以超高分子材料為載體研發新型固體緩釋抑菌劑

楊鎮偉， 林琪， 陳虹， 張蕊， 王立強

(1. 華僑大學 醫學院， 福建 泉州 362021；2. 蘇州凱虹高分子科技有限公司， 江蘇 蘇州 215211；3. 深圳聯創立達環境技術有限公司， 廣東 深圳 518116)

消毒滅菌是日常生活中非常重要的個人衛生防護措施，2019年的新型冠狀病毒肺炎疫情啟示公眾需要對病毒和致病菌做好防護措施.病毒和致病菌通常以飛沫、氣溶膠或接觸傳播等方式在環境中傳播，通過空氣消毒能夠阻斷其傳播途徑，有效地阻止疾病的發生和擴散[1-2].隨著環境衛生意識和個人防護意識的提升，各種消菌、抑菌產品也隨之在市場上流行.日常使用的消毒抑菌劑多為乙醇消毒液、含氯消毒劑、過氧化物消毒劑等液態消毒抑菌劑[3]，這些液態消毒抑菌劑不僅在運輸、使用和貯存方面存在一定的不便，而且抑菌效果短暫，需要頻繁操作才能保持抑菌效果.因此，有待研發一種使用便捷、緩釋效果和抑菌效果較好的新型固體緩釋抑菌劑.

超高分子材料是由超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料通過半熔融燒結制得的多孔材料，該材料具有高機械強度、耐熱、耐化學侵蝕、無毒等優點，因而被廣泛地應用于建筑材料、機械化工、服裝及醫療器械等領域[4-5].半熔融燒結技術可使高分子原料粉體顆粒呈現出表面熔融、內部不熔融的半熔融狀態，通過控制成型工藝，可使相互接觸的顆粒表面熔融粘連，粉體顆粒之間相互堆砌的空隙形成微孔[6-7].因超高分子材料性質安全穩定，內部顆粒間相互堆砌形成微孔的孔隙大小、分布均勻，故可用于氣體、液體的吸附和緩釋.制備一種揮發性中西藥復配抑菌液，該復配抑菌液由復方中藥提取物與季銨鹽類衍生復合物復配制得，具有良好的抑菌活性，并且藥效溫和、持久，對人體無明顯刺激性，具有良好的安全性.復配抑菌液具有揮發性，能夠揮發并全面分布于室內空氣中，從而對環境產生抑菌效果.基于此，本文將超高分子材料作為復配抑菌液的載體，將揮發性中西藥復配抑菌液作為主藥成分，制備一種具有長效抑菌能力的固體緩釋抑菌劑，并考察其緩釋效果及抑菌效果.

1 材料與方法

1.1 試驗材料、儀器與用菌

1) 試驗材料.揮發性中西藥復配抑菌液、超高分子材料(江蘇省蘇州市凱虹高分子科技有限公司).

2) 試驗儀器.Phenom proX型掃描電子顯微鏡(荷蘭Phenom-World BV公司)；BSA124S型電子天平(德國賽多利斯科學儀器有限公司)；SHB- ⅢG型循環水式多用真空泵(河南省鄭州市長城科工貿有限公司)；SMVB60型真空熱壓燒結機(河南省鄭州市金海威科技實業有限公司)；WAW-D型微機控制電液伺服萬能試驗機(山東省濟南市歐貝特(山東)試驗設備有限公司)；JB-W300A型微機控制擺錘式沖擊試驗機(山東省濟南市方圓試驗儀器有限公司).

3) 試驗用菌.大腸桿菌(ATCC 8099)、金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)、日溝維腸桿菌(ATCC 25922)、白色念珠菌(ATCC 6538)均由軍事醫學科學院消毒檢測中心提供.

1.2 超高分子材料和固體緩釋抑菌劑的制備

1.2.1 超高分子材料的制備 取超高分子量聚乙烯原料(相對分子質量為150萬)、高分子聚丙烯原料(相對分子質量為20萬)過100～150目篩.通過高速攪拌將超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料混合均勻，將混合物置于準備好的模具中，將模具持續加壓5 min至10 MPa，使原料固定成型；成型后逐漸加熱至145 ℃，進行半熔融燒結，燒制時間為45 min；燒結完成后，自然冷卻，將超高分子材料從模具中取出，即得超高分子材料.

1.2.2 固體緩釋抑菌劑的制備 取超高分子材料(尺寸為10 cm×5 cm×1 cm(長×寬×高)，體積為50 cm3)與100 mL復配抑菌液一同放入布氏漏斗，復配抑菌液浸潤超高分子材料，間歇性減壓(0.01～0.05 MPa)，使復配抑菌液完全飽和后取出，即得固體緩釋抑菌劑.

