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

　　阮武维灵（Vu Viet Linh Nguyen）| 阮宏龙（H. Long Nguyen）| 黄德光（Duc-Quang Hoang）| 霍氏普辉（Dai Phu Huynh）
胡志明市技术与工程学院应用科学学院
越南胡志明市 Thu Duc 区 Vo Van Ngan 路 1 号，邮编 700 000
邮箱：[e-mail]

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，人们采用了多种研究方法，例如使用用于去除重金属离子和染料的吸水性膜，以及使用抗菌剂进行消毒。本研究旨在利用 force-spinning 方法制备含有银纳米颗粒（Ag-NPs）的抗菌聚乙醇/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、微纤维注射针头尺寸和纺丝速度直接决定了所制备微纤维的形态。在 PVA 浓度为 13 wt%（50% 醋酸溶液）、针头内径为 0.81 mm 且纺丝速度为 15000 rpm 的条件下，制备出的 PVA/CS 纤维具有均匀的直径，且银纳米颗粒分布均匀。根据越南标准 TCVN 6187-2:1996（ISO 9308-2:1990），对这批微纤维的抗菌性能进行了评估，测试对象为受污染水中的大肠杆菌（Escherichia coli）和游离菌群。结果显示，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，这类微纤维有潜力被用作水消毒剂。本研究的结果意味着，含有 Ag-NPs 的 PVA/CS 微纤维膜可能成为一种新型的废水净化材料，有助于改善公共卫生。

**引言**
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多个领域引起了研究人员的广泛关注。Ag-NPs 具备显著的特性，包括物理化学稳定性、强抗菌活性、小尺寸和大的有效表面积，这些特性使其能够与微生物发生强烈的相互作用。这种强相互作用主要是由于 Ag+ 离子的释放，它们会破坏细菌的关键细胞过程。此外，Ag-NPs 还可能导致膜损伤和氧化应激，进一步增强其抗菌效果。因此，Ag-NPs 可以作为消毒剂，消除或抑制有害微生物的生长，从而提高水处理后水的质量。Ag-NPs 可以嵌入过滤器或膜中，形成物理屏障，捕获并去除废水中的细菌和其他污染物，并通过释放 Ag+ 离子长期发挥抗菌作用。

**水资源污染问题**
发展中国家的工业活动迅速扩张和城市化进程加剧了水污染问题，而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（甲基蓝/橙蓝），以及有害细菌（如大肠杆菌 E. coli）和游离菌群。这些污染物会损害我们的消化系统、循环系统和排泄系统，还可能带来严重的生态后果。因此，寻找有效且可持续的方法来处理受污染的水变得十分必要和紧迫。有多种方法可用于净化受污染的水，如使用吸水性膜去除重金属离子或无机染质，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聚合物与 Ag-NPs 结合，以消除细菌污染。其中，Ag-NPs 可通过静电纺丝（electrospinning）、force-spinning（离心纺丝）和熔融吹塑（melt-blowing）等技术嵌入或负载到微/纳米纤维上。

**静电纺丝与 force-spinning 方法的比较**
静电纺丝是一种简单且低成本的技术，但在材料生产方面仍存在一些限制。该方法要求聚合物溶液与所施加的电场兼容，并且溶剂需具有高挥发性和良好的聚合物溶解性。此外，静电纺丝的产量相对较低，限制了其在大规模应用中的扩展性。相比之下，熔融吹塑能够以较高的产量生产微纤维，但该方法需要高温聚合物熔融和高速热空气。最近出现的 force-spinning 方法是一种有前景的替代方案，它可以在不使用热量或高电压/电场的情况下，从聚合物溶液中生产大量微纤维。该方法利用离心力将聚合物液流喷射并拉伸成纤维，适用于导电和非导电聚合物溶液。此外，该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）。这类聚合物可溶于水/醋酸中，符合环保和可持续加工的要求。许多研究表明，force-spinning 方法可用于制备负载 Ag-NPs 的聚合物纤维，以用于水净化。该技术具有较高的产量和更广泛的材料适用范围，并且无需使用电场，因此更具可扩展性和环保性。然而，关于关键工艺参数对纤维形态及其与抗菌性能相关性的系统研究仍较为有限。基于这些优势，我们旨在利用 force-spinning 方法生产含有 Ag-NPs 的 PVA/CS 微纤维，优化其形态和抗菌性能，为可持续的水净化应用提供可能。

