的典型XRD衍射峰在复合膜中消失（图3）。这意味着，在纤维素/PLA/DMF/（bmim）Ac溶液中纤维素和聚乳酸的凝聚过程中，纤维素和聚乳酸大分子链之间的相互干扰/缠结阻碍了纤维素和聚乳酸大分子链的自缔合。因此，复合膜中的纤维素和PLA以非晶态而非晶态存在。这证实PLA在复合膜中与纤维素均匀复合，这与SEM结果一致。

为了为同质复合提供更多证据，测定了C/PLA复合材料的TGA曲线，结果如图S1所示。如果纤维素与聚乳酸非均匀混合，则可以从SEM图像中观察到明显的相分离。同时，C/PLA样品的TGA曲线将分别显示出相对于纤维素和聚乳酸的两个失重平台。从图S1可以清楚地看出，C/PLA样品仅显示一个失重平台，表明纤维素与聚乳酸的均匀复合物。这也与上面讨论的SEM结果非常一致。

还测定了纤维素、PLA和C/PLA（1:1）薄膜的DSC热图，如图S2所示。众所周知，DSC数据可以提供聚合物熔点和/或玻璃化转变温度的直接信息。当聚合物以结晶状态存在时，通常可以从DSC曲线中观察到对应于熔点的吸热峰。然而，尽管纤维素中存在结晶部分，但由于其刚性链和通过氢键紧密堆积以及熔融前降解，因此它没有显示任何熔点和玻璃化转变温度（见图S2）。38 PLA膜的熔点为169℃，表明PLA膜中存在结晶截面。有趣的是，C/PLA（1:1）薄膜也显示出吸热峰。然而，由于C/PLA（1:1）样品的吸热和放热曲线在加热和冷却时是不可逆的，因此该吸热转变温度不被认为是熔点（图S3）。这表明复合膜中的纤维素和PLA主要以非晶态而非晶态存在，这与上述XRD结果一致。

复合膜的相互作用及可能的形成机理

FT-IR光谱（图4）表明，纤维素的OH拉伸中心在3344 cm-1左右，随着复合膜中PLA含量的增加，从3344 cm-1显著蓝移到3382 cm-1。众所周知，纤维素中的OH基团之间存在氢键（HB）相互作用。39-41随着复合膜中PLA含量的不断增加，纤维素中OH基团的H原子与PLA中C=O基团的O原子之间的HB相互作用削弱/破坏了纯纤维素中的HB相互作用。因此，复合膜纤维素中的O-H键缩短，导致O-H的拉伸振动蓝移。42还应注意，与纤维素中O-H的拉伸振动位移（33 cm-1）相比，尽管形成氢键，PLA的C=O拉伸位移几乎没有变化（1-2 cm-1）。这主要归因于C=O双键的拉伸振动力常数比O-H单键的影响小。

图5显示了纯纤维素、纯PLA和C/PLA（1:1）薄膜的固体CP/MAS 13C NMR谱。在C/PLA（1:1）薄膜中，可以清楚地观察到PLA的C1和C3原子以及纤维素的C1、C3和C6原子的化学信号，PLA的C2原子的化学信号与纤维素的C2原子的化学信号重叠，而纤维素的C4和C5原子的化学信号组合成一个宽峰。我们清楚地注意到，由于纤维素中的OH基团与PLA中的C=O基团之间的HB相互作用，C/PLA（1:1）膜中纤维素的C2、C3和C6原子的化学信号相对于纯纤维素分别向上移动了约2.4、0.4和2.6 ppm，这与PLA/聚乙烯醇共混膜中的HB相互作用类似。43 HB相互作用导致与纤维素羟基氧原子相连的C2、C3和C6中的电子云密度增加，因此其13C NMR信号向上移动（化学位移减少）。此外，C/PLA（1:1）膜中PLA的C1、C2和C3原子的化学信号相对于纯PLA向下移动。这主要归因于FT-IR光谱分析中讨论的PLA中C=O基团的O原子与纤维素中OH的H原子之间的HB相互作用，这导致这些原子的电子云密度降低。因此，他们的13C NMR信号向下移动，化学位移相应增加。然而，C /PLA（1:1）膜中纤维素的C1、C4和C5原子的化学位移仅发生轻微变化（0.004-0.009 ppm），表明与这些C原子相连的基团与PLA的相互作用较弱。此外，在图5中未观察到C/PLA（1:1）膜的新峰，这证实了纤维素和PLA在制造过程中的溶解和凝固是一个物理过程。

