随着生物医用材料的快速扩展，组织工程材料的生物降解性和抗菌性能已成为全球关注的重要课题。目前，脂肪族聚合物最能满足生物医学材料的要求，聚羟基链烷酸酯（PHAs）家族尤其受到广泛关注。聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)(P（HB-co-HV）)因其生物相容性，生物降解性以及可观的机械强度而广泛用于生物医学材料和食品包装。然而，低玻璃化转变温度（Tg），较大的球晶尺寸和缓慢的成核速率导致了P（HB-co-HV）具有脆性和较差的冲击性能。此外，其易受微生物的影响，细菌在材料表面的生长和积累会严重影响其使用安全，并导致缩短使用寿命。
近日，宁波大学王宗宝教授、苗伟俊副教授等人采用一步法合成了一种新型抗菌纳米纤维素（ECP），并采用熔融共混法制备了可生物降解纳米复合材料，性能分析结果表明，纳米复合材料具有增强的力学性能和抗菌活性。与纯P（HB-co-HV）相比，掺杂0.5 wt%-ECP的P（HB-co-HV）断裂屈服强度/伸长率分别为29.3 MPa和7.63 %，提高了38 %/59 %，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的明显抑制区约为3.0 mm。作为一种非均相成核剂，ECP优化了成核，苯酚基团与基体之间的界面相互作用促进了ECP的相容性和分散性，从而使ECP基复合材料具有优越的力学性能。P（HB-co-HV）/ECP纳米复合材料在生物医学材料中具有巨大的应用潜力，特别是在骨缺损填充材料中。
/ ECP的制备与表征 /
ECP的制备主要基于纤维素糊精磷酸酶（CDP）体外催化下a-d-葡萄糖-1-磷酸单体（aG1P）与葡萄糖4羟基缩合而成。此外，通过调整β-d-吡喃葡萄糖位置1的取代基类型，可以在纤维素表面引入抗菌基团，ECP合成机理如图1所示。1H NMR中出现了对应于苯环上的质子的特征峰以及红外光谱中苯环特征吸收峰的存在证明ECP被成功制备。同时，TEM和AFM（图2c-d）图像显示了ECP的薄片结构。ECP 的平均长度（L）为600 nm，而长宽比 （L/W） 为7。随后通过固定ECP含量，改变P（HB-co-HV）组分的量，采用锥形双螺杆挤出机混合制备P（HB-co-HV）/ECP复合材料。
图1. ECP的合成步骤。
图2. ECP的表征：（a）1H NMR、（b）FT-IR光谱、（c）TEM以及（d）AFM图像。
/ ECP的分布 /
在SEM图像中，P（HB-co-HV）/ECP纳米复合材料显示ECP尺寸约为0.5-1.5μm（图3b-e的插图）。从图3b可以看出，P（HB-co-HV）与ECP在界面处的相容性优异，这是由于ECP表面的苯酚基团促进了界面间分子链的相互作用，增强了界面连接。优异的界面相互作用也促进了ECP在聚合物基质中的均匀分散（图3b-f中的白点）。当ECP的含量达到3.0wt %时，ECP在聚合物基质中的聚集（图3f）。因此，当ECP含量低于1.0 wt%时，其在P（HB-co-HV）基质中表现出良好的分散性和相容性。
图3.不同ECP含量的P（HB-co-HV）及其复合材料脆性截面表面的SEM图像.