**实验过程**
首先，将 PVA 和 CS 以 5 wt% 的比例混合，在 50 wt% 醋酸（AA）中室温下机械搅拌 2.5 小时，直至得到均匀溶液。然后加入乙醇以提高溶解度，并继续搅拌 30 分钟。将 quasi-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 溶液被导入实验室自制的 force-spinning 系统中，用于生产微纤维（如图 1 所示）。该系统包括一个基于针头的喷丝头，针头直径分别为 1.27 mm、0.81 mm 和 0.64 mm。转子速度由 E300 逆变器通过频率调制工具控制，频率范围为 0–400 Hz，对应的转子转速范围为 0–2.4 × 104 rpm。泵送装置确保 PVA/CS 溶液以 12 mL/min 的流速进入喷丝头。所有实验中，针头到收集器之间的距离（包括支撑杆和收集网）固定为 10 cm。在离心纺丝过程中，溶液从针头输送到收集器，溶剂在收集器表面蒸发形成固体纤维。纺丝过程在室温下进行，最终的 PVA/CS 纤维在室温下干燥 24 小时，以完全去除溶剂。

**结果分析**
使用 force-spinning 方法制备的含有 Ag-NPs 的 PVA/CS 微纤维的形态受到 PVA/CS 浓度、针头直径和纺丝速度等工艺因素的影响。根据越南标准 TCVN 6187-2:1996（ISO 9308-2:1990），通过检测受污染水样中的大肠杆菌和游离菌群的存在和数量，评估了这些微纤维的抗菌性能。研究重点关注 Ag-NPs 与微纤维形态之间的关系及其对纤维抗菌活性的影响。Ag-NPs 的掺入主要是通过抗菌性能和形态观察来推断的。定量分析和元素分布的详细信息超出了本研究的范围，将在后续工作中探讨。

**结论**
本研究提出了基于可生物降解聚合物的抗菌纤维作为可持续、环保的水净化平台的想法。

**实验材料**
平均分子量（Mw）为 85,000–124,000 g/mol、水解度为 87–89%、粘度为 23–27 cP 的 PVA 由新加坡Sigma-Aldrich公司提供；粘度大于 1000 cP、脱酰化程度大于 75% 的壳聚糖（CS）由越南 Vinafood 公司提供；纯度大于 98% 的醋酸和乙醇由中国 Xilong 公司提供；浓度为 1000 ppm 的银纳米颗粒（Ag-NPs）由越南 AHT Corp. 公司提供。所有化学品均为分析级，无需纯化即可直接使用。

**力纺丝制备 PVA/CS 纤维及负载 Ag-NPs 的 PVA/CS 纤维**
在 force-spinning 方程的第一步中，将 PVA 和 CS 混合后，在 50 wt% 醋酸（AA）中机械搅拌 2.5 小时，得到均匀溶液。随后加入乙醇以提高溶解度，并继续搅拌 30 分钟。将 quasi-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 溶液被导入实验室自制的 force-spinning 系统中，用于生产微纤维（如图 1 所示）。该系统包括一个针头式喷丝头，针头直径分别为 18G、20G 和 22G，对应的内部直径分别为 1.27 mm、0.81 mm 和 0.64 mm。转子速度由 E300 逆变器通过频率调制工具控制，频率范围为 0–400 Hz，转子转速范围为 0–2.4 × 104 rpm。泵送装置保证 PVA/CS 溶液以 12 mL/min 的流速进入喷丝头。所有实验中，针头到收集器的距离（包括支撑杆和收集网）固定为 10 cm。在离心纺丝过程中，溶液从针头输送到收集器，溶剂在收集器上蒸发形成固体纤维。纺丝过程在室温下进行，最终 PVA/CS 纤维在室温下干燥 24 小时，以完全去除溶剂。

