纤维排列对电纺形状记忆聚氨酯/姜黄素复合纳米纤维膜的抗氧化性、透气性和水蒸气渗透性能的影响

《Materials Today Communications》：Effects of Fiber Alignment on the Antioxidant and Breathability and Water?Vapor Permeability Properties of Electrospun Shape-Memory Polyurethane/Curcumin Composite Nanofibrous Membranes

　　

多功能纳米纤维膜集机械坚固性、抗氧化活性以及良好的透气性和水蒸气渗透性能于一体，在先进包装和生物医学应用中极具吸引力。本研究通过使用不同接收器的静电纺丝技术，制备了具有随机取向和单向排列纤维结构的形状记忆聚氨酯/姜黄素（Cur）复合纳米纤维膜。姜黄素与聚氨酯之间的氢键相互作用有效优化了纤维形态并消除了串珠缺陷。与随机取向膜（RM）相比，单向排列膜（OM）表现出显著增强的拉伸强度（6.6 MPa）、优异的热稳定性和更强的DPPH自由基清除活性。相对于纯SMPU膜（PM），两种载姜黄素膜（RM和OM）均显示出对大肠杆菌（*Escherichia coli*）改善的抗菌活性。此外，OM在机械强度及透气-水蒸气渗透应用方面具有优势，而RM由于其各向同性多孔结构和更均衡的气体/水分交换，可能更适合于保鲜相关包装，同时保持良好的生物相容性，细胞活力超过80%。这项工作表明，通过静电纺丝接收器设计进行微观结构调控是构建具有定制性能的多功能复合纳米纤维膜的有效策略。

多功能纤维膜材料在先进包装和生物医学应用中的需求日益增长，传统单组分聚合物膜存在功能单一、透气透湿性不足、耐久性差等问题。本研究旨在通过静电纺丝收集器设计调控纤维排列方向，构建兼具力学强度、抗氧化、抗菌和透气透湿性能的形状记忆聚氨酯（SMPU）/姜黄素复合纳米纤维膜。研究人员采用不同收集器制备了纯SMPU随机膜（PM）、SMPU/姜黄素随机膜（RM）和单向排列膜（OM），系统研究了纤维微观形态与宏观性能间的构效关系。结果表明，姜黄素与SMPU间的氢键作用优化了纤维形貌，OM在拉伸强度（6.6 MPa）、热稳定性及DPPH自由基清除活性（96.4%）上显著优于PM和RM，同时保持良好的生物相容性；RM则凭借各向同性多孔结构实现更均衡的气体/水分交换，在保鲜包装中展现出潜力。该研究发表在《Materials Today Communications》，为通过纤维排列工程定制多功能复合纤维膜提供了实验依据和理论指导。

研究人员采用静电纺丝技术，通过平板接收器和高速旋转滚筒分别制备随机取向和单向排列的SMPU/姜黄素复合纤维膜。材料来源包括：SMPU（MM4520）购自SMP Technologies，大肠杆菌购自中国生物试剂公司，NIH3T3细胞及培养基由上海赛百慷生物科技有限公司提供。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）；热重分析（TGA）评价热稳定性；万能拉伸机测试力学性能；接触角仪测量水接触角（WCA）；透气性和水蒸气透过率（WVT）测试；DPPH法评估抗氧化活性；OD₆₀₀法测定抗菌率；MTT法和活/死染色评估细胞毒性；草莓保鲜视觉观察初步验证包装潜力。

### 3.1 结构表征
通过SEM观察发现，纯SMPU膜（PM）纤维呈现串珠结构且直径分布不均；加入姜黄素后，复合膜纤维形貌显著改善，直径更均匀，其中单向排列膜（OM）纤维直径集中在0.5–0.7 μm，分布最窄。FTIR证实姜黄素与SMPU之间通过非共价氢键相互作用，未形成新共价键。XRD表明所有膜均以无定形为主，OM无明显新衍射峰。

### 3.2 力学性能
单轴拉伸测试显示，PM、RM和OM的断裂拉伸强度分别为1.07 MPa、2.25 MPa和6.6 MPa，所有膜断裂伸长率均超过140%。姜黄素优化了纤维均匀性，而单向排列使纤维沿载荷方向有效传递应力，显著提升OM的纵向强度。

### 3.3 热稳定性
TGA结果表明三种膜均呈现三阶段热分解。OM的起始分解温度（约320 °C）高于PM（约290 °C）和RM（约300 °C），且在600 °C时残炭量约25%，分子链堆积更紧密，热稳定性最佳。

### 3.4 抗氧化性能
DPPH自由基清除实验显示，PM、RM和OM的清除率分别为14.3%、57.1%和96.4%。姜黄素中的酚羟基提供氢原子，OM的高比表面积使活性位点更易接触，从而显著增强抗氧化能力。

### 3.5 水接触角测试
接触角测量表明PM、RM和OM的水接触角分别为129.5°、125.1°和119.0°，均呈疏水性。PM因表面粗糙度高而接触角最大，OM因纤维规整、粗糙度降低而接触角最小，但仍保持疏水水平。

### 3.6 透气性与水蒸气渗透性
WVT测试显示PM、RM和OM的值分别为3363、3336和3276 g·m^-2·d^-1，均属于高透湿膜。透气性测试中，OM的空气渗透率显著高于其他两者，归因于纤维高度排列形成更直接的孔道，降低气体流动阻力。

### 3.7 抗菌性能
以大肠杆菌为模型菌的抑菌实验表明，所有膜均有一定抗菌活性，载姜黄素膜（RM和OM）的抑菌率比纯SMPU膜（PM）高约11.42%，证明姜黄素赋予纤维膜显著增强的抗菌功能。

### 3.8 细胞毒性试验
MTT法检测NIH3T3细胞活力，PM组细胞活力为97%，RM和OM组分别为82%和81%，均高于80%无毒阈值，说明制备的膜具有良好的生物相容性，可用于食品包装和生物医学领域。

### 3.9 食品保鲜潜力初步视觉评估
草莓保存实验显示，覆盖RM和OM膜的草莓品质下降程度均低于无膜对照组，其中RM组保水效果更好，草莓外观更完整、皱缩更轻。RM的随机纤维网络增加了传质路径曲折度，更有效地抑制水分过度流失，而OM的高透气性可能加速果实失水。

**讨论与结论**
讨论部分指出，纤维排列方式对膜的性能起决定性作用：OM凭借紧密排列的纤维结构获得高力学强度、热稳定性和抗氧化性，适合需要结构支撑和自由基清除的应用；RM因随机多孔结构实现更平衡的气体与水分交换，更适合保鲜包装。研究人员认为，通过静电纺丝收集器设计调控纤维取向是实现多功能复合纤维膜性能定制化的有效策略。原文结论总结如下：通过静电纺丝成功制备了具有随机分布和单向排列微结构的SMPU/姜黄素复合纳米纤维膜。姜黄素与SMPU之间的氢键相互作用有效提高了纤维均匀性并减少了结构缺陷。OM表现出显著提升的拉伸强度、热稳定性、抗氧化活性、抗菌性能及良好的生物相容性，而RM实现了均衡的水蒸气渗透性和高透气性，更适合保鲜相关包装。视觉保鲜测试初步表明了其应用潜力，但未来仍需定量保鲜指标验证。总体而言，纤维排列是调控SMPU/姜黄素纳米纤维膜多功能应用的有效结构设计参数。