制备鞣酸功能化的甘蔗纤维增强壳聚糖基生物复合片材：一种用于鞋垫的可持续抗菌解决方案

《Bioresource Technology Reports》：Fabrication of tannic acid-functionalized sugarcane fiber reinforced chitosan based biocomposite sheet: A sustainable antibacterial solution for shoe insoles

提高鞋垫抗菌性能与机械强度的纤维素纤维增强复合板材制备及其性能研究。

　　在现代社会，随着人们对健康和生活质量的关注不断提升，抗菌材料的应用逐渐成为材料科学领域的重要研究方向。尤其是在鞋类制造中，鞋垫作为与人体脚部直接接触的部分，其抗菌性能直接影响到穿着者的舒适度和健康状况。因此，研发具有优异抗菌性能、机械强度以及生物相容性的鞋垫材料，成为解决脚部卫生问题的关键。本文的研究聚焦于利用天然材料构建一种抗菌鞋垫复合材料，旨在通过材料改性和结构优化，提升其抗菌效果与使用性能，为实际应用提供可行方案。

人类的脚部拥有丰富的汗腺，仅脚背就含有约14万个，这使得脚部在穿着鞋袜时容易出汗，从而为微生物的生长提供了良好的环境。这些微生物不仅会导致皮肤感染，还可能引发脚部溃疡、真菌感染等健康问题，严重时甚至可能导致截肢。为了应对这些问题，研究者们尝试了多种方法来改善鞋垫的抗菌性能，例如添加金属微粒或合成抗菌剂。然而，这些方法存在一定的局限性，如金属微粒可能对皮肤造成刺激，合成抗菌剂则可能带来环境负担。因此，寻找一种既安全又环保的抗菌材料成为研究的重点。

在众多天然抗菌材料中，壳聚糖因其优异的抗菌性能、生物相容性以及可生物降解的特性，被认为是极具潜力的替代品。壳聚糖是从甲壳类动物的壳中提取的天然多糖，具有良好的吸湿性和生物活性。然而，壳聚糖本身存在机械强度较低的问题，这限制了其在鞋垫等需要高强度支撑的材料中的应用。为了解决这一问题，研究者们开始探索通过添加其他天然材料或进行化学改性来提升壳聚糖基复合材料的性能。其中，纤维素纤维作为一种常见的天然增强材料，被广泛用于改善复合材料的机械性能。而纤维素纤维的来源之一，便是废弃的甘蔗渣，这种材料不仅成本低廉，而且环保可持续，为材料的绿色制造提供了可能。

本研究中，研究人员采用甘蔗渣提取的纤维素纤维作为增强材料，并通过鞣酸（TA）对其进行改性处理，以提升其抗菌性能和机械强度。鞣酸是一种天然的多酚类物质，具有较强的抗菌活性，同时能够与纤维素纤维通过氢键等非共价相互作用形成稳定的复合结构。这种相互作用不仅增强了纤维素纤维与壳聚糖基体之间的结合力，还促进了复合材料内部的交联，从而提升了其整体的机械性能。此外，鞣酸的加入还能改善复合材料的表面特性，使其更有效地抑制细菌的生长。

为了进一步提升复合材料的性能，研究人员还引入了聚乙烯醇（PVA）和明胶作为添加剂。PVA是一种具有良好柔韧性和可塑性的高分子材料，能够有效改善复合材料的物理性能，如抗拉强度、延展性和硬度。而明胶则因其良好的生物相容性和吸湿性，能够提升复合材料的柔韧性和透气性，使其更适合脚部的使用环境。通过合理的配比和加工工艺，研究人员成功制备了一种具有优良抗菌性能和机械强度的壳聚糖基复合材料（CBCS），并对其进行了系统的性能测试。