**抗菌效果评估**
废水样本取自越南胡志明市的 Tan Hoa-Lo Gom 运河。收集的废水样本存储在塑料容器中（如图 2 所示）。采样、保存和处理过程均严格遵循微生物分析标准。废水样本的 pH 值使用 5% 醋酸溶液调节至 6.0。

**抗菌效果的测定**
大肠杆菌（E. coli）和游离菌群的浓度根据越南标准 TCVN 6187-2:1996（等同于 ISO 9308-2:1990）中的最可能数（MPN）方法进行测定。这些分析由越南环境监测与分析中心（VIMCERTS 197）完成。具体而言，未稀释和稀释样本分别接种到 Durham 管中的乳糖培养基中，并在 35–37°C 下培养 24–48 小时。细菌代谢乳糖产生酸和气体，这些酸和气体的生成表明细菌生长良好。阳性管与标准 MPN 表进行对比，以统计计算细菌密度（即 MPN/100 mL）。

**总结**
本研究显示，负载 Ag-NPs 的 PVA/CS 纤维对大肠杆菌和游离菌群具有显著的抗菌效果。通过将 100 mg 纺丝纤维浸泡在 100 mL 废水中 60 分钟，评估了其抗菌活性。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，并使用以下公式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子的形成、纤维的排列以及制造出的纤维的直径。通常在低浓度下会形成珠子，而在较高浓度下可能会发生珠子与纤维几何形状的混合。当聚合物链在临界浓度下充分缠结时，会形成连续的纤维。28 最优的PVA浓度可以抑制纤维上珠子的形成，从而生成没有珠子附着的纤维。因此，在高于最优浓度的条件下可以形成有珠子的纤维。通过增加PVA浓度和/或聚合物溶液中的分子量，可以增强聚合物链在溶液中的缠结程度，从而使纤维直径增大。29 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，适用于这项研究。如前所述，用于生产聚合物微纤维的含Ag-NPs和不含Ag-NPs的PVA/CS前驱体溶液的组成列在表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中进行了详细说明。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%）。粘度测量每个样品只进行了一次，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，这与我们观察到的纤维形态从含珠结构转变为光滑纤维再到不规则结构的转变密切相关。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变得更加强烈。这些流变变化直接影响力纺过程中的纤维形态。然而，在粘度较低的水平（约17 cP（10 wt%）时，分子的结合力较弱，导致不稳定的射流形成，从而产生珠子和盘状结构，如图4(a)所示。当粘度值增加到约19 cP（12–13 wt%）时，会形成稳定的聚合物射流，产生无珠缺陷的均匀连续纤维，如图4(b–d)所示。对于纤维直径的测量，每个条件都在多根纤维上进行了评估，图3中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。下载：下载高清晰度图像（92KB）下载：下载全尺寸图像图3. PVA/CS溶液的粘度（cP）和使用的PVA/CS浓度（wt%）下的微纤维平均直径（μm），这些浓度用于我们实验室构建的力纺系统。下载：下载高清晰度图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图4. 使用不同PVA浓度制造的PVA/CS力纺纤维表面的FEG-SEM图像：(a) 10 wt%；(b) 11 wt%；(c) 12 wt%；(d) 13 wt%；(e) 15 wt%。制造条件为旋转速度15,000 rpm；针头内径1.27 mm；收集距离10 cm。表2. 不同浓度PVA/CS溶液的粘度值以及通过SEMPVA表征的力纺纤维的形态特征PVA（wt%）粘度（cP）平均纤维直径（μm）纤维形态（SEM）1016.991.57 ± 0.48珠子+盘状1117.891.68 ± 0.48较少珠子1218.871.71 ± 0.54光滑纤维1319.231.74 ± 0.57光滑纤维1519.681.88 ± 0.58不规则、不均匀当粘度值进一步增加到>19.5 cP（15 wt%）时，射流的延展性降低。这导致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出现了珠子，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射流。这使得制造出的纤维表面更加光滑，如图4中的SEM图像所示。然而，结果还表明，当粘度过高或过低时，可能会形成不稳定的聚合物射流，导致纤维的形态不均匀。图3中描述的趋势表明，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溶液的流变性质在力纺过程中强烈支配着纤维的形态。此外，随着PVA浓度的增加，粘度增加，导致纤维链之间的连接更加牢固，从而产生更粗且更均匀的纤维。最佳的13 wt%浓度提供了平衡的粘弹性能，使得在力纺过程中能够连续形成纤维，而不会出现颗粒/珠子缺陷。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子/盘状物，如图4(a)所示。当PVA/CS浓度增加到11–12 wt%时，珠子/盘状物的数量显著减少，如图4(b)和(c)清楚地观察到。