通过力纺技术制备载有抗菌银纳米粒子的PVA/壳聚糖微纤维，用于废水消毒

《RSC Advances》：Fabrication of antibacterial silver nanoparticle-loaded PVA/chitosan microfibers via forcespinning for wastewater disinfection

　　水污染已成为东南亚许多国家严重的环境问题，影响了民用和工业废水。为了净化废水，人们采用了各种研究方法，例如使用吸附膜去除重金属离子和染料，以及使用抗菌剂进行消毒。本研究旨在利用力纺法制备含有银纳米颗粒（Ag-NPs）的抗菌聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）微纤维。我们的系统研究表明，实验因素如PVA/CS浓度、微纤维注射针头大小和纺丝速度直接影响所制备微纤维的形态。在50%醋酸溶液中，当PVA浓度为13 wt%、内针头直径为0.81 mm且旋转速度为15,000 rpm时，制备出的PVA/CS纤维具有均匀的直径和分散良好的银纳米颗粒。根据越南标准TCVN 6187-2:1996（ISO 9308-2:1990）评估了其抗菌性能，目标是对抗受污染水中的大肠杆菌和大肠菌群。我们发现，负载了Ag-NPs的PVA/CS微纤维达到了90%的抗菌效率。这强烈表明，负载了Ag-NPs的PVA/CS微纤维有可能被用作水消毒剂。这项工作的结果表明，含有AgNPs的PVA/CS微纤维膜可以成为一种新型的废水过滤材料，广泛用于改善公共健康的水质。

近年来，银纳米颗粒（Ag-NPs）在生物医学、电子学、化学催化和水净化工程等领域引起了研究人员的极大关注。Ag-NPs具有显著的特性，包括物理化学稳定性、强抗菌活性、小尺寸和大有效表面积，这些特性使其能与微生物发生强烈的相互作用。这种强烈的相互作用主要是由Ag+离子的释放引起的，Ag+离子会破坏细菌的重要细胞过程。此外，Ag-NPs还可能引起膜损伤和氧化应激，进一步增强其抗菌效果。因此，Ag-NPs可以用作消毒剂，消除或抑制有害微生物的生长，从而提高水处理过程产生的水质。Ag-NPs可以嵌入过滤器或膜中，形成物理屏障，捕获或去除废水中的细菌和其他污染物，并通过释放Ag+离子提供长期的抗菌性能。

水污染因发展中国家工业活动的迅速扩张和城市化进程而加剧，水资源管理不善对我们的生活环境产生了负面影响。水中的污染物可能包括极其危险的化学物质（如重金属离子Pb2+、Cu2+和Cr6+）、无机染料（甲基/橙蓝染料），或者危险细菌（如大肠杆菌E. coli）和大肠菌群。这些污染物会积极损害我们的消化系统、循环系统和排泄系统，并可能导致严重的生态后果。因此，找到一种有效且可持续的方法来处理受污染的水变得必要且紧迫。可以使用多种方法来净化受污染的水，例如使用吸附膜去除重金属离子或无机染料，以及使用抗菌剂进行消毒。一种有前景的方法是将可生物降解的聚合物与Ag-NPs结合，以消除细菌污染。其中，Ag-NPs可以通过电纺、力纺（离心纺丝）和熔融吹制等技术嵌入或负载到微/纳米纤维上。

电纺是一种简单且低成本的技术，但在生产材料方面仍有一些限制。这种方法要求聚合物溶液与所施加的电场兼容，并且溶剂需要具有高挥发性和良好的聚合物溶解性。此外，电纺的生产率相对较低，这限制了其在大规模应用中的可扩展性。相比之下，熔融吹制可以高产量地生产微纤维。然而，这种方法需要高的聚合物熔化温度，并且需要使用高速热空气来生产微/纳米纤维。力纺方法作为一种有前景的替代方法，最近出现，它可以克服上述方法的局限性。这种方法无需使用热量或高电压/电场，就可以从聚合物溶液中生产大量微纤维。在这里，聚合物液流被喷射出来并通过离心力拉长成纤维，从而可以使用导电和非导电的聚合物溶液。此外，这种方法也适用于可生物降解的聚合物，如聚乳酸（PLA）和壳聚糖（CS）。这些聚合物可以在水/醋酸中溶解，符合环保环境和可持续加工路线的关键标准。

