聚乙烯醇/木质素柠檬酸交联复合膜：理化性质与抗金黄色葡萄球菌粘附活性研究

《International Journal of Molecular Sciences》：Polyvinyl Alcohol/Lignin Composite Films Crosslinked with Citric Acid: Physicochemical Properties and Anti-Adhesive Activity Against Staphylococcus aureus

　　

抗生素耐药性感染，尤其是在医院环境中，越来越多地与生物医学设备上的生物膜形成相关。解决这一问题的有效策略是开发具有抗菌和抗粘附特性的生物聚合物薄膜。本研究将合成可生物降解聚合物聚乙烯醇（PVA）与生物质衍生聚合物木质素（LG）复合，并以柠檬酸（CA）为交联剂，制备了PVA-LG/CA凝胶/薄膜。材料制备时固定PVA含量（10% w/v），并改变LG（6.6%和10% w/v）及CA（1–4% w/v）的含量。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）分析证实了CA通过与PVA和LG的羟基发生酯化反应起到交联剂的作用。不含木质素的薄膜（PVA/CA）表现出最低的水溶胀度（%Sw = 54.7），而PVA-LG/CA薄膜则显示出显著更高的溶胀度，最高可达409.5%。所有薄膜均为亲水性（接触角 < 90°）。增加CA含量降低了孔隙率，而提高LG含量则降低了亲水性。生物学测定表明，含有较高LG和CA含量的薄膜减少了细菌粘附。总体而言，含6.6% LG和3.3% CA的配方表现最佳，兼具最大溶胀度和最小的金黄色葡萄球菌粘附。这些结果凸显了LG和CA作为可调控组分在生物医学材料设计中调节薄膜形态、亲水平衡及细菌相互作用的潜力。

研究背景与目的

抗生素耐药性感染对全球人类健康构成重大威胁，尤其在医院环境中，这类感染常与生物医学设备表面形成的生物被膜密切相关。金黄色葡萄球菌等病原菌能在多种物体表面存活数周，其粘附于血管导管、导尿管、心脏瓣膜及假体等医疗器械表面，是导致持续性炎症和器械失效的主要原因之一。因此，开发具有内在抗菌和抗粘附特性的新型材料，成为生物医学领域的研究热点。聚乙烯醇是一种无毒、生物相容性好且可生物降解的合成高分子，但其本身缺乏抗菌活性。木质素作为自然界中最丰富的多酚类天然高分子，具有可再生、抗氧化和紫外防护等特性，但其与PVA的相容性有限。柠檬酸作为一种三羧酸交联剂，可通过酯化反应连接PVA和LG的羟基。本研究的目的是设计一种基于PVA、LG和CA的生物聚合物薄膜，系统考察各组分比例对材料理化性质和抗金黄色葡萄球菌粘附性能的影响，筛选出最优配方，为后续将该材料涂覆于真实医疗器械表面奠定基础。

关键技术方法概述

研究人员采用溶液浇铸法制备了五种不同配方的PVA-LG/CA薄膜。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）确认酯化交联反应的发生；通过差示扫描量热法（DSC）分析材料的热转变行为；借助扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌和微观结构；通过平衡溶胀实验评估材料的吸水能力；采用静态水接触角测量评价薄膜的亲疏水性和润湿性。在生物学评估方面，以金黄色葡萄球菌ATCC 25923为模型菌株，通过微滴平板计数法和SEM观察定量分析细菌在不同薄膜表面的粘附情况。

研究结果

3.1 生物聚合物薄膜的形成

成功合成了五种自立式薄膜。交联反应主要通过CA与PVA的羟基以及LG酚羟基的酯化实现。由于酚羟基的亲核性弱于醇羟基，LG的酯化程度较低。通过Folin-Ciocalteu法对洗涤后薄膜中残留的LG进行定量，发现约70%-90%的初始LG在洗涤过程中被释放，表明大量LG未参与化学交联。随着CA浓度的增加，LG的残留率略有上升，但B5配方（高LG和高CA）反而因LG聚集导致残留率最低。在本研究浓度范围内，B4薄膜实现了最高的LG实际嵌入量（10.2%）。

3.2 FTIR-ATR表征

FTIR光谱显示，所有交联后的薄膜均出现了酯基特征峰（羰基C=O在1690 cm^-1，C-O不对称伸缩在1233 cm^-1），证实了酯键交联网络的形成。同时，LG中伯醇对应的1039 cm^-1吸收峰强度显著降低，表明这些基团参与了酯化反应。此外，LG特有的醚键特征峰（1139 cm^-1）在复合膜中出现，进一步证明了LG的成功引入。

3.3 DSC表征

纯PVA的熔融温度（Tm）约为228°C。不含LG的B1薄膜Tm降至207°C，表明交联破坏了PVA的结晶性。对于含LG的薄膜，随着CA含量增加（B2至B4），Tm从227.7°C逐渐降低至226.4°C，表明交联密度增大和LG嵌入量增多共同抑制了PVA的结晶。B5薄膜的Tm略有回升，与LG聚集导致的有效交联减少相符。DSC结果表明薄膜内部存在不均匀的PVA和LG相分离区域。