/ 热性能和结晶行为 /
使用DSC对复合材料的热性能进行了研究。从第一次加热曲线可以看到（图4a），纯P（HB-co-HV）的显示两个熔点，加入ECP后，复合材料的结晶度从65.4%增加到69.5%，同时Tm1对应峰面积逐渐减少，Tm2对应的峰面积逐渐增加，表明ECP促了聚合物链的排列形成更多的夹层晶体。图4b所示冷却过程进一步强调了ECP对聚合物分子链结晶的影响。并发现ECP可作为成核剂促进有序聚合物链形成细胞核，从而加速聚合物的结晶。通过POM发现在纯P（HB-co-HV）与P（HB-co-HV）/ECP复合材料中表现出不同的成核生长行为（图4c）,结果表明，ECP作为非均相成核剂，降低了关键成核所需的自由能，增加了原子核密度，最终减小了晶体的生长空间和尺寸。
图4. DSC的（a）第一次加热和（b）冷却扫描曲线，（c）P（HB-co-HV）/ECP复合材料的偏光显微镜图像。
/ 结构表征 /
使用 WAXD和SAXS了解ECP的加入对晶体结构的影响（图5a，b），发现ECP的掺入改善了晶体完美性，并增强了薄片厚度和结晶度。进一步使用ATR-FTIR研究了纳米复合材料的化学结构以及分子相互作用，如图5c-e所示。对应苯环的位于1648 cm-1处特征吸收峰的面积随着ECP浓度的增加而显著增加，表明ECP成功掺入P（HB-co-HV）基质中。此外，在1800-1620cm-1范围内的发生的C=O的吸收峰的进一步表明在纤维素表面引入的酚羟基通过与P（HB-co-HV）的-C=O形成氢键大大改善纤维素与聚合物分子链之间的相互作用，促进了两相的相容性。
图5. (a)WAXD曲线，(b) lorentz校正SAXS曲线，(c) ATR-FTIR曲线，(d)羰基拉伸区(vC=O)， (e) 1.0?wt%-ECP的c =O基团的峰分离拟合，(f) P(HB-co-HV)和ECP之间的氢键。
/ 机械性能 /
P（HB-co-HV）/ECP复合材料的机械性能如图6所示，P（HB-co-HV）的拉伸强度和杨氏模量分别为21.2 MPa和0.42 GPa，断裂伸长率仅为4.8 %。ECP含量为0.5 wt%时性能最佳，屈服强度和断裂伸长率分别为29.3 MPa和7.63 %，分别提高了38.0%和59.0%。P（HB-co-HV）/ECP复合材料力学性能改善的原因可归纳如下：纤维素表面酚基团的引入极大地改善了纤维素与聚合物分子链的相互作用，有利于纤维素在P（HB-co-HV）基体中的均匀分散，从而在成核和应力传递中发挥有效作用。
图 6. P（HB-co-HV）/ECP复合材料的（a）应力-应变曲线，（b）屈服强度，杨氏模量和断裂伸长率，以及（c）断裂表面的SEM形貌。
/ 抗菌性能 /
使用圆盘扩散法通过定性分析测试了细菌抑制活性。如图7b所示，复合材料对大肠杆菌（E. coli）的抑制区为零，这意味着ECP对大肠杆菌没有影响。在图8a中，纯P（HB-co-HV）对金黄色葡萄球菌没有抑制作用。加入ECP后，P（HB-co-HV）/ECP复合材料周围出现尺寸为1.1–3.8 mm的抑制区。P（HB-co-HV）/ECP复合材料的抗菌百分比如图8b所示，最大值约为25%。与薄膜样品相比，本工作中的注塑成型样品表现出相对较低的抗菌活性，这可能是由于暴露于材料表面的纤维素含量较低，P（HB-co-HV）/ECP复合材料的抗菌机理如下：ECP链上的苯酚基团破坏细菌细胞壁和细胞膜的结构，导致基质、碱性磷酸酶、无机离子和可溶性蛋白泄漏到细菌培养基中从而导致细菌死亡（图8c）。此外，纳米级ECP的高比表面积增加了与细菌硫辛酸，磷酸基团或羟基的相互作用，有利于细菌细胞的破坏，从而表现出优异的抗菌性能。
图7.对（a）金黄色葡萄球菌和（b）大肠杆菌的区域抑制，（c）对金黄色葡萄杆菌的抗菌百分比，以及（d）抗菌机制。
/ 总结 /
在本工作中，作者制备了高力学和抗菌性能的P（HB-co-HV）生物降解纳米复合材料，并加入一步酶催化合成的抗菌纤维素（ECP），可作为潜在的骨填充材料。合成纤维素（ECP）表面的苯酚基团和羟基增强了与P（HB-co-HV）的界面相互作用，从而促进了纤维素在聚合物基体中的均匀分散。此外，作为一种非均相成核剂，ECP提高了成核密度，改善了结晶行为，使P（HB-co-HV）复合材料具有优异的力学性能。此外，掺入0.5 wt%-ECP的复合材料对金黄色葡萄球菌表现出优异的力学性能和抗菌活性。体外酶法合成功能纳米纤维素为制备具有官能的可生物降解和生物相容性复合材料提供了一种新的策略。这项工作的结果显示了绿色双功能复合材料填充骨的潜力。