许多研究工作表明，力纺方法有可能用于制备嵌入Ag-NPs的聚合物纤维，以用于水净化。如前所述，力纺协议提供了更高的生产率和更广泛的材料范围，并且不需要使用电场，从而是一种更具可扩展性和环保性的方法。然而，关于关键加工参数对纤维形态及其与负载Ag-NPs的PVA/CS系统抗菌性能相关性的系统研究仍然有限。基于上述有前景的特性，我们旨在利用力纺方法制备含有Ag-NPs的PVA/CS微纤维，重点优化所制备PVA/CS微纤维的形态和抗菌性能，从而可能实现可持续的水净化应用。在这里，使用力纺方法制备了嵌入Ag-NPs的PVA/CS微纤维。系统研究了典型工艺参数（如PVA/CS浓度、针头直径和纺丝速度）对微纤维形态的影响。此外，根据越南标准TCVN 6187-2:1996（ISO 9308-2:1990）评估了生长纤维的抗菌性能，通过确定受污染水样中大肠杆菌和大肠菌群的存在和浓度。强调了嵌入PVA/CS微纤维中的Ag-NPs与这些纤维的形态之间的关系，以及它们对负载Ag-NPs的PVA/CS纤维的抗菌活性。在本研究中，Ag-NPs的嵌入主要是通过抗菌性能和形态观察推断出来的。定量分析和元素映射的详细信息超出了当前工作的范围，将在未来的研究中进行探讨。我们为优化基于可生物降解聚合物的抗菌纤维奠定了基础，作为可持续和环保的水净化应用的有希望的平台。

材料

PVA的平均分子量（Mw）为85,000–124,000 g mol?1，水解能力为87–89%，粘度为23–27 cP，由新加坡的Sigma-Aldrich公司提供。壳聚糖（CS）的粘度大于1000 cP，脱乙酰化程度大于75%，由越南的Vinafood公司提供。纯度大于98%的醋酸和乙醇由中国Xilong公司购买。浓度为1000 ppm的Ag-NPs由越南的AHT Corp.公司购买。所有化学品均为分析级，未经纯化直接使用。

作为力纺方法的第一步，在50 wt%的醋酸（AA）中，在室温下机械搅拌PVA和CS的混合物，CS/PVA比例为5 wt%，持续2.5小时以获得均匀的溶液。然后加入乙醇以提高溶解度，并继续搅拌30分钟。准最终PVA/CS溶液在25 °C下稳定3小时以完全去除气泡。最终PVA/CS溶液被装入实验室自制的力纺系统中，用于生产纺丝纤维，如图1所示。该制造系统包括一个基于针头的喷丝头，由不同规格（18G、20G和22G）的不锈钢针头制成，对应的内部直径（ID）分别为1.27、0.81和0.64 mm。转子速度通过E300逆变器通过频率调制工具控制。逆变器提供0–400 Hz的可调频率范围，对应于0–2.4 × 104 rpm的转子速度范围。泵流量计确保PVA/CS溶液以每分钟12 mL的精确流量进入喷丝头。所有实验中，从针头到收集器的距离固定为10 cm，包括支撑杆和收集网。在离心纺丝过程中，溶液从针头移动到收集器，溶剂在收集器上蒸发成固体纤维。力纺过程在室温下进行，然后所得PVA/CS纤维在室温下干燥24小时以完全去除溶剂。

标准工艺示意图，用于使用实验室自制的力纺系统制备PVA/CS微纤维和Ag-PVA/CS。Ag-NP负载的PVA/CS（Ag-PVA/CS）溶液的制备方法与原始PVA/CS溶液相同。其中，PVA、CS和AA混合以生产不同PVA浓度的聚合物力纺溶液（总聚合物溶液中PVA浓度为10–15 wt%），同时保持恒定的CS/PVA比例5 wt%。每种配方使用了100 g的聚合物混合物（包含PVA + CS + AA +乙醇），并且每种配方中加入了10 g浓度为100 ppm的Ag-NPs水分散液，以赋予抗菌功能。每种配方的组成详细列在表1中。随后使用我们实验室自制的力纺系统制备微纤维，如图1所示。