1.3 超高分子材料的表征

1.3.1 孔隙率的測定 將超高分子材料切割成1 mm左右的薄片，鍍金后制備成樣品，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察超高分子材料的微觀結構[8].運用ImageJ軟件對掃描電鏡圖進行分析，可得孔徑和表觀密度，由此計算出孔隙率[9-10].孔隙率n的計算公式為n=(ρA/ρ)×100%.其中，ρA為樣品的表觀密度，g·cm-3；ρ為樣品的實際密度，g·cm-3.

1.3.2 力學性能的測定 取超高分子材料，通過萬能測試機和擺錘式沖擊試驗機對其拉伸斷裂強度和抗沖擊性能進行測試[11].

1.3.3 抑菌液吸附量和吸附率的測定 取50 cm3的超高分子材料，采用節1.2.2方法吸附復配抑菌液后，精密稱量質量，記為m1，將其破碎后，放入90 ℃烘箱中烘干6 h后取出，精密稱量質量，記為m2.抑菌液吸附量M的計算公式為M=(m1-m2)/V，其中，V為超高分子材料的體積.抑菌液吸附率r=(m1-m2)/m1×100%[12-13].

1.4 固體緩釋抑菌劑緩釋和分布效果的測定

1.4.1 空氣中抑菌劑質量濃度的測定 以抑菌劑中含量最高的樟精油成分作為空氣中抑菌劑質量濃度的監測成分，采用吸附管采樣-熱脫附法測定空氣中抑菌劑質量濃度[14-15].

1.4.2 空氣中抑菌劑分布均勻度的測定 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的潔凈密閉恒溫箱中(溫度為25 ℃，相對濕度為90%，下文恒溫箱條件相同).將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱中央位置，分別于0，5，10，15，30，45，60，90，120 min的時間點采集空氣樣本，5個采樣點分別位于恒溫箱正中及4個邊角靠近底座處，由此可得不同采樣點的抑菌劑質量濃度及其隨時間的變化情況，并繪制不同采樣點的抑菌劑質量濃度-時間(ρn-t)變化曲線.

1.4.3 固體緩釋抑菌劑釋放時間的測定 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的潔凈密閉恒溫箱中.將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱中央位置，每天采集空氣樣本，采樣點位于恒溫箱中部，檢測空氣中抑菌劑質量濃度，并繪制空氣中抑菌劑質量濃度-時間變化曲線.

1.5 固體緩釋抑菌劑抑菌效果的測定

1.5.1 空氣自然菌的采集 根據文獻[16]的技術操作步驟，采用自然菌沉降法對空氣中的細菌數量進行檢測[17].在消毒前及消毒后0，6，12，24，72，120 h，于室內中央及4個角落分別采樣，在離地面高10 cm處放置瓊膠培養皿，并在空氣中暴露30 min.然后，將采集到的樣本培養48 h，計算平均菌落數.空氣中總菌落數的計算公式為

B=50 000N/AT.

上式中：B為空氣中總菌落數，cfu·m-3；A為培養皿面積，cm2；T為培養皿暴露時間，min；N為培養皿平均菌落數，cfu·培養皿-1.

1.5.2 不同消毒方法抑菌效果的檢驗 采用不同消毒方法對1 m3的恒溫箱進行消毒，消毒結束后進行自然通風，分別于消毒前及消毒后0，6，12，24，72，120 h，采用自然菌沉降法采集空氣中的細菌和病毒，進行培養計數.設置1個實驗組和3個對照組，根據文獻[16]的技術操作步驟，將紫外燈消毒法、過氧乙酸消毒法作為陽性對照，將不做任何處理作為空白對照.3個對照組分別在與實驗組相同的時間點采集空氣樣本，計算空氣中總菌落數，從而比較不同消毒方法的抑菌效果.

固體緩釋抑菌劑、紫外燈消毒法和過氧乙酸消毒法的消毒過程如下.

1) 固體緩釋抑菌劑.取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的恒溫箱中，消毒時間為1 h.

2) 紫外燈消毒法.使用30 W紫外線燈對1 m3的恒溫箱進行消毒滅菌，紫外線燈輻射強度>70 μW·cm-2，恒溫箱中連續照射消毒1 h.

3) 過氧乙酸消毒法.采用過氧乙酸霧化熏蒸消毒，準備質量分數為0.5%的過氧乙酸溶液，將過氧乙酸溶液通過氣溶膠噴霧器進行霧化，在1 m3的恒溫箱中進行熏蒸消毒，過氧乙酸用量為1 g·m-3，消毒時間為2 h.

