复旦大学：通过静电纺丝原位嵌入氢键有机框架纳米晶体以获得超稳定的抗菌纳米纤维

颗粒在线讯：近年来，公共卫生安全受到高度重视。COVID-19的爆发对公共卫生、经济和社会产生了巨大影响。抗生素是治疗细菌或真菌感染的有效手段，但它们的滥用会导致细菌的耐药性，寻找或开发新的抗菌手段非常重要。活性氧物种（ROS）是一类高效且环保的杀菌物质，广泛应用于医疗和抗菌领域，并且不会导致耐药性。最近，氢键有机框架（HOFs）作为多孔材料，在气体吸附分离、催化、传感和生物医学等领域有广泛的应用。在光照下能够产生和储存ROS的HOFs已被用作光活性多孔分子涂层，用于长期抗菌。

近期研究中，复旦大学化学系李鹏课题组报道了一系列通过静电纺丝法制备的抗菌纳米纤维。首先，在静电纺丝之前制备了PVDF-HFP与HOF-101-H的DMF溶液。在静电纺丝过程中，DMF蒸发，固化的PVDF-HFP与HOF纳米晶体形成单个连续的纳米纤维（图1）。静电纺丝纳米纤维可以沉积到不同的基底材料上，例如纱布和无纺布或金属表面，例如锡箔（图2a）。不同的沉积基底为HOF@PVDF-HFP纳米纤维在广泛场景中的抗菌应用提供了可能性。

图1. 抗菌HOF@PVDF-HFP纳米纤维的制备及其抗菌机理示意图

如SEM图像所示（图2b-c），PVDF-HFP纳米纤维和HOF@PVDF-HFP纳米纤维的尺寸相近，约为300 nm。TEM图像可以观察到纳米纤维有明显的HOF纳米晶颗粒（图2f）。棒状HOF-101-H纳米晶的长度为60 nm。EDS结果表明，C，O和F在整个纳米复合材料中均匀分布（图2e），其中O来自HOF-101-H，F来自PVDF-HFP。此外，EDS线扫描显示C，O和F具有相同的分布趋势。这一结果表明，HOF纳米晶结构均匀地嵌入纳米纤维中，而不是散落在纳米纤维表面。

研究人员使用冷冻透射电镜进一步可视化纳米纤维中的HOF纳米晶体结构。在冷冻透射电镜图像中可以观察到HOF-101-H晶体的通道状孔结构（图2g）。可以检测到沿<0 1 1>、<0 2 2>和<0 4 4>方向的一系列晶格平面（图2h）。微观结构与HOF-101-H的理论晶体结构一致，表明所制备的纳米纤维中的HOF纳米晶体保持了较高的结晶度。

图2. 沉积在（a）纱布和（b）无纺布HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维的照片；（c）PVDF-HFP纳米纤维和（d）10 wt.% HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维的SEM图像；（e）10 wt.% HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维的EDS图像；（f）10wt.% HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维的TEM图像; （g）纳米纤维上HOF-101-H的结构轮廓与所选区域的FFT图案（插图）；（h）图g中红框区域的放大结构。

PXRD显示HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维中的衍射峰与HOF粉末匹配良好，同样也说明纳米纤维中的HOF保留了其结晶度（图3a）。由于聚合物材料堆积到HOF-101-H的孔中，HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维的N2吸附量急剧下降（图3b）。FTIR显示，由于HOF和PVDF-HFP之间形成氢键，在1690 cm−1处的C=O拉伸振动和 1415 cm−1 处的 C-O 拉伸振动，都向低波数转移（图3c）。随后评估了HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维在酸性或碱性条件下的稳定性。在pH值为14时，电纺纳米纤维保留了高于70%的HOF-101-H（图3d）。

这表明，将HOFs嵌入聚合物纳米纤维可以提高其稳定性。随着HOF-101-H浓度的增加导致复合材料的拉伸强度降低，但在添加0.5 wt.%的HOF-101-H时，复合膜的拉伸强度为8.5 MPa，与纯PVDF-HFP膜拉伸强度相当（图3e）。不同的静电纺丝时间，可以控制纳米纤维的厚度，并在50-400 mm s-1的范围内调节透气性，适用于普通医用口罩（约200 mm s-1）和N95口罩（约100 mm s-1).