在性能测试方面，研究人员采用了多种分析手段，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV–vis）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）。这些分析方法不仅能够揭示复合材料的化学组成和结构特性，还能评估其在不同条件下的稳定性。通过FTIR分析，研究人员观察到了壳聚糖、纤维素纤维、明胶和PVA之间的分子间相互作用，这些相互作用对于提升复合材料的性能起到了重要作用。XRD分析则用于研究复合材料的结晶性，进一步验证了其结构的稳定性。SEM图像显示了复合材料的微观结构，表明纤维素纤维在壳聚糖基体中得到了良好的分散，从而提升了整体的机械性能。TGA分析则评估了复合材料的热稳定性，为后续的使用环境提供了重要依据。

除了化学和结构分析，研究人员还对复合材料的物理性能进行了测试。这些测试包括抗拉强度、延展性、硬度、密度、柔韧性、水蒸气透过率和吸水率等。测试结果显示，通过合理的配方设计，制备出的CBCS在抗拉强度、延展性和硬度方面均表现出优异的性能。其中，抗拉强度达到了29.58 MPa，延展性为86%，硬度为54（D），吸水率为4.53%。这些数据表明，CBCS不仅具备良好的机械性能，还能够有效控制脚部的湿度，为穿着者提供更加舒适的体验。

在抗菌性能方面，研究人员使用了大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为测试菌株，模拟了脚部可能遇到的常见致病菌。通过实验测定，CBCS对这两种细菌的抗菌率分别达到了71.7%和63%，显示出良好的抗菌效果。此外，研究人员还进行了细胞毒性测试，以评估材料的安全性。结果显示，CBCS对Vero细胞的存活率高达95%，表明其对人体细胞无毒害作用，具有良好的生物相容性。这一特性对于长期接触脚部的鞋垫材料来说至关重要。

除了抗菌性能和生物相容性，研究人员还关注了材料的生物降解性。通过模拟自然环境下的降解条件，CBCS在120天内实现了74%的重量损失，表明其在使用后能够自然降解，不会对环境造成污染。这一特性不仅符合绿色材料的发展趋势，也降低了材料的长期使用成本，使其在环保和经济性方面均具有优势。

本研究的成果表明，通过合理利用甘蔗渣纤维素纤维和鞣酸的改性作用，可以有效提升壳聚糖基复合材料的性能，使其成为一种具有广泛应用前景的抗菌鞋垫材料。这种材料不仅能够抑制脚部微生物的生长，减少感染风险，还能够改善脚部的舒适度，提升鞋类产品的整体性能。此外，由于其良好的生物相容性和可降解性，这种材料在环保方面也表现出色，符合现代社会对可持续材料的需求。

从实际应用的角度来看，这种抗菌鞋垫材料可以广泛应用于运动鞋、医疗鞋、儿童鞋等领域。在运动鞋中，由于长时间的穿着和高强度的使用，抗菌性能尤为重要，能够有效减少鞋内细菌的滋生，防止异味和感染。在医疗鞋中，这种材料可以为糖尿病患者等易感染人群提供额外的保护，降低足部溃疡等并发症的风险。而在儿童鞋中，抗菌性能有助于保持鞋内清洁，促进儿童的健康成长。

此外，这种材料的开发也为资源回收和再利用提供了新的思路。甘蔗渣作为一种农业废弃物，长期以来被忽视或直接丢弃，造成了环境污染和资源浪费。通过将其转化为具有高附加值的纤维素纤维，并用于抗菌鞋垫材料的制备，不仅能够有效利用农业废弃物，还能减少对环境的影响。这种做法符合循环经济的理念，有助于推动绿色制造和可持续发展。

综上所述，本研究通过引入纤维素纤维和鞣酸的改性作用，成功制备了一种具有优良抗菌性能、机械强度和生物相容性的壳聚糖基复合材料。这种材料在抗菌鞋垫的应用中展现出巨大的潜力，能够有效解决脚部微生物感染的问题，同时具备环保和经济的优势。未来，随着材料科学的不断发展，这种抗菌鞋垫材料有望在更多领域得到应用，为人类健康和环境保护做出贡献。