样品代码
PVA (g)
CS (g)
AA (g)
乙醇 (g)
Ag-NPs (100 ppm) (g)

PVA10CS
10
0.50
84.50
5
0

Ag-PVA10CS
10
0.50
84.50
5
10

Ag-PVA11CS
11
0.55
83.45
5
10

Ag-PVA12CS
12
0.60
82.40
5
10

Ag-PVA13CS
13
0.65
81.35
5
10

Ag-PVA15CS
15
0.75
79.25
5
10

a
样品代码表示总聚合物溶液中PVA的重量百分比，而所有Ag-PVA/CS样品的Ag-NP浓度固定为100 ppm。

表征

使用日立FEG-SEM S-4800（日本）的场发射枪扫描电子显微镜（FEG-SEM）检查了PVA/CS和Ag-PVA/CS微纤维样品的形态特征。FEG-SEM S-4800的电子束在10 keV的电压下提取和加速。从记录的SEM图像中，使用ImageJ软件估计了纺丝纤维的平均直径。还使用Minitab统计软件分析了纺丝纤维的平均直径，以统计确定微纤维的平均值/误差分布。使用OriginPro绘制了数据的相关性，例如频率和直径。使用Brookfield DV-II+ Pro Viscometer（美国）测量了含有和不含有Ag-NPs的PVA/CS溶液的粘度。这些测量在25 °C的受控温度下进行。每个40 mL的溶液样品都装在标准圆柱形烧杯中，所有样品在测试前达到平衡。粘度计以60 rpm的旋转速度运行进行所有测量。

废水样本是从越南胡志明市的Tan Hoa-Lo Gom运河收集的。收集的废水样本存储在塑料容器中，如图2所示。在微生物分析之前，仔细进行了采样、保存和处理程序。使用5%的AA溶液将废水样本的pH值调整到6.0。

废水样本是从越南胡志明市的Lo-Gom运河收集的，并存储在塑料容器中。根据TCVN 6187-2:1996（相当于ISO 9308-2:1990）中规定的最可能数（MPN）方法确定了总大肠菌群和大肠杆菌的浓度。这些分析由越南环境监测和分析中心（VIMCERTS 197，越南）进行。简而言之，未稀释和稀释的样品分别接种在Durham管中的乳糖培养基中，并在35–37 °C下孵育24–48小时。样品中的细菌代谢乳糖并产生酸和气体。这些酸和气体的形成表明细菌生长良好。然后将这些阳性管与标准MPN表格进行比较，以统计估计细菌的密度，即所谓的MPN/100 mL。通过将100 mg的纺丝纤维浸入每个样本的100 mL废水中60分钟，评估了Ag-PVA/CS纤维对大肠杆菌和大肠菌群的抗菌活性。在这项研究中，根据标准方法，在固定的接触时间60分钟内评估了抗菌性能。未研究时间依赖性的抗菌动力学和统计分析，这些将在未来的工作中进行探讨。使用TCVN 6187-2:1996标准方法测定了处理前后的细菌浓度，并使用以下方程27估算了抗菌效率R（%）：

(1)