基于上述结果，建议均匀C /PLA膜的形成为：i）纤维素在PLA /DMF溶液中分散后，添加[bmim]Ac促进纤维素溶解，因为[bmim]Ac /DMF是纤维素的有效溶剂；33 ii）在纤维素/PLA/DMF /[bmim]Ac溶液中纤维素和PLA的凝固过程中，溶解的PLA大分子链和随后溶解的纤维素大分子链可以相互干扰，以防止纤维素（或PLA）链自缔合。iii）上述O-H···O=C HB相互作用也阻止纤维素（或PLA）链自结合。这些综合因素促进了均匀C/PLA膜的组装。

复合膜的细胞活力和生物降解性能

为了检查C /PLA膜是否可用作生物材料，使用EC109细胞评估其生物相容性（表S1）。引人注目的是，发现C /PLA膜上的细胞活力值大于100%，表明这些膜对EC109细胞无毒。此外，这些复合膜比纯纤维素膜具有更强的细胞活力，并且随着PLA含量的增加，细胞活力值增加。这有力地表明，纤维素与PLA的同质复合非常有利于EC109细胞的生长和增殖。因此，其优异的生物相容性使其在生物医学领域具有潜在的应用前景。

图6显示了纤维素、PLA和C /PLA薄膜的降解百分比随土壤埋置时间的变化。很明显，所有薄膜在土壤中都是可降解的，降解率随着埋藏时间的延长而增加。最重要的是，C /PLA薄膜比纯纤维素和聚乳酸薄膜更容易降解。例如，当纯纤维素和PLA在土壤中埋置90天时，其降解效率分别为81%和68%，但C/PLA（1:1）膜在45天内完全降解，降解效率为100%。由于纯纤维素和聚乳酸薄膜以结晶状态存在（见图3），它们的大分子链紧密结合在一起，水分子和细菌很难渗透到链中，在土壤埋藏条件下水解或降解纤维素和聚乳酸。还可以看出，在相同的掩埋时间下，PLA膜的降解效率低于纤维素膜。这一结果可以从PLA是疏水性的，纤维素是亲水性的，并且在土壤中亲水性纤维素比疏水性PLA更容易水解或降解这一事实来解释。如图3所示，C /PLA膜中的纤维素和PLA处于无定形状态，向PLA中添加亲水性纤维素改善了复合膜的亲水性。所有这些因素都有利于水分子渗透到膜中，从而促进其水解。同时，土壤中微生物、细菌和真菌在复合膜上的增殖和生长进一步加速了膜的腐蚀，甚至使其完全降解。通过SEM观察，我们进一步检查了不同天数嵌入土壤中的纤维素、PLA和C/PLA（1:1）薄膜的形态（图S4-S6）。显然，随着埋藏时间的延长，所有薄膜的可见表面腐蚀变得越来越严重。

众所周知，传统聚合物材料（如聚丙烯和聚乙烯）的降解需要数百年甚至数千年的时间，44导致不可避免的环境污染。与传统聚合物材料相比，本研究中的C/PLA复合材料是由可再生无毒的纤维素和PLA制成的。这些复合材料具有良好的生物相容性和生物降解性，符合绿色化学倡导的环境友好要求。因此，本研究对可再生高分子材料在生物降解性、生物相容性、无毒性等绿色产品制造中的应用具有重要意义。

