一种苦味酸双季鏻盐、缓释薄膜材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种苦味酸双季鏻盐、缓释薄膜材料及其制备方法和应用 (Picric acid double-quaternary phosphonium salt, slow-release film material, and preparation method and application thereof ) 是由 倪春林 高珊珊 李嘉浚 王晓斌 徐奕琳 刘珊珊 郑燕珠 简海华 林键健 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于纳米纤维薄膜技术领域,具体涉及一种苦味酸双季鏻盐、缓释薄膜材料及其制备方法。所述苦味酸双季鏻盐为以苦味酸为阴离子、双季鏻盐为阳离子的复合季鏻盐,为单晶形态,单斜晶系,P2(1)/c空间群。将苦味酸双季鏻盐用于制备纤维薄膜材料：将一定量的聚丙烯腈加入DMSO和DMF的混合溶剂中,于70-90℃进行溶解,使得到浓度为12-18wt%的纺丝溶液；在所得纺丝溶液中加入一定量权利要求1-2任一项所述苦味酸双季鏻盐,使苦味酸双季鏻盐的浓度达到6-10wt%,在55-65℃进行溶解,静置消泡后进行纺丝得到苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料。本发明苦味酸双季鏻盐热稳定好,对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出良好的抗菌活性,是优异的抗菌材料,将其纺成薄膜后缓释时间长。(The invention belongs to the technical field of nanofiber films, and particularly relates to a picric acid double-quaternary phosphonium salt, a slow-release film material and a preparation method thereof. The picric acid double-quaternary phosphonium salt takes picric acid as anion and double-quaternary phosphonium salt as cationThe compound quaternary phosphonium salt is in a single crystal form and a monoclinic system, P 2(1)/ c and (4) space group. The picric acid double quaternary phosphonium salt is used for preparing fiber film materials: adding a certain amount of polyacrylonitrile into a mixed solvent of DMSO and DMF, and dissolving at 70-90 ℃ to obtain a spinning solution with the concentration of 12-18 wt%; adding a certain amount of the picric acid double-quaternary phosphonium salt according to any one of claims 1-2 into the obtained spinning solution to enable the concentration of the picric acid double-quaternary phosphonium salt to reach 6-10wt%, dissolving at 55-65 ℃, standing for defoaming, and spinning to obtain the picric acid double-quaternary phosphonium salt fiber film material. The picric acid bi-quaternary phosphonium salt has good thermal stability, shows good antibacterial activity for escherichia coli and staphylococcus aureus, is an excellent antibacterial material, and has long slow release time after being spun into a film.)
技术领域
本发明属于纳米纤维薄膜技术领域，具体涉及一种苦味酸双季鏻盐、缓释薄膜材料及其制备方法和抗菌应用。
背景技术