其中N0和Nt分别表示处理前后的细菌浓度（MPN/100 mL）。结果与讨论

PVA浓度对纺丝纤维结构和PVA/CS溶液粘度的影响

聚合物浓度显著影响珠状物的形成、纤维的排列以及所制备纤维的直径。在低浓度下通常会形成珠状物，而在较高浓度下珠状物和纤维的几何结构可能会混合。当聚合物链在临界浓度下充分缠结时，会形成连续的纤维。最佳的PVA浓度可以抑制纤维上珠状物的形成，从而生成没有附着珠状物的纤维。因此，在高于最佳浓度的条件下可以形成有珠状物的纤维。通过增加聚合物溶液中的PVA浓度和/或分子量，可以增强聚合物链的缠结程度，从而增大纤维直径。然而，我们力纺系统的某些典型工艺参数是固定的，即流速为12 mL min?1，喷头与收集器之间的距离为10 cm，旋转速度为15?000 rpm。如前所述，用于生产聚合物微纤维的PVA/CS前体溶液的组成（含或不含Ag-NPs）列在表1中。这些样品的粘度和形态分别在图3和图4中进行了表征，并在表2中详细说明。获得的数据表明，PVA/CS溶液的粘度从16.99 cP（10 wt%）稳步增加到19.68 cP（15 wt%）。每个样品的粘度测量仅进行了一次，因此没有报告标准偏差。这些粘度值用于评估溶液性质对力纺过程中纤维形成的影响。随着PVA浓度的增加，粘度一致性地增加，这与纤维形态从含珠状物结构转变为光滑纤维，再转变为不规则结构的趋势相符。粘度的增加导致聚合物链在醋酸介质中的缠结程度增强，以及PVA和壳聚糖分子之间的氢键相互作用增强。这种流变变化直接影响力纺过程中的纤维形态。然而，在粘度较低（约17 cP（10 wt%）时，分子的结合作用较弱，会导致不稳定的喷射形成，从而产生珠状物和盘状结构，如图4(a)所示。将粘度值增加到约19 cP（12–13 wt%）时，会形成稳定的聚合物喷射，产生均匀且连续的纤维，珠状物缺陷最小，如图4(b–d)所示。对于纤维直径的测量，每个条件都针对多根纤维进行了评估，图3中显示的误差条反映了这些测量的标准偏差。这种行为表明，聚合物浓度的影响超过了粘度的微小变化，观察到的趋势足以解释纤维形态的变化。

图3显示了在我们实验室构建的力纺系统中使用的PVA/CS溶液的粘度（cP）和微纤维的平均直径（μm）与PVA/CS浓度（wt%）之间的关系。图4显示了使用不同PVA浓度（10 wt%；11 wt%；12 wt%；13 wt%；15 wt%）制造的PVA/CS力纺纤维表面的FEG-SEM图像。制造条件为旋转速度15?000 rpm；针头内径为1.27 mm；收集距离为10 cm。表2列出了不同浓度的PVA/CS溶液的粘度值以及通过SEM表征的力纺纤维的形态特征。

随着PVA浓度的进一步增加（超过19.5 cP（15 wt%），喷射的延展性降低。这导致在力纺过程中喷嘴间歇性堵塞，从而产生不均匀的纤维，并且在纤维形成过程中也观察到珠状物的出现，如图4(e)所示。如表2所列，PVA/CS溶液的粘度随着PVA浓度的增加而增加。较高的粘度水平（即18–19 cP）有助于在力纺过程中形成稳定的聚合物喷射。这使得制备的纤维表面更加光滑，如图4中的SEM图像所示。然而，结果也表明，当粘度过高或过低时，可能会形成不稳定的聚合物喷射，导致纤维形态不均匀。图3描述的趋势表明，平均纤维直径和粘度随着PVA/CS浓度的增加而近似线性增加。这表明PVA/CS溶液的流变性质强烈控制着力纺过程中制备纤维的形态。此外，粘度的增加导致纤维链之间的连接更加牢固，从而产生更厚、更均匀的纤维。最佳的13 wt%浓度提供了平衡的粘弹性，使得在力纺过程中能够连续形成纤维，而不会出现颗粒状/珠状缺陷。如上所述，SEM图像显示，在PVA浓度为10 wt%时，样品表面存在许多珠状物/盘状物，如图4(a)所示。当PVA/CS浓度增加到11–12 wt%时，珠状物/盘状物的数量显著减少，如图4(b)和(c)清楚可见。特别是在PVA/CS浓度为13 wt%时，获得了连续且均匀的微纤维（图4(d)）。这表明13 wt%是PVA/CS浓度的临界值，该浓度在力纺过程中能够保证聚合物链的充分缠结。当聚合物浓度增加到15 wt%时，力纺微纤维表面再次出现珠状物/盘状物滴。这可以通过考虑在该浓度下聚合物溶液的表面张力过高来理解，导致表面积与质量的比值减小。这增加了聚合物喷射流向收集器的阻力。此外，表面积与体积的比例不足抑制了溶剂的蒸发，从而导致形成滴状物而不是连续的微纤维。基于这些观察结果，我们发现PVA/CS浓度为13 wt%对我们的实验室构建的力纺系统是最优的；低于或高于最佳条件的浓度会导致针头堵塞，使得难以形成光滑的微纤维。其他研究小组已经报道了在不同浓度下珠状物或盘状物形成的动力学，特别是与几何针头的自清洁行为以防止堵塞的关系；然而，这超出了当前研究的范围。