复合膜的力学性能和热稳定性

材料的力学性能对其应用至关重要。因此，我们确定了C/PLA复合膜的拉伸强度（图7）。有吸引力的是，少量添加PLA可显著提高C/PLA薄膜的拉伸强度。因此，C /PLA（99:1）、C /PLA（97:3）和C /PLA（95:5）薄膜的拉伸强度远高于纯纤维素薄膜。尤其是C /PLA（97:3）膜的拉伸强度比纯纤维素膜高52%左右。随着PLA含量的增加，C /PLA膜的断裂伸长率增加（图S7）。例如，C /PLA（1:1）复合膜的断裂伸长率很高，几乎是纯纤维素膜的2.5倍。这些结果表明，纤维素与适量PLA的均相杂交不仅可以显著提高复合膜的拉伸强度，而且可以显著提高复合膜的柔韧性。然而，由于纯PLA薄膜的极度脆性，我们无法对其进行拉伸实验。

我们还估计了薄膜的热稳定性（图S1）。有趣的是，C/PLA复合膜（244-293℃）的热分解温度高于纤维素膜（220℃），但低于PLA膜（332℃）。结果表明，C/PLA复合膜具有良好的热稳定性。

结论

在这项工作中，我们提出了一种简单而有效的方法来制备均匀的C/PLA复合膜。结果表明，合成的复合膜对EC109细胞无毒，可生物降解。例如，C/PLA（1:1）复合膜在土壤中埋置45天时可以完全降解，而纯纤维素和PLA膜在土壤中埋置90天时的降解效率分别为81%和68%。重要的是，由于纤维素与低PLA含量的均匀杂化，复合膜的机械性能（如拉伸强度）可以大大提高，并且复合膜具有良好的热稳定性。这些薄膜有望在生物医学领域有潜在的应用。这里开发的制备程序非常简单，制造条件非常温和，适合大规模生产。结果表明，纤维素和PLA大分子链之间的相互干扰/缠结以及纤维素/PLA/DMF/bmim Ac溶液中纤维素和PLA凝聚过程中的O-H··O=C HB相互作用都有助于C/PLA均质复合膜的形成。

实验部分

材料

微晶纤维素购自Alfa Aesar，其粘度平均聚合度为229。聚乳酸（Mw=100000）来自上海英功生物科技有限公司。醋酸（>99.5%）和无水乙醇（>99.5%）来自天津迪恩化学试剂有限公司。DMF（>99.5%）来自江苏强生功能化学有限公司。DMEM培养基（99%）和MTT（99%）来自北京索拉比科技有限公司。胎牛血清（99%）来自浙江天航生物科技有限公司。根据文献报道的程序合成了[bmim] Ac。28人食管癌细胞系EC109由河南科技大学医学院提供。细胞在DMEM培养基（中国北京Solarbio）中培养，并在37℃的5%二氧化碳增湿培养箱中添加10%胎牛血清、100g/ml青霉素和100g/ml链霉素。实验是在细胞约80%汇合时进行的。

纤维素、PLA和C/PLA薄膜的制备

通过将DMF /[bmim]Ac混合物（质量比为1:1）中纤维素和PLA的总含量保持在约8%（每100 g混合物中8 g）来制备均匀的C /PLA复合膜。该质量比的选择基于有利于纤维素溶解的事实。33通常，在70°C下将0.4 g PLA溶解在5 g DMF中，以获得PLA /DMF溶液。然后，在40°C的温度下，在磁力搅拌下将0.4 g纤维素分散到该溶液中，然后添加5 g[bmim]Ac。纤维素完全溶解后，立即将纤维素/PLA /DMF /[bmim]Ac溶液转移到9×9 cm2的模具中。然后将该模具放置在含有无水乙醇的培养皿中。浸泡1小时或更长时间后，复合膜从纤维素/聚乳酸/DMF /[bmim]Ac溶液中凝结，并倒出无水乙醇。用去离子水冲洗三到四次后，在218 nm的最大吸收波长下测定，冲洗水中未观察到[bmim]Ac吸收。将生成的薄膜平放在塑料板上，将其所有侧面固定，然后在室温下在空气中干燥。该膜被命名为C /聚乳酸（1:1），其中1:1是纤维素与聚乳酸的质量比。其他复合薄膜也采用类似的方法制备。

使用以下程序制备纯纤维素膜。在40℃下将0.16 g纤维素溶解在DMF /[bmim]Ac（2 g，质量比为1:1）中，以获得纤维素溶液。然后，将纤维素溶液摊铺到具有约2 mm液膜厚度的聚四氟乙烯板上。将带有液膜的平板在室温下放置在真空烘箱中0.5小时，以去除液膜中的气泡。然后，将液膜板直接浸入无水乙醇浴中进行凝固，以获得水凝胶膜。最终使用蒸馏水将水凝胶膜清洗3-4次，并在空气中干燥。