特别是在PVA/CS浓度为13 wt%时（图4(d)），获得了连续且均匀的微纤维。这表明13 wt%是PVA/CS浓度的临界值，可以在力纺过程中实现足够的聚合物链缠结。当聚合物浓度增加到15 wt%时，力纺微纤维表面再次出现珠子/盘状物滴。这可以理解为在这个浓度下，聚合物溶液的表面张力过高，导致表面积与质量的比率降低。这增加了聚合物射流向力纺系统收集器的阻力。此外，表面积与体积的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，我们发现PVA/CS浓度为13 wt%最适合我们实验室构建的力纺系统；浓度低于或高于最佳条件时，由于粘度过低或过高，针头会堵塞，使得形成光滑微纤维变得困难。一些研究小组已经报道了在不同浓度下珠子或盘状物形成的动态，特别是关于几何针头的自清洁行为以防止堵塞的研究；30 然而，这超出了当前工作的范围。工艺参数对力纺纤维形态的影响从低浓度聚合物溶液制造的力纺纤维较短，且倾向于相互粘连，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延长。因此，如果增加喷头的旋转速度，则应同时增加浓度，使纺出的纤维能够均匀分布在表面上，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，并影响力纺纤维的成形能力、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力纺纤维的形态和直径的影响。在此实验中，离心速度分别设置为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)清楚地看到，在较低的旋转速度9000 rpm或12,000 rpm下观察到有珠子的纤维，而在较高的旋转速度15,000 rpm下获得了表面均匀的连续纤维。基于低放大倍数下的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。计算出这100个颗粒的平均值和标准偏差。结果得到，在旋转速度为9000 rpm、12,000 rpm和15,000 rpm时，力纺纤维的平均直径分别为（2.00 ± 0.66）μm、（1.81 ± 0.55）μm和（1.72 ± 0.54）μm。这些值清楚地表明，随着喷头离心速度的增加，纤维直径逐渐减小。下载：下载高清晰度图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图5. (a–c) 使用PVA/CS浓度为13 wt%制造的力纺微纤维的典型FEG-SEM图像和(d–f) 统计尺寸分布图，针头内径为1.27 mm，收集距离为10 cm。离心速度分别为(a和d) 9000 rpm，(b和e) 12,000 rpm，(c和f) 15,000 rpm。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进行的过程：(i) 溶剂从中心扩散到纤维表面；(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，导致作用在纤维上的拉伸力减小，使得纤维未拉伸且直径较大。13, 30。结果，纤维的直径增加，溶剂从中心扩散到表面的时间延长，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，离心力足够强，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，纺出的微纤维将是直的，“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，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，抑制了它们在力纺过程中的移动或重新排列。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；这一条件用于后续的研究。影响我们制造系统中聚合物溶液流力的力纺过程的另一个物理因素是针头的直径。在这里，直径强烈影响初始溶液在针头中的流动，从而导致微纤维直径的变化。使用了三种不同的针头直径，分别为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)显示了三种典型的纺丝纤维样品的FEG-SEM图像，图6(d–f)还分析了这些纺丝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，纺丝微纤维的平均直径从（1.70 ± 0.52）μm略微增加到（1.87 ± 0.63）μm。因此，使用较大的针头时，在相同的离心力下，从尖端流出的聚合物溶液的初始体积更大。根据纺丝纤维的形态和直径，当使用直径为0.81毫米的针头时，可以制造出在形状和几何结构上均匀的纤维；因此，该针头被用于后续实验。下载：下载高分辨率图片（2MB）下载：下载全尺寸图片图6. (a–c) PVA/CS力纺表面的FEG-SEM图像，以及(d–f) 用PVA/CS浓度为13 wt%、旋转速度为15,000 rpm、收集距离为10 cm、不同内径的针头制造的三个典型样本的纤维直径分布直方图：(a和d) 0.64毫米；(b和e) 0.81毫米；(c和f) 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中会产生显著影响。因此，纺出的纤维直径较大。对于高粘度的PVA/CS溶液，粘度变化比低粘度溶液更明显。因此，选择适当的离心力/速度是一项关键任务，因为在力纺过程中离心力会拉伸聚合物溶液。在此，我们的制造过程中使用了15,000 rpm的离心速度。