从低浓度聚合物溶液制造的力纺纤维较短，且倾向于相互粘附，形成重叠和缠结的结构。随着PVA浓度的增加，纤维变得更加分离和拉长。因此，如果增加喷头的旋转速度，应同时增加浓度，以使纺出的纤维均匀分布在表面上，形成均匀的微纤维。作为关键的实验因素，喷头的旋转速度直接决定了离心力的大小，并影响力纺纤维的形成能力、配置和直径。因此，研究了喷头旋转速度对我们实验室构建的力纺系统制造的纤维的形态和直径的影响。在此研究中，离心速度分别变化为9000 rpm、12?000 rpm和15?000 rpm，并记录了制造样品的FEG-SEM图像，如图5(a–c)所示。如图5(a)和(b)清楚可见，在9000 rpm或12?000 rpm的较低旋转速度下观察到有珠状物的纤维，而在15?000 rpm的较高旋转速度下获得了表面均匀的连续纤维。根据低倍率下记录的SEM图像，从每根纤维的100个颗粒统计计算了力纺微纤维的直径分布，如图5(d–f)所示。计算得出这些每根纤维的100个颗粒的平均直径分别为（2.00 ± 0.66）μm、（1.81 ± 0.55）μm和（1.72 ± 0.54）μm。这些值清楚地表明，随着喷头旋转速度的增加，纤维直径逐渐减小。图5显示了（a–c）典型的FEG-SEM图像和（d–f）力纺微纤维的统计尺寸分布图，这些微纤维是在PVA/CS浓度为13 wt%的情况下制造的，使用的内径为1.27 mm的针头和10 cm的收集距离。上述结果可以解释为力纺过程中的液固转变可以分为两个同时发生的过程：（i）溶剂从纤维中心扩散到表面；（ii）溶剂在纤维表面蒸发。因此，当喷头的旋转速度降低时，其离心力显著减小，导致对纤维的拉伸力减小，从而使纤维未拉伸且直径较大。结果，纤维的直径增加，溶剂从中心扩散到表面的时间增加，溶剂无法有效蒸发。除了聚合物溶液的拉伸效应外，离心力还影响分子链，防止分子链聚集和重新排列以降低表面张力。因此，随着喷头旋转速度的增加，离心力足够高，可以防止分子链的聚集，从而重新排列分子链并降低表面张力。随后，纺出的微纤维将变得笔直，且“珠状纤维”的形成受到限制。因此，在15?000 rpm的旋转速度下，形成了直径较小且形态均匀的光滑纤维。离心力足够强，可以拉伸/定向聚合物流动，形成光滑的纤维。此外，聚合物分子链受到离心力的显著影响，在力纺过程中抑制了它们的移动或重新排列。根据纺出微纤维的形态和直径特征，发现喷头的最佳旋转速度为15?000 rpm；这一条件被用于后续的研究。影响我们制造系统中聚合物溶液力纺过程的另一个物理因素是针头的直径。在这里，直径强烈影响了针头内流动的初始溶液流，从而导致微纤维直径的变化。使用了三种不同的针头直径，0.64 mm、0.81 mm和1.27 mm，并记录了生成的纤维表面的SEM图像。图6(a–c)显示了纺出纤维样本的三个典型FEG-SEM图像，图6(d–f)还分析了这些纺出微纤维的统计直径分布。结果表明，当针头直径从0.64 mm增加到1.27 mm时，纺出微纤维的平均直径略微增加（从（1.70 ± 0.52）μm增加到（1.87 ± 0.63）μm。因此，当使用较大的针头时，在相同的离心力下，从针头尖端流出的聚合物溶液的初始体积更大。根据纺制纤维的形态和直径，当使用直径为0.81毫米的针头时，制造出了形状和几何结构均匀的纤维；因此，这种针头被用于后续实验。图6