1.5.3 染菌載體的制備 采用大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、日溝維腸桿菌和白色念珠菌4種較為常見的致病菌作為試驗菌，進行載體染菌殺滅試驗.根據文獻[16]的技術操作步驟，制備試驗菌懸液.取4種試驗菌懸液各10 μL滴染于脫脂棉布片(2 cm×2 cm)上，置于37 ℃恒溫箱中，干燥30 min后，制成染菌載體片，回收菌量為5×105～5×106cfu·片-1，備用.

1.5.4 固體緩釋抑菌劑抑菌效果的檢驗 取50 cm3的固體緩釋抑菌劑，置于1 m3的無菌密閉恒溫箱中.分別在1，3，5，10 d，將染菌載體放入恒溫箱中培養，30 min后取出菌片，洗脫并培養48 h，計算平板菌落數，計算殺滅率L.每組設置3個平行試驗，取平均值，計算平均殺滅率Lave.

2 結果與分析

2.1 超高分子材料的表征

超高分子材料是由超高分子量聚乙烯和高分子聚丙烯原料燒結而成，具有優秀的機械強度、疏松多孔的空間結構，以及穩定的理化性質.使用SEM觀察超高分子材料樣品的表觀結構，發射電壓為10 kV，放大倍數分別為300，500，800倍.

超高分子材料掃描電鏡圖，如圖1所示.由圖1可知：通過半熔融燒結技術制得的超高分子材料具有多孔結構，通過ImageJ軟件進行分析，得到的孔徑約為30～80 μm，經計算得到超高分子材料的表觀密度為0.29 g·cm-3，孔隙率為69.17%.

(a) 300倍 (b) 500倍 (c) 800倍

疏松多孔的結構表明，超高分子材料具有良好的貯存能力.30～80 μm的孔徑表明，超高分子材料具有較強的空間位阻，能夠極大延緩流體的通過速率，故具有良好的緩釋能力，能夠使抑菌劑緩慢、勻速地通過孔隙擴散并釋放.因此，選擇超高分子材料作為抑菌液的載體，用于吸附和緩釋抑菌成分.

表1 超高分子材料的表征結果

由表1可知：超高分子材料拉伸斷裂應力均值為28.79 MPa，抗沖擊強度均值為78.85 kJ·m-2，這表明超高分子材料具有高強度的力學性能，結構和形態穩定性良好；超高分子材料的抑菌液吸附量均值為0.58 g·cm-3，吸附率均值為141.38%，這表明超高分子材料內部疏松多孔的結構能夠吸附大量的抑菌液.

綜上可知，超高分子材料能夠用于抑菌液的吸附和緩釋，超高分子材料具有良好的結構穩定性及較高的抑菌液吸附率，能夠吸附大量的抑菌液，從而延長抑菌劑的作用時間.

2.2 固體緩釋抑菌劑的緩釋和分布效果

2.2.1 固體緩釋抑菌劑的釋放時間 將固體緩釋抑菌劑置于恒溫箱內，每天檢測恒溫箱空氣中抑菌劑質量濃度，由此得到空氣中抑菌劑質量濃度-時間變化曲線，如圖2所示.

圖2 空氣中抑菌劑質量濃度-時間變化曲線

由圖2可知：空氣中抑菌劑質量濃度在前10 d內保持相對穩定，第10 d后開始降低，這是因為超高分子材料對抑菌液吸附量有限，持續釋放10 d后，抑菌劑的釋放速率減緩，釋放速率小于自然沉降速率，故空氣中抑菌劑質量濃度開始逐漸降低；第11 d，空氣中抑菌劑質量濃度仍大于60 mg·cm-3，能夠達到有效抑菌濃度；第12 d，空氣中抑菌劑質量濃度降至30 mg·cm-3左右，未達到有效抑菌濃度；第13 d后，抑菌劑質量濃度降至接近0 mg·cm-3，表明固體緩釋抑菌劑已經完全釋放.

由此可知，以超高分子材料為載體的固體緩釋抑菌劑持續釋放時間為11 d，釋放過程中抑菌劑質量濃度保持相對穩定.

2.2.2 空氣中抑菌劑的分布均勻度 測定恒溫箱5個采樣點不同時間的抑菌劑質量濃度，抑菌劑質量濃度-時間變化曲線，如圖3所示.圖3中：采樣點1為中部采樣點；采樣點2～5為4個角落的采樣點.