PVA浓度对Ag-PVA/CS纤维表面和直径的影响
遵循在“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浓度下制造的Ag-PVA/CS纺丝纤维的SEM图像，PVA浓度从10 wt%增加到15 wt%。平均纤维直径被计算并在图7(f)中绘制出来。结果显示，随着溶液浓度从10%增加到15%，平均纤维直径逐渐增大，范围从(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% PVA/CS浓度下，平均纤维直径达到了(1.97 ± 0.69) μm。这些结果表明，较高的PVA/CS浓度会导致更厚的纺丝纤维。这一结果与当旋转速度增加时纺丝溶液的粘度增强的事实一致。下载：下载高分辨率图片（2MB）下载：下载全尺寸图片图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的条件下制造的，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，当PVA/CS浓度增加时，平均纤维直径逐渐扩大，这可以归因于粘度的增加和/或纺丝溶液中分子间相互作用的增强。实际上，随着PVA浓度的增加，聚合物链缠结的密度增加，从而在力纺过程中增加了对拉伸的抵抗力。因此，溶液射流受到的拉伸较少，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，限制了聚合物射流在离心力作用下的拉伸。这表明聚合物射流表现出有限的拉伸，导致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增强，从而减弱了离心力对射流的拉伸效果。

为了考察不同PVA重量百分比（wt%）的Ag-PVA/CS纺丝纤维对大肠杆菌（E. coli）和肠球菌（coliform bacteria）的抗菌性能，将100毫克制备的样品浸入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纺丝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% PVA浓度下，抗菌性能更优，分别达到93.1%和对大肠杆菌95.4%。表3. 不同PVA wt%的Ag-PVA/CS纺丝纤维对废水中收集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-PVA15CS11.0 × 10^6 2.6 × 10^5 88.28 9.2Ag-PVA13CS9.3 × 10^6 2.3 × 10^5 90.0 90.4Ag-PVA12CS7.5 × 10^6 1.9 × 10^5 91.9 92.1Ag-PVA10CS6.4 × 10^6 1.1 × 10^5 93.1 95.4图8展示了不同Ag-NP浓度的纺丝纤维样品对废水中收集的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。根据四个废水样本的数据，我们可以得出结论：纤维直径越小，抗菌效率越高，因为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AgNP含量保持不变，但纤维形态的变化在决定抗菌性能方面似乎起到了更主导的作用。如图7(f)所示，使用10 wt% PVA浓度制造的Ag-PVA/CS纺丝纤维直径较小，因此其有效面积较大，与使用15 wt% PVA制造的样品相比。由于有效表面积的增加，Ag-PVA/CS纺丝纤维与细菌的接触更多，从而提高了抗菌效率。下载：下载高分辨率图片（251KB）下载：下载全尺寸图片图8. 不同PVA wt%的Ag-PVA/CS纺丝纤维对废水中收集的大肠杆菌和肠球菌的抗菌性能或细菌减少率（%）的相关性。