(a–c) 是PVA/CS力纺表面的FEG-SEM图像，(d–f) 是三种典型样品的纤维直径分布直方图，这些样品的制备条件为PVA/CS浓度为13 wt%，旋转速度为15,000 rpm，收集距离为10 cm，以及不同内径的针头：(a和d)为0.64毫米；(b和e)为0.81毫米；(c和f)为1.27毫米。实际上，分子链之间的相互作用在离心力作用下的聚合物流动过程中产生了显著的影响。结果，纺制出的纤维直径较大。对于高粘度的PVA/CS溶液，粘度的变化比低粘度溶液更为显著。因此，选择适当的离心力/速度是一个关键任务，因为离心力在力纺过程中会拉伸聚合物溶液。在此研究中，我们使用了15,000 rpm的离心速度。

按照“加工参数对力纺纤维形态的影响”中描述的相同制造和数据分析协议，图7(a–e)展示了在不同PVA浓度下制备的Ag-PVA/CS纺制纤维的SEM图像，PVA浓度从10 wt%增加到15 wt%。平均纤维直径被计算出来，并在图7(f)中绘制出来。结果显示，随着溶液浓度的增加，平均纤维直径逐渐从(1.62 ± 0.48) μm增加到(1.97 ± 0.69) μm。在这些实验数据点中，当PVA/CS浓度为10 wt%时，平均纤维直径为(1.62 ± 0.48) μm；当PVA/CS浓度增加到11 wt%、12 wt%和13 wt%时，其直径分别增加到(1.70 ± 0.50) μm、(1.75 ± 0.57) μm和(1.79 ± 0.58) μm。在15 wt%的PVA/CS浓度下，平均纤维直径达到了(1.97 ± 0.69) μm。这样的结果表明，较高的PVA/CS浓度导致了更厚的纺制纤维。这一结果与旋转速度增加时纺制溶液粘度增强的事实是一致的。图7

力纺Ag-PVA/CS纤维样品表面的SEM图像。样品是在旋转速度为15,000 rpm，针头直径为1.27 mm，收集距离为10 cm，流速为12 mL min?1的条件下制备的，PVA/CS浓度分别为(a) 10 wt%，(b) 11 wt%，(c) 12 wt%，(d) 13 wt%和(e) 15%。(f) 计算了100根纤维的平均直径，并将其作为PVA/CS浓度的函数绘制出来。如图7(f)所示，随着PVA/CS浓度的增加，平均纤维直径逐渐扩大，这可以归因于粘度的增加和/或纺制溶液中分子间相互作用的增强。实际上，随着PVA浓度的增加，聚合物链的缠结密度增加，从而在力纺过程中增加了对拉伸的抵抗力。因此，溶液喷射物受到的拉伸较少，形成了更厚的纤维。此外，在较高浓度的聚合物溶液中，聚合物链内的相互作用更强，这限制了在离心力作用下的聚合物喷射物的拉伸。这表明聚合物喷射物的拉伸受到限制，从而形成了直径较大的纤维。随着聚合物粘度的增加，溶液对变形的抵抗力也增强，这减弱了离心力对喷射物的拉伸效果。纺制出的Ag-PVA/CS微纤维的抗菌性能

为了测试不同PVA重量百分比（wt%）的Ag-PVA/CS纺制纤维对大肠杆菌和肠球菌的抗菌性能，将100毫克样品浸入100毫升收集的废水中60分钟。然后计算处理前后的细菌浓度（MPN/100 mL），结果如表3所示。当PVA含量从15 wt%降低到10 wt%时，Ag-PVA/CS纺制纤维对大肠杆菌和肠球菌的抗菌性能略有提高。特别是在10 wt%的PVA浓度下，抗菌性能更为优异，分别达到了93.1%和95.4%。表3

不同PVA wt%的Ag-PVA/CS纺制纤维对从废水中收集的样品中的大肠杆菌和肠球菌的抗菌性能

样品
肠球菌（MPN/100 mL）
大肠杆菌（MPN/100 mL）
肠球菌减少率（%）
大肠杆菌减少率（%）

初始废水
93.0 × 10^6
24.0 × 10^5
—
—
PVA/CS
—
—
—
—
—
Ag-PVA15CS
11.0 × 10^6
2.6 × 10^5
88.2
89.2