圖3 不同采樣點抑菌劑質量濃度-時間變化曲線

由圖3可知：30 min之前，中部采樣點質量濃度較高；45 min之后，各采樣點的抑菌劑質量濃度無明顯差異，說明抑菌劑由中部向四周擴散；各采樣點的抑菌劑質量濃度在45 min之后均達到最高值且保持穩定，抑菌劑質量濃度分布均勻.

因超高分子材料的骨架空間位阻作用，抑菌液的擴散和氣體的揮發受到限制，抑菌液的平均釋放速率在一定時間內保持恒定，呈零級釋放動力學特征.在45 min之后，抑菌劑質量濃度達到峰值，且不再繼續升高，此時，抑菌劑的釋放速率與其自然沉降速率達到動態平衡，空氣中抑菌劑質量濃度處于相對穩定狀態.

2.3 固體緩釋抑菌劑的抑菌效果

2.3.1 不同消毒方法抑菌效果的對比 在不同時間點對空氣樣本進行菌落培養計數，比較不同消毒方法的抑菌效果，結果如表2所示.

由表2可知：3種消毒方法都可以達到顯著的抑菌效果，紫外燈滅菌法和過氧乙酸滅菌法在短時間內的抑菌效果優秀，但24 h后恒溫箱空氣中菌落數逐漸恢復正常水平；固體緩釋抑菌劑不僅在短時間內對病菌的殺滅效果表現優秀，并且對細菌的抑制效果能夠保持長時間，在作用期間，固體緩釋抑菌劑的抑菌效果顯著且穩定.

表2 不同消毒方法的抑菌效果

2.3.2 固體緩釋抑菌劑對不同菌種的抑菌效果 對固體緩釋抑菌劑進行抑菌效果檢驗，采用4種常見的致病菌進行試驗，結果如表3所示.

由表3可知:在10 d內，固體緩釋抑菌劑對4種常見致病菌的平均殺滅率均高于99 %，說明固體緩釋抑菌劑能夠顯著抑制4種致病菌.因此，固體緩釋抑菌劑能夠應用于日常不同場所的消毒抑菌.

表3 固體緩釋消毒劑的抑菌效果

3 結論

采用揮發性中西藥復配抑菌液作為主藥成分，采用超高分子材料作為載體，制備長效的固體緩釋抑菌劑.通過半熔融燒結技術制得的超高分子材料具有特殊的分子微觀結構、良好的力學性能和結構穩定性，超高分子材料內部相互堆砌形成微孔，能夠很好地吸附抑菌液，具有較高的抑菌液吸附率.超高分子材料通過空間位阻作用對抑菌液進行緩釋，延緩抑菌液的擴散和揮發速率，延長抑菌時間.中西藥復配抑菌液主要成分包括中藥提取物(大黃、姜黃、苦參和金銀花等)和季銨鹽類衍生復合物，將中藥與季銨鹽類消毒劑配伍，可提高消毒劑的消毒效果與穩定性.中西藥復配抑菌液具有較強揮發性，能夠揮發并隨空氣流動分布于周圍環境的空氣中，與含氯消毒劑、乙醇消毒劑相比，中西藥復配抑菌液不僅能夠在空氣中保持長時間的持續抑菌效果，而且具有更溫和的性質，無明顯的生理刺激性，具有更高的安全性.對固體緩釋抑菌劑的抑菌效果進行檢驗，結果表明，制得的固體緩釋抑菌劑抑菌效果優秀，能夠顯著抑制多種常見的致病菌.

固體緩釋抑菌劑具有優秀的力學性能及緩釋性，不僅彌補了傳統液體抑菌劑在使用、運輸和儲存上的不便性，而且延長了抑菌劑的作用時間，無需頻繁更換，節約成本的同時又可減少對環境的污染.與傳統的消毒方法相比，固體緩釋抑菌劑不僅表現出優秀的抑菌效果，對一定范圍環境中的多種致病菌具備顯著的抑菌作用，而且作用時間大為延長，能夠保持長達11 d的持續抑菌，為大眾的日常消毒抑菌防護提供了新的選擇.

在1 m3的較小空間內對固體緩釋抑菌劑的緩釋性能和抑菌效果進行考察，實際應用中需要采用更多的固體緩釋抑菌劑才能達到有效抑菌質量濃度.今后的研究將采用不同分子量原料、不同工藝制備超高分子量材料，得到不同結構的超高分子材料，通過調整超高分子材料的大小和形狀，增強其吸附和緩釋性能，使其吸附更多抑菌液，延長作用時間，擴大作用范圍，增強抑菌效果，使固體緩釋抑菌劑具有更廣闊的應用前景.