3.4 形貌表征

SEM图像显示，不含LG的B1薄膜结构致密均匀。引入LG后，薄膜呈现出显著的微孔和大孔结构。这是由于PVA与LG相容性差，在初始共混物中形成LG富集区，经洗涤去除未交联的LG后留下孔隙。随着CA浓度从B2增加到B4，薄膜形貌变得更加均匀，孔隙减少。然而，B5薄膜由于LG浓度过高，表面出现明显的颗粒状聚集体。

3.5 溶胀行为

B1薄膜的平衡溶胀率最低，仅为54.7%，与其致密结构一致。含LG的薄膜（B2-B5）溶胀率显著提高，达到B1的6-8倍。有趣的是，尽管增加CA会提高交联密度，理论上应限制溶胀，但从B2到B4，溶胀率却从267.8%升至409.5%。研究人员认为这是因为部分CA分子仅发生部分反应，残留的游离羧基具有很强的亲水性，其吸水效应超过了交联网络的限制作用。B3、B4和B5之间的溶胀率无统计学差异，表明两种效应达到了新的平衡。

3.6 亲疏水性质

所有薄膜的水接触角均小于90°，呈现亲水性。其中B1、B4和B5的接触角值较高，表现出相对更强的疏水性，这与它们较为致密的表面形貌有关。而B2和B3由于多孔结构，接触角更低，亲水性更强。随时间变化的润湿性测试显示，接触角越低的薄膜，水滴在其表面的铺展速率越快。

3.7 抗粘附生物学测定

细菌粘附实验结果显示，对照组的细菌数量为3.5×10⁷ CFU·mL^-1。B1、B4和B5薄膜表现出优异的抗粘附性能，粘附细菌数量分别降至4.05×10⁵、2.39×10⁵和1.89×10⁵ CFU·mL^-1，相比对照组降低了近两个数量级。而B2和B3薄膜表面粘附的细菌较多。研究人员认为，柠檬酸的抗菌活性是重要因素之一，同时表面润湿性和形貌也起关键作用。具有较高接触角（更疏水）、光滑致密表面的薄膜（B1、B4、B5）更能抵抗细菌粘附。SEM图像进一步证实，B1和B4薄膜表面几乎未见粘附的金黄色葡萄球菌，而B3薄膜的孔隙附近可见细菌附着。

总结与结论

本研究成功开发了由柠檬酸交联的聚乙烯醇/木质素生物聚合物薄膜，并证明其具备增强的抗细菌粘附特性。

讨论总结： 所有薄膜均为亲水性，但接触角较高的薄膜（B1、B4、B5）展现出更优的抗粘附性能，表明表面亲疏水性是关键影响因素。木质素的加入显著提升了薄膜的吸水能力，溶胀率超过350%，这为未来负载水溶性抗菌化合物提供了可能。扫描电镜分析揭示了木质素的引入产生了多孔基质，而柠檬酸浓度的变化直接影响薄膜的致密度和孔结构，这些形貌特征显著影响了材料的物理性能及其与微生物的相互作用。生物学测定表明，薄膜的抗金黄色葡萄球菌粘附性能受其组成直接影响：低浓度LG和CA的薄膜因多孔结构导致细菌粘附增加，而高浓度组则表现出更少的细菌附着。这表明可以通过调控成分来实现特定的抗菌效果。未来的工作将集中于将优化后的B4配方涂覆于临床相关基底（如导管）上，并评估涂层在实际应用条件下的粘附性、稳定性和抗菌性能。

研究结论翻译： 本研究证明了成功开发了由柠檬酸交联的聚乙烯醇/木质素生物聚合物薄膜，该薄膜经过定制，具有增强的抗粘附特性。所有薄膜均表现出亲水特性（A < 90°）；然而，具有最高接触角的薄膜（B1、B4和B5）展现出卓越的抗粘附性能。表面亲水性/疏水性是需要考虑的关键因素。木质素的加入显著提高了薄膜的吸水能力，溶胀值超过350%。这种显著的溶胀行为为未来的研究提供了有前景的机会，特别是用于潜在负载水溶性抗菌化合物以增强或扩展材料的功能特性。扫描电子显微镜分析提供了结构见解，表明木质素的引入诱导了多孔基质的形成，而柠檬酸浓度的变化直接影响薄膜的密度和孔结构。这些形貌特征被发现显著影响材料的物理性质及其与微生物的相互作用。生物学测定表明，生物聚合物薄膜对金黄色葡萄球菌的抗粘附性能直接受其组成影响。低浓度LG和CA的薄膜因其多孔结构而显示出增加的细菌粘附，而高浓度组则表现出减少的细菌附着。这表明可以根据应用需求，将薄膜设计成实现特定的抗菌效果，无论是防止生物被膜形成还是支持受控的细菌生长。