Ag-PVA13CS
9.3 × 10^6
2.3 × 10^5
90.0
90.4

Ag-PVA12CS
7.5 × 10^6
1.9 × 10^5
91.9
92.1

Ag-PVA10CS
6.4 × 10^6
1.1 × 10^5
93.1
95.4

图8绘制了不同Ag-NP浓度的纺制纤维样品对收集的废水中大肠杆菌和肠球菌的抗菌性能。所有样品都对大肠杆菌和肠球菌表现出强烈的活性，细菌减少率在88.2–95.4%的范围内。根据从四个废水样本获得的数据，我们可以得出结论，抗菌效率随着纤维直径的减小而提高，这增强了有效表面积，并促进了纤维与细菌之间的更大相互作用。虽然初始的AgNP含量保持不变，但纤维形态的变化似乎在决定抗菌性能中起着更主导的作用。由于使用10 wt% PVA浓度制备的Ag-PVA/CS纺制纤维的直径较小，如图7(f)所示，其有效面积较大，与使用15 wt% PVA制备的样品相比。由于有效表面积的增加，Ag-PVA/CS纺制纤维与细菌的接触更多，从而提高了抗菌效率。图8

不同PVA wt%的Ag-PVA/CS纺制纤维的抗菌性能或细菌减少率（%）与收集的废水中大肠杆菌和肠球菌的相关性。表4比较了载银纤维和基于壳聚糖的纤维系统，包括纤维直径、银负载量、抗菌性能和接触时间。结果表明，Ag-PVA/CS纤维在使用可扩展的力纺生产技术时表现出竞争性的抗菌性能。表4

在纤维直径、抗菌性能和样品接触时间方面，对载银纤维系统的定性比较

材料系统
制造方法
纤维直径
纤维中的银负载量
抗菌性能
样品接触时间
参考文献 聚偏二氟乙烯（PVDF）/聚吡咯烷酮（PVP）/AgNPs
电纺
约500 nm
未报告
对金黄色葡萄球菌的抑制区（未报告抗菌减少率）
未报告
10

PLA/壳聚糖基银纳米粒子（AgCH-NPs）
力纺
5–20 μm
未报告
对金黄色葡萄球菌的抑制效率90%
24小时
11

PEO/AgNPs
离心纺
约232 nm
未量化（通过EDS和TGA确认）
对大肠杆菌（99%）和蜡样芽孢杆菌（88%）的抑制效率
24–168小时
12

PVA/羧甲基壳聚糖纤维
离心纺
1.5–3.3 μm
未报告
对金黄色葡萄球菌（72%）和大肠杆菌（21%）的抑制效率
7小时
29

PVA/CS/AgNPs
力纺
1.6–2 μm
未量化
对大肠杆菌（95%）和肠球菌（93%）的抗菌减少率
60分钟

本工作中

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由于缺乏ICP-OES或TGA，本工作中未量化银负载量。可以观察到，大多数文献使用抑制区或代谢测定法来评估抗菌效率，这些方法提供的是间接测量。相比之下，本研究的PVA/CS/AgNP纤维是使用最可能数（MPN）方法进行评估的，从而能够直接和定量地估计细菌减少率。本研究中开发的PVA/CS/AgNP纤维在60分钟内对大肠杆菌和肠球菌的抗菌减少率为88.2–95.4%，与之前报道的具有相似纤维直径的系统相当或更好。壳聚糖的加入不仅赋予了内在的抗菌性能，还与AgNPs产生了协同效应，提高了整体效果。此外，使用可扩展的力纺技术相比传统的电纺技术具有实际的生产优势。壳聚糖的抗菌机制主要来自于壳聚糖中的多阳离子与细菌负电荷表面的相互作用。在此过程中，壳聚糖中的质子化胺基团与革兰氏阴性细胞表面的阴离子如脂多糖和蛋白质发生相互作用。这种相互作用可能导致壳聚糖与细胞膜之间形成键，从而破坏膜通透性或导致细胞内物质泄漏，最终导致细菌细胞死亡。这表明，尽管低于载银纳米粒子系统，原始的PVA/CS纤维也可能表现出一定程度的抗菌活性。载银纳米粒子的抗菌活性通常归因于Ag+离子释放到水环境中，这些离子与细菌细胞相互作用并破坏其代谢过程。在像PVA/CS这样的聚合物系统中，基质可能调节Ag+离子的扩散，从而有助于持续的抗菌效果。这种过程也可以通过另一种机制来理解，即细菌细胞膜上的负电荷磷脂双层起着关键作用。如果暴露在含有正电荷Ag-NPs的周围环境中，细胞膜的通透性会改变，导致其表面电荷发生变化，例如电荷反转或膜失活。结果，细胞膜中的蛋白质层变性，或者磷脂双层直接暴露。这通常被认为是导致细胞膜不稳定的主要因素之一，膜破裂，导致细胞内物质泄漏，最终导致细菌死亡。这种抗菌机制主要归因于正电荷Ag+与负电荷细菌膜之间的静电吸引，随后与细胞内的硫醇含酶相互作用，破坏膜完整性，干扰细胞呼吸和必需的代谢途径。在这个过程中，Ag+离子吸附在细菌表面并渗透到细菌细胞内，最终中和或完全杀死细菌。对于我们的Ag-PVA/CS纺制纤维样品，Ag+离子通过攻击细胞膜上的硫醇（–SH）基团和呼吸酶来杀死细菌，阻止氧气从外部进入细胞，最终杀死细菌。由于Ag+对含硫基团的强亲和力，形成了稳定的Ag–S键，导致酶失活和呼吸链的抑制。这种过程减少了ATP的产生，并阻止了基因复制。然而，本研究中没有研究Ag+离子随时间的释放情况，这应该在未来的工作中进行研究，以更好地理解长期的抗菌行为和环境影响。应当注意的是，所提出的抗菌机制基于文献报告，本研究中没有直接进行ROS或膜成像测量。此外，也没有研究多次循环后纤维的结构完整性和抗菌有效性。未来的研究将集中在评估纤维的稳定性和可重复使用性上，以更好地理解它们的实际和经济可行性。结论