图3. （a）HOF粉末和纳米纤维的PXRD衍射图谱；（b）77K的N2吸附等温线；（c）HOF-101-H粉末和纳米纤维的FTIR光谱；（d）酸性或碱性条件下复合纤维中的HOF残留量；（e）纳米纤维的拉伸强度；（f）纳米纤维的透气性。

基于HOF-101-H@PVDF-HFP纳米纤维制备的成功和良好的实验结果，研究人员进一步扩展HOFs的类型，并研究了不同纳米纤维的ROS生成效率。结果发现，相同质量的复合纳米纤维在20分钟内1O2产量的顺序为：10 wt.%>0.5 wt.%>5 wt.%>1 wt.%。考虑到HOF的利用效率，0.5 wt.% HOF@PVDF-HFP纳米纤维的1O2产率最高（图4a）。

这可能是由于随着HOF质量分数的降低，HOF纳米晶在纳米纤维中的分散更加均匀，提高了对氧和光的利用效率，从而产生更多的1O2。通过静电纺丝法制备的0.5 wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP纳米纤维在所有对照复合纳米纤维样品中表现出最佳性能（图4b）。在1O2生成性能方面，HOF-101-F@PVDF-HFP纳米纤维优于HOF-101-F涂层和微晶粉末。同时考察了不同静电纺丝时间对1O2生成性能的影响（图4c）。此外，0.5 wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP 纳米纤维在光照和暗处理5个循环后，1O2生成性能没有明显的下降（图4d）。

图4. 纳米纤维材料的1O2产率

优秀的1O2生成性能鼓励研究人员继续探索HOF-101-F@PVDF-HFP纳米纤维的抗菌性能。在模拟日光照射5 min后，1 wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP和0.5 wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP纳米纤维分别杀灭了97%和94%的大肠杆菌，优于 5 wt.% HOF-101-F @PVDF-HFP 纳米纤维（图5a）。

同时，发现HOF@PVDF-HFP静电纺丝纳米纤维的抗菌性能优于具有HOF涂层的纳米纤维。随后测试了复合纳米纤维对水疱性口炎病毒（VSV）和单纯疱疹病毒（HSV）的抗病毒作用。在模拟日光照射10 min后，用0.5wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP纳米纤维对这两种病毒的抗病毒效果超过90%（图5b）。此外，还研究了复合纳米纤维对白色念珠菌（C. albicans）和耳念珠菌（C. auris）的抗真菌作用。

在模拟日光照射2.5 min后，1wt.% HOF-101-F@PVDF-HFP对白色念珠菌和耳念珠菌的抗真菌率分别达到近55%和40%（图5c）。为了确保实际应用的安全性，研究人员测试了HOF@PVDF-HFP纳米纤维的细胞毒性。无论是否有光照，成人表皮角质细胞（HEKas）的存活率高达90%以上（图5d），这表明复合纳米纤维作为一种新的可穿戴抗菌材料的可行性。这项工作为进一步开发新的抗菌材料和设备铺平了道路。

图5. 纳米纤维材料的抗菌抗病毒性能

该成果以“In Situ Embedding Hydrogen-Bonded Organic Frameworks Nanocrystals in Electrospinning Nanofibers for Ultrastable Broad-Spectrum Antibacterial Activity”为题发表在国际顶尖期刊Advanced Functional Materials上。该论文获复旦大学启动基金、东华大学化学纤维与高分子材料改性国家重点实验室（KF2103）的资金、国家自然科学基金（31971321、82272153和52103298）的共同资助。

来源：高分子科学前沿