为了制备纯PLA膜，在70°C下将PLA（0.16 g）溶解在DMF（2 g）中，以获得PLA /DMF溶液。将溶液分层在聚四氟乙烯板上，形成约2 mm厚的液膜。然后，将液膜板放置在通风柜内12小时。由此获得的PLA膜用蒸馏水冲洗3-4次，然后用空气干燥。

C/PLA薄膜的表征

为了进行扫描电子显微照片（SEM）测量，将干燥的C/PLA薄膜用液氮冷冻并直接撕下。在被金溅射后，对断裂表面进行了拍照。使用BrukerD8Advance衍射光谱仪和Cu-Ka辐射（λ=1.54´Å）收集XRD图谱。确定的2θ范围和扫描速度分别为3–60º和2º/min。红外测量（4 cm−在ATR-FTIR（Nicolet iN10，Thermo Fisher Scientific，USA）系统下，使用Ge crystal ATR附件、MCT（汞-碲化镉）探测器和OMIC picta工作站，执行1分辨率、64次扫描和ATR 5%最大压力）。每次样品测量均减去背景，并对每个样品的不同部位进行三次测试。使用400 MHz NMR光谱仪（德国Bruker Advance III）在环境温度下测定每个样品的固态13C NMR谱，采用交叉极化/魔角旋转（CP /MAS）。

采用耐驰STA 449 C热重分析仪（TGA）测定热分解温度。在干燥N2气氛下，每个样品在氧化铝坩埚中以10°C min-1的加热速率从室温加热至600°C时损失10 wt%的质量。TGA数据记录的温度为起始温度，由阶跃切线确定。

体外细胞试验

标准MTT法（3-（4,5-二甲基噻唑-2-基）-2,5-二苯基四氮唑溴化法）评估了EC109细胞在C /PLA均质复合膜上的存活和增殖。将C /PLA薄膜平放在96孔板的孔底部，并通过高压灭菌。将EC109细胞接种在C /PLA膜上，每个孔中的浓度为5000细胞/200μl。将EC109细胞在37°C的5 vol%CO2气氛中培养1-7天。每两天用200μL新鲜培养基更换一次培养基。

孵育1、3、5和7天后，加入20μL MTT溶液（5 mg /mL），并与每个孔中的细胞一起孵育。4小时后，使用微孔板读取器（Bio-Rad，型号550，美国）在570 nm处测量由200μL二甲基亚砜替代的培养基的吸光度。对每个样品进行六个平行实验，并报告平均值。使用方程式（1）评估相对细胞活力：

其中OD570（样品）和OD570（对照）分别是试验组和对照组的吸光度值。细胞活力值见表S1。

薄膜的土壤生物降解实验

选择C /PLA（1:1）和C /PLA（9:1）膜，研究纤维素/PLA质量比对C /PLA膜生物降解的影响。在我校花园自然土壤环境中进行了土壤生物降解实验。上述薄膜（3×3 cm2）固定在尼龙网（2×2 mm2网目尺寸）之间，并埋在土壤下方约15 cm处。每天给土壤浇水一次（雨天除外），以确保实验土壤始终湿润。生物降解时间为5～7月。在10、30、45、60和90天后，从土壤中取出降解膜。通过在蒸馏水中反复冲洗去除薄膜表面的土壤。然后，将薄膜冻干至恒重。使用以下方程式评估降解效率：

式中，Mo和Md分别是降解前后薄膜的重量。

C /PLA薄膜的拉伸强度实验

根据ISO 527-31995（E），使用通用拉伸试验机（WDW-10，中国济南伊诺世纪试验机有限公司）测定拉伸强度和断裂伸长率。测定速度为2 mm min-1，对每个C /PLA样品进行五次测量的平均值。

原文题目：Facile fabrication of homogeneous cellulose/polylactic acid composite film with improved biocompatible, biodegradable and mechanical properties