我们成功地使用我们实验室构建的强制纺丝系统制备了抗菌Ag-PVA/CS微纤维。系统地研究了材料制造过程中使用的三个物理参数：PVA/CS浓度、溶液喷射器直径和旋转速度，这些参数直接决定了制备的微纤维的结构形态。我们发现，PVA/CS浓度为13 wt%，溶液喷射器直径为1.27 mm，旋转速度为1.5 × 10^4 rpm时，是最优的。使用这些优化值，制备的微纤维的结构特性适用于许多潜在的应用。特别是，在最佳条件下制备的含有Ag-NPs的PVA/CS微纤维的平均纤维直径约为1.74 μm。此外，我们的微纤维样品都表现出良好的抗菌活性，对在越南收集的受污染水样中的大肠杆菌和肠球菌的抗菌效率达到了88.2–95.4%。本工作中讨论的这些初步数据为进一步研究开发具有高抗菌效率的新型消毒材料提供了有希望的基础，有可能消除受污染水中的有害细菌。我们的Ag-PVA/CS微纤维可以作为一种潜在的过滤材料，用于过滤和净化越南的受污染水，从而改善我们社区的公共卫生。然而，为了全面评估其实际应用性，还需要进一步研究Ag+的释放行为、时间依赖性的抗菌测试以及流动实验。此外，本研究中没有与溶液中的游离AgNPs进行比较研究，未来应考虑进行此类研究以进一步阐明潜在的协同效应。

作者贡献：
- 构思：D. P. Huynh
- 监督：D. P. Huynh
- 方法学：D. P. Huynh, H. L. Nguyen
- 调查：H. L. Nguyen
- 数据整理：V. V. L. Nguyen
- 形式分析：V. V. L. Nguyen
- 可视化：V. V. L. Nguyen, D. Q. Hoang
- 原稿撰写：V. V. L. Nguyen
- 编写、审阅和编辑：D. Q. Hoang, V. V. L. Nguyen

利益冲突：
作者声明没有利益冲突。

数据可用性：
支持本研究的所有数据均包含在本文中。如有合理需求，可向通讯作者索取额外数据。

致谢：
作者感谢越南胡志明市技术大学（HCMUT）、VNU-HCM以及胡志明市技术工程大学（HCM-UTE）为这项研究提供的时间和设施。这项工作特别献给副教授D. P. Huynh，他的远见卓识和指导为这项研究奠定了基础。在不同的情况下，他本应成为该研究的通讯作者；尽管如此，第一作者（V. V. L. Nguyen）仍衷心感谢他的宝贵指导和科学建议。

资金支持：
本研究未获得任何资金支持。