李鹏，吕旺春，王进，孙鸿，黄楠
(西南交通大学材料科学与工程学院，材料先进技术教育部重点实验室，四川成都610031)
Surface modification by chitosan-grafted PET and evaluation of its bacterial adherence
LI Peng, LU Wang-chun, WANG Jin, SUN Hong, HUANG Nan
(Key Laboratory of Advanced Technology of Materials, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：A kind of surface was developed with chitosan molecules by chemical chain-grafting method. XPS spectrum and contact angle was carried out in order to characterize the composition and surface energy. The bacterial adherent properties of the materials were quantitatively plate counting determined by plate counting. The surface free energies obtained are used to calculate the interfacial free energies of adhesion (∆Fadh) of bacteria on the modified surface, and it is found that bacterial adhesion is energetically unfavorable on the chitosan-grafted PET.
Key words：polyethylene terephthalate (PET)；chitosan；surface modification；bacterial adhesion
摘要：通过化学方法构建了壳聚糖长链分子接枝的涤纶表面，并研究了其细菌粘附性质。XPS全谱显示接枝表面出现氮元素峰，表明壳聚糖分子已成功接枝于材料表面。表皮葡萄球菌对材料进行细菌粘附比较，平板菌落计数法的实验结果表明表面接枝了壳聚糖的PET具有一定的抗细菌粘附能力。计算细菌与材料之间的粘附自由能∆Fadh表明：细菌对PET表面的粘附自由能为负值，而细菌对壳聚糖分子接枝PET表面的∆Fadh>0，因此细菌对其表面的粘附过程难于发生，即使粘附也是可逆的。
关键词：涤纶；壳聚糖；表面改性；细菌粘附
中图分类号：TB324                  文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊

1 引言
         可植入人工心脏瓣膜所造成的术后感染将导致心内膜炎（PVE）的发生，对于瓣膜置换病人往往是一个灾难性的后果[1]，表皮葡萄球菌（SE）是PVE的主要致病菌。心内膜炎的发生是细菌首先粘附于材料的表面，随后引发一系列的宿主和生物体的反应导致的。因此，通过调控材料表面的物理化学性质来减少细菌的粘附[2]，成为有效的方法之一。本文报告通过化学方法构建了接枝壳聚糖（Chitosan）长链分子的涤纶材料表面，并研究了其对细菌粘附行为的影响。
2 实验方法
         采用化学成分与涤纶人工心脏瓣膜缝合环材料相同的PET薄膜（3M公司）作为试验用材料，将清洗并干燥好的涤纶薄膜放置于等离子体处理仪中，经Ar或O2辉光放电后通入O2，使样品在O2中静置30min，使其在试样表面产生过氧基团（-OOH）。随后将样品置入浓度为10%（v/v）的丙烯酸水溶液中，在功率为400W的紫外辐射装置中辐照30min，使表面的-OOH分解引发丙烯酸单体在PET表面接枝聚合。再将样品浸入0.1%(质量分数)的1-乙基-3-二甲基酰氨基醛碳二亚胺（WSC）溶液中，在4℃下保持5h以活化样品表面的羧酸基团。最后将样品置于壳聚糖的乙酸溶液（壳聚糖：0.1mol/L乙酸溶液=1∶49，%(质量分数)）中在4℃下反应24h后，取出样品，洗净、干燥并标记样品为PET-CHI。采用X光电子能谱（XPS）和静态液相接触角测试仪对改性前后材料表面的组成和表面能性质进行表征，Zeta电位仪测定表皮葡萄球菌和表面接枝大分子的电荷性，平板菌落计数方法分析细菌在材料表面的粘附生长情况和细菌粘附数量。
3 结果与讨论
3.1 XPS分析
         XPS的全谱分析（图1）表明在改性后的的PET表面，出现了显著的氮元素峰。由于PET材料只含C、O两种元素，改性表面的N元素来源于壳聚糖分子，这证明在PET表面成功地接枝了壳聚糖长链分子。

3.3 Zeta电位
         从材料学角度分析，材料表面与细菌细胞的电荷相互作用是影响细菌粘附的主要因素之一。在pH=7.0,温度为25℃的介质中，壳聚糖和PET的Zeta电位分别为+30.6mV和-40.0mV，表皮葡萄球菌的Zeta电位为-22.2mV。这表明细菌与PET-CHI表面的静电相互作用可能是一种静电吸引，而与PET表面是静电排斥作用。因此PET-CHI表面的抑菌作用不是由静电作用作为主要因素决定的。
3.4 细菌对于材料的粘附功
         采用Lifshitz-van del Waals/ acid-base approach (LW-AB)方法计算材料的表面能。SE及两种薄膜表面的表面能及分量的结果列于表1中。再通过粘附功计算公式（1），可以计算SE对PET和PET-CHI的粘附功分别为-28.5mJ/m2和＋55.2 mJ/m2，由热力学定律可以得知，∆Fadh<0的过程是自发进行的，而∆Fadh>0则不利于反应（过程）的发生。从表2可以看出，表皮葡萄球菌对涤纶表面的粘附功为负，这表明细菌对涤纶表面的粘附是一个自发过程，因此细菌粘附浓度高（见图2结果）。而细菌对壳聚糖接枝的PET表面的粘附功为正，粘附过程难于发生，即使粘附也是可逆的，因此，细菌PET-CHI的粘附数量降低。


         此外，Young[3]和Hadwiger[4]等认为在酸性条件下，壳聚糖分子中的质子化铵-NH3+具有正电性，吸附带有负电荷的细菌，使细菌细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均，干扰细胞壁的合成，打破了在自然状态下的细胞壁合成与溶解平衡，使细胞壁趋向于溶解，细胞膜因不能承受渗透压而变形破裂，细胞的内容物如水、蛋白质等渗出，发生细菌溶解而死亡，从而达到抗菌的效果。
4 结论
         本研究利用化学方法在医用涤纶材料表面接枝了具有抗菌作用的天然大分子物质-壳聚糖，使材料表面亲水性和表面自由能提高，改性材料表面对表皮葡萄球菌的粘附有明显的抑制作用。关于影响材料表面细菌粘附作用的其他一些性质，如表面粗糙度和表面物理构型等将在下面的工作中进行进一步的研究。

参考文献：
[1] Wang J, Huang N, Yang P, et al. [J]. Biomaterials, 2004, 35: 3163-3170.
[2] Cristina AG. Biomaterials-Centered Infection: microbial adhesion versus tissue integration. [J]. Science, 1987: 237: 1585.
[3] Young D H, Knole H, Kauss E. [J]. Plant Physiology, 1982, 70: 1449; 1983, 73: 698.
[4] Muzzarelli R, Jeuaiaux C, Gooday G W. Chitin in Nature and Technology. [J]. New York; Plenum Press, 1985: 210.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50203011)；西南交通大学校基金资助项目(2002B02)
作者简介：李鹏（1979－），男，天津人，西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，在读硕士研究生，主要从事人工心脏瓣膜缝合环涤纶材料的抗凝血表面改性与抗菌表面改性研究。

论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日