表4比较了载银纳米粒子（AgNP）纤维和基于壳聚糖的纤维系统，在纤维直径、银载量、抗菌性能和接触时间方面的差异。结果显示，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. 基于纤维直径、抗菌性能和样本接触时间的载银纳米粒子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载量抗菌性能样本接触时间参考文献聚偏二氟乙烯（PVDF）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/AgNPs静电纺约500纳米未报告对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制区（未报告抗菌减少率）未报告10 PLA/基于壳聚糖的银纳米粒子（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%）和枯草芽孢杆菌（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分钟在本工作中，由于没有ICP-OES或TGA，银载量未进行量化。可以看出，大多数文献报告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纤维使用最可能数（MPN）方法进行了评估，能够直接定量估计细菌减少率。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，还增强了与AgNPs的协同效应，提高了整体效果。此外，使用可扩展的力纺技术相对于传统的静电纺具有实际生产优势。

壳聚糖（CS）的抗菌机制主要来自于CS中的多阳离子与细菌负电荷表面的相互作用。CS中的质子化胺基团与革兰氏阴性菌表面的阴离子（如脂多糖和蛋白质）积极相互作用。这种相互作用可能导致壳聚糖与细胞膜形成键合，从而破坏膜通透性或导致细胞内容物泄漏，从而导致细菌细胞死亡。这表明，即使在没有AgNP负载的情况下，原始的PVA/CS纤维也可能表现出一定的抗菌活性。AgNP负载纤维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PVA/CS等聚合物系统中，基质可能调节Ag+离子的扩散，从而持续发挥抗菌作用。这种过程也可以通过另一种机制来理解：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-NP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，如电荷反转或膜失活。结果，细胞膜中的蛋白质层变性，或磷脂双层直接暴露。这通常被认为是导致细胞膜不稳定的主要原因，最终导致细胞内容物泄漏和细菌死亡。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酶相互作用，破坏膜完整性，抑制细胞呼吸和关键代谢途径。在此过程中，Ag+离子吸附在细菌表面并渗透进入细菌细胞，最终中和或完全杀死细菌。对于我们的Ag-PVA/CS纺丝纤维样品，Ag+离子通过攻击细胞膜中的硫醇（–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抑制。然而，本研究没有探究Ag+离子释放随时间的变化情况，这应在未来的工作中进行研究，以更好地理解其长期抗菌行为和环境影响。需要注意的是，所提出的抗菌机制基于文献报告，且未进行研究中的ROS或膜成像测量。此外，也未研究多次循环后纤维的结构完整性和抗菌效果。未来的研究将重点评估纤维的稳定性和可重复使用性，以更好地理解其实用性和经济可行性。

我们成功使用自行构建的强制纺丝系统制造出了抗菌性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造出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是最优的。使用这些优化值，制造出的微纤维的结构性能适用于许多潜在应用。特别是在最佳条件下制造的含有Ag-NPs的PVA/CS微纤维的平均直径约为1.74 μm。此外，所有微纤维样品都表现出良好的抗菌活性，在越南收集的受污染水样中，对大肠杆菌和肠球菌的抗菌效率达到了88.2–95.4%。这些初步数据为进一步研究开发高效抗菌消毒材料提供了有希望的基础，有望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，提高社区公共卫生。然而，还需要进一步研究Ag+的释放行为、时间依赖的抗菌测试和流动实验，以全面评估其实际应用性。此外，本研究没有对溶液中的游离AgNPs（银纳米颗粒）进行比较研究，未来应考虑进行此类研究以进一步阐明可能的协同效应。

作者贡献：
概念构思：D. P. Huynh
监督：D. P. Huynh
方法论：D. P. Huynh, H. L. Nguyen
调查：H. L. Nguyen
数据整理：V. V. L. Nguyen
数据分析：V. V. L. Nguyen
数据可视化：V. V. L. Nguyen, D. Q. Hoang
原始稿撰写：V. V. L. Nguyen
审稿与编辑：D. Q. Hoang, V. V. L. Nguyen

利益冲突：
作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性：
所有支持本研究的数据均包含在本论文中。如有合理需求，可向相关作者索取更多数据。