载银硅酸锌/聚乳酸复合材料的制备及其高效抗菌与长效性能研究

本文首次将硅酸锌玻璃粉（ZS）与聚乳酸（PLA）复合，开发了一种兼具生态友好性与抗菌性能的新型复合材料体系。通过负载银纳米粒子（AgNPs）及表面改性（APTES），显著提升了材料对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效率（达99.99%），并优化了力学性能与光学透明度，为PLA基抗菌材料的应用提供了创新策略。

　　

材料表征与抗菌活性分析

锌硅酸盐玻璃粉（ZS）此前已被本课题组研究证实可在聚丙烯（PP）复合材料中赋予抗菌性能[30]。本研究首次将ZS引入聚乳酸（PLA）复合材料体系。为增强ZS的抗菌效能，将银纳米粒子（AgNPs）固载于未经修饰的ZS以及经3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）修饰的ZS上，分别得到Ag@ZS与Ag@aZS（图1）。

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对填料的化学键结构进行了分析。从图2a可见，所有样品中均可见到归属于Zn–O和Si–O–Si骨架振动的特征吸收峰。在经APTES修饰的ZS（即aZS）和Ag@aZS中，观察到位于2930 cm^?1和2870 cm^?1处的C–H伸缩振动峰，以及约1550 cm^?1处N–H的弯曲振动峰，证实了有机硅烷的成功接枝。

我们进一步采用X射线光电子能谱（XPS）分析了填料表面的元素组成与化学状态。如图2b所示，Ag@ZS与Ag@aZS中均在368 eV和374 eV处出现Ag 3d_5/2和Ag 3d_3/2的特征峰，证明AgNPs以金属银（Ag⁰）的形式存在。值得注意的是，Ag@aZS显示出更高的Ag元素原子百分比（at%），表明经APTES修饰后显著提高了银的负载量。

透射电子显微镜（TEM）图像直观展示了AgNPs在ZS载体上的分布情况（图2c–2f）。在Ag@ZS中，AgNPs呈相对团聚状态，粒径分布较宽；而在Ag@aZS中，AgNPs分布更为均匀，粒径更小，说明氨基官能团为AgNPs的成核与生长提供了更多活性位点，有效改善其分散性。

我们还通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）测定了Zn²⁺和Ag⁺离子的释放行为（图3）。所有含ZS的样品在去离子水中均表现出Zn²⁺的持续释放。Ag@ZS与Ag@aZS还显示出Ag⁺的释放，且Ag@aZS的Ag⁺释放速率更快、累积释放量更高，这与其更高的Ag负载量和更优的分散状态相一致。

抗菌性能评估

我们依据JIS Z 2801标准，评估了PLA复合材料对大肠杆菌（E. coli，革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（S. aureus，革兰氏阳性菌）的抗菌活性。如表1所示，纯PLA未显示出任何抗菌效果。含有0.7 wt% ZS的PLA复合材料（PZS_0.7）对E. coli表现出99.99%的高抗菌率，但对S. aureus的抗菌率为83.52%，表明其对不同菌种的抗菌效果存在差异。

当填料换为Ag@ZS或Ag@aZS，且添加量仅为0.1 wt%时，复合材料对两种细菌的抗菌率均达到99.99%，证明AgNPs的引入极大增强了材料的广谱抗菌性能。特别是含有Ag@aZS的复合材料（PAg@aZS_0.1）还表现出优异的长期抗菌效能，在长达14天的测试期内仍保持99%以上的抗菌率，这归因于其更稳定、更持续的离子释放行为。

结论

本研究首次通过引入ZS体系制备了抗菌PLA复合材料。PZS_0.7通过锌离子释放和增强表面亲水性，对E. coli表现出高抗菌性能（99.99%），对S. aureus具有中等抗菌效果。为强化ZS的抗菌活性，将AgNPs固载于裸ZS和APTES修饰的ZS上，分别得到Ag@ZS和Ag@aZS。综合分析证实，Ag@aZS因其表面氨基官能团而能负载更多AgNPs，且分布更为均匀。因此，与含有ZS和Ag@ZS的复合材料相比，含有Ag@aZS的PLA复合材料在极低的填料含量（0.1 wt%）下即表现出卓越的抗菌活性（>99.99%）、改善的力学性能、更高的光学透明度以及显著提升的长期抗菌效能。本研究为设计和开发高性能、长效抗菌的PLA复合材料提供了有价值的见解和有效的材料策略。