细菌无处不在，可附着在果蔬的表面，直接或间接影响人类的身体健康。目前，对于果蔬抗菌的方式有抗菌涂层包装、抗菌薄膜包装、抗菌垫/袋包装，而抗菌包装的制备与静电纺丝技术联用是未来的发展趋势之一，同时开发一种绿色、环保、易降解、无毒或低毒的抗菌包装符合时代发展潮流。
季鏻盐具有抗菌作用快、抗菌谱等优点，成了近年来抗菌材料领域研究的热点。季鏻盐化合物上的P带正电荷，细菌一般带负电荷，二者相互吸引，使细菌细胞中的酶代谢功能失调，丧失呼吸功能而失活。但季鏻盐耐热性差、抑制作用持续时间短，难以得到有效的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌活性的苦味酸双季鏻盐，纤维薄膜材料，并公开了制备纤维薄膜材料的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种苦味酸双季鏻盐，是以苦味酸为阴离子、双季鏻盐为阳离子的复合季鏻盐，化学结构如式（Ι）所示：
（Ι）。
优选的，所述苦味酸双季鏻盐为单晶形态，单斜晶系，P2(1)/c空间群，晶胞参数为：a为10.0640(13)Å，b为11.1562(4)Å，c为12.7012(17)Å，α为79.255(4)°，β为68.125(4)°，γ为87.731(4)。
本发明还提供上述苦味酸双季鏻盐的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一定比例的1, 4-二（溴甲基）苯和三苯基膦置于容器中，加入适量有机溶剂（优选丙酮）溶解，加热进行反应（于65-70℃搅拌回流18-24小时），反应完成后固液分离，将固相产物进行洗涤（优选丙酮）、干燥，得到双季鏻盐；所述1, 4-二（溴甲基）苯和三苯基膦的摩尔比为1：（1-1.5）；
（2）将一定量的双季鏻盐溶于适量有机溶剂（优选甲醇）中得到双季鏻盐溶液，再将一定量的苦味酸银溶于适量水中得到苦味酸银溶液，在搅拌的条件下将所述苦味酸银溶液缓慢滴加于所述双季鏻盐溶液中进行反应，所用双季鏻盐和苦味酸银的摩尔比为1:（1.6-2.4），反应完成后固液分离，将液体进行自然挥发结晶，得到晶体材料即为本发明苦味酸双季鏻盐。
一种苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：将一定量的聚丙烯腈（PAN）加入DMSO和DMF的混合溶剂中（优选DMSO和DMF的质量比1:1），于70-90℃进行溶解（恒温搅拌），得到纺丝溶液（优选浓度为12-18wt%）；在所得纺丝溶液中加入一定量所述苦味酸双季鏻盐（使浓度达到6-10wt%），在55-65℃进行溶解（恒温搅拌），静置消泡后进行纺丝得到苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料；纺丝条件优选：电压19kV，接收距离为5cm，供液速率0.75mL·h-1，滑台速度为15.0mm·s-1，环境温度为22℃，相对湿度为40%-70%。
本发明具有以下积极有益效果：
本发明苦味酸双季鏻盐热稳定好，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出良好的抗菌活性，是优异的抗菌材料，将其纺成薄膜后缓释时间长，具有一定的抗菌时效。且本发明制备方法操作简便，所需仪器设备简单，易于操作；所需溶剂耗量少，节约成本，应用范围广，利于工业化推广。
附图说明
图1为本发明苦味酸双季鏻盐的晶体结构图；
图2为本发明苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料的宏观照片（左：空白PAN薄膜；右：苦味酸双季鏻盐纤维薄膜）；
图3为本发明苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料的微观照片（左：空白PAN薄膜；右：苦味酸双季鏻盐纤维薄膜）；
图4为本发明苦味酸双季鏻盐对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌圈图（上排：大肠杆菌；下排：金黄色葡萄球菌；1为DMSO，2为苦味酸，3为双季鏻盐，4为苦味酸双季鏻盐）；
图5为本发明苦味酸双季鏻盐对大肠杆菌的MIC测定图；
图6为本发明苦味酸双季鏻盐对金黄色葡萄球菌的MIC测定图；
图7为本发明苦味酸双季鏻盐的红外光谱图；
图8为本发明苦味酸双季鏻盐的标准曲线图；
图9为本发明苦味酸双季鏻盐的纤维薄膜材料的体外缓释曲线图；
图10为本发明苦味酸双季鏻盐的热重曲线图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明，下面通过具体的实例来说明本发明的技术方案
一种苦味酸双季鏻盐纤维薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）[TPPBzTPP]Br2的制备：称取3mmol的1, 4-二（溴甲基）苯和4mmol的三苯基膦于100mL磨口锥形瓶中，加入30mL丙酮溶解，65-70℃搅拌回流20小时，有白色沉淀生成，减压抽滤，用少量丙酮洗涤3次，真空干燥，得到白色固体粉末为目标产物双季鏻盐。
（2）[TPPBzTPP][PIC]2的合成步骤：取1mmol的双季鏻盐和2mmol苦味酸银分别溶于甲醇和水中，在搅拌的条件下将苦味酸银溶液在缓慢滴加于双季鏻盐溶液中，有浅黄色沉淀生成，减压抽滤取滤液，静止，自然挥发，1-2周左右析出浅黄色晶体，主要晶体学数据见表1。
（3）[TPPBzTPP][PIC]2纤维薄膜材料的制备：称取1.5g的聚丙烯腈，加入质量比为DMSO：DMF为1：1的溶液中，在80℃恒温搅拌至完全溶解，最终配成浓度为15wt%的纺丝溶液。在纺丝溶液中加入0.8g的苦味酸双季鏻盐在60℃恒温条件下搅拌至完全溶解，静置消泡后装入干燥的注射器内，在以下条件下进行纺丝：电压19kV，接收距离为5cm，供液速率0.75mL·h-1，滑台速度为15.0mm·s-1，环境温度为22℃，相对湿度为40%-70%。最后得到浅黄色纤维薄膜，PAN和载药膜的结构清晰，纤维分布均匀，无明显的结块现象，说明此次静电纺丝较成功，宏观、微观图分别见图2、图3。
表1 实施例1苦味酸双季鏻盐的主要晶体学数据
。
取苦味酸双季鏻盐晶体进行抗菌试验，最低抑菌浓度（MIC）测定采用滤纸片法和96板法进行。其具体实施方法为：取活化后的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，接种于琼脂斜面上，放入37℃恒温箱中培养，24h后，将细菌接种于液体培养基中。将金葡萄球菌菌液稀释至浓度约为6.0 × 106 CFU·mL-1，大肠杆菌的浓度约为2.0 × 107 CFU·mL-1。配制0.5mg∙mL−1的双季鏻盐、苦味酸双季鏻盐溶液。取一批琼脂培养皿，向其中注入20μL金葡萄球菌，向另外一批培养皿注入20 μL大肠杆菌，使用涂布棒将菌液均匀涂布在培养皿中，用无菌镊子将经过灭菌和干燥的滤纸片（直径为0.60 cm）紧贴于各个琼脂培养皿表面，在每片滤纸片中注入10μL抗菌剂溶液，并用保鲜薄膜将培养皿密封。置于37℃的恒温恒湿培养箱中培养24h，测量其抑菌圈的直径大小，见表2、图4，可以看出双季鏻盐及苦味酸双季鏻盐都表现出较好的抗菌活性。将96板的A行平均分为四份，第一份为阴性对照，第二份为阳性对照，第三份为溶剂对照，第四份为空白对照；而C-E行作为双季鏻盐的最小抑菌浓度的测定，F-H行为苦味酸双季鏻盐的最小抑菌浓度的测定。首先往2个96板所需的孔分别移入100µL的液体培养基，阴性对照为卡那霉素溶液，阳性对照不加抗菌剂，溶剂对照为DMSO，往C-E、F-H行的第一孔分别加入100µL 1024µg∙mL-1的苦味酸双季鏻盐、双季鏻盐溶液，每一行分别进行二倍稀释，直到最后一孔的100µL溶液弃去；其次除了空白对照不加大肠杆菌或金黄色葡萄球菌外，往两个96板分别移入100µL的菌悬液后进行吹吸，用封口膜封好96板置于恒温恒湿培养箱中37℃培养16-20h；最后往96板中加入20uL的TTC染色剂检测抗菌物质的最小抑菌浓度，测得双季鏻盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度分别为128µg∙mL-1、64µg∙mL-1；苦味酸双季鏻盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度分别为：64µg∙mL-1、64µg∙mL-1，见图5、6。
表2实施例1苦味酸双季鏻盐材料的抗菌效果
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检测苦味酸双季鏻盐的红外光谱见图7，红外光谱中苯环和亚甲基上的C-H伸缩振动分别位于3065.34 cm-1、2941.60 cm-1和2894.82 cm-1处；苯环的C=C的伸缩振动出现在1609.89 cm-1；亚甲基的C-C伸缩振动在1158.35 cm-1处，C-P伸缩振动出现在1109.11 cm-1处；苯环上的C-H面外弯曲振动在692.13 cm-1处，-NO2伸缩振动在1551.59cm-1处。
取苦味酸双季鏻盐薄膜材料进行缓释试验。称取0.0050g的苦味酸双季鏻盐用PBS溶液作溶剂，将其稀释成不同的浓度梯度配制标准曲线，见图8；将含量为0.050g的苦味酸双季鏻盐薄膜材料0.500g置于50mL PBS缓冲溶液中，每小时取一次样，再加入等体积的新鲜PBS缓冲溶液，计算其缓释量，见图9。在前4个小时释放较快，后面8个小时释放较缓慢，具有一定的抗菌时效性。
取苦味酸双季鏻盐测定其热稳定性。称取4.22mg苦味酸双季鏻盐在氮气保护下进行试验，温度范围100-900℃，见图10。该过程出现两次质量损失，第一阶段在111℃时损失12.3%，可能为溶剂挥发所致；第二阶段在287.2℃时损失72.44%，此时该物质结构开始逐渐被分解，说明苦味酸双季鏻盐在287.2℃以下都呈较稳定的状态。
上述实施例为本发明较佳的实施方式的一部分，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。