アミノグラフトポリアクリロニトリル繊維への銀ナノ粒子in situ合成による抗菌性能向上

概要

本研究では、オートクレーブ内でのアミダチオン反応により、アミノハイパーブランチポリマー（HBP）グラフトポリアクリロニトリル（PAN）繊維を調製しました。調製されたPAN-G-HBP繊維は、アミノHBPのアミノ基を通じてAg⁺を錯形成し、高温蒸気条件下でHBPの還元性によりAg⁺をAg⁰に変換できます。PAN-G-HBPとAgナノ粒子（NPs）被覆繊維をFTIR、UV-Vis DRS、FE-SEM、EDS、XPSおよび抗菌測定で特性評価しました。FTIR結果でHBPがPAN繊維表面にグラフトされていることを確認。FE-SEMでHBPグラフト後、PAN繊維平均直径が増大することを示しました。EDS、XPS、UV-Vis DRS法で、高温蒸気条件下かつHBP還元性により、Ag NPsがPAN-G-HBP上に均一に被覆されることを確認。Ag NPs被覆繊維は、大腸菌と黄色ブドウ球菌に対して優れた抗菌性を示しました。家庭洗濯20回条件下でも、Ag NPs被覆PAN繊維の抗菌減少率は98.94%以上を達成しました。

はじめに

ポリアクリロニトリル（PAN）繊維は、アクリロニトリル単量体のラジカル重合により得られ、耐候性、耐光性、耐酸性、耐酸化性に優れています[1-3]。一般にPAN繊維はウール生地の代替や混紡に用いられ、カーテンなどインテリア装飾布に適しています[4-6]。PAN繊維製品はフワフワで柔らかく、超微細径と大きな比表面積を持ちます[4-6]。しかし、PAN分子構造に官能基が欠如しているため、工業利用が制限されています[7]。PAN繊維のシアノ基は、アミノ化、アミドキシム化、スルホン化などさまざまな活性基に容易に変換でき、これらをさらにグラフトして機能性PAN繊維を得て、様々な分野へ応用拡大できます[8-11]。Wangら[12]は、水媒介加水分解とオートクレーブ内アミダチオン反応により、ハイパーブランチポリエチレンイミン（HPEI）でPAN繊維修飾を研究。得られた繊維は、小型金ナノ粒子（NPs）調製における担体と安定化剤として成功裏に使用できました。Juら[13]は、PAN繊維表面へのポリアミドアミン成長を研究し、処理繊維がウラン吸着により海水から抽出可能であることを発見。これらの報告では、HPEIは高価なポリマーであり、PAN繊維グラフト制御が常に困難で多くのステップを要します。

銀は広く使用される材料で、細菌、真菌、ウイルスに対する効果が実証されています。Ag NPs含有繊維は、バイオテキスタイル、創傷被覆材、生物防護材料、スポーツウェアなど多様な用途で調製されています。研究はAg NPsと繊維の結合改善を試みています[14]。グルコース、ホウ素水素化ナトリウム（NaBH₄）、ポリフェノールなど多くの還元剤がAg⁺還元によるAg NPs取得に使用されてきました。繊維へのコーティング戦略は主に溶液ベース組立技術に依存し、パッドドライキュア、スプレー、in situ析出、ゾルゲルコーティングが主に含まれます。さらに、酢酸ビニル、ポリウレタン樹脂、アクリル酸エステルポリマーが繊維上の銀NPs固定に不可欠でした[15]。したがって、繊維表面へのAg NPs応用はしばしば困難で多くのステップを要します[16]。

先行研究で、複数アミノ基と内部ナノキャビティを持つ球状三次元構造のアミノハイパーブランチポリマー（HBP）を合成しました[17]。末端アミノ基が重金属粒子と化学吸着しやすく、ナノキャビティを銀NPsとZnO NPsの制御合成に応用しました[18-22]。

本研究では、PAN繊維の抗菌性向上のためAg NPs被覆PAN繊維を調製しました。まず、PAN繊維をマトリックスとし、アミノHBPをPAN繊維にグラフトしてポリアミン修飾PAN繊維を調製。次にコーティングプロセスで、HBPを錯形成剤として水溶液中のAg⁺を捕捉し、高温蒸気条件下でアミノ基によりAg⁺をAg⁰に還元。アミノHBPは三次元球状構造と内部ナノキャビティでAg NPsを閉じ込め、さらなる凝集を防止。報告手法と比較して、HBP合成プロセスはシンプルで低コスト。コーティングプロセスでは、HBPが還元剤とバインダーとしてAg NPsをPAN繊維表面に固定し抗菌性を付与し、他の助剤は使用しませんでした。

方法

材料

長さ2-3 cmのPAN繊維を中国蘇州偉源から入手。アクリロニトリル（95 wt%）、メチルアクリレート、微量スチレンスルホン酸ナトリウム（5 wt%）、アミノHBPの共重合体を先行論文[17]で調製。硝酸銀（AgNO₃、分析純）と硫酸バリウム（BaSO₄、分光純度）を中国国薬化学試薬から購入。黄色ブドウ球菌（S. aureus、ATCC 6538）と大腸菌（E. coli、ATCC 8099）を上海盧威科技有限公司（中国）から入手。

PAN-G-HBP繊維の合成

オートクレーブ内で、アミノHBP溶液20 mLを4、8、16、24 g/Lで調製し、1 g PAN繊維を添加。混合物をオートクレーブで密封し、120℃で2時間反応。冷却後、水とエタノールで別々に洗浄。80℃で60分乾燥してPAN-G-HBP繊維を得ました。

Ag NPs被覆PAN-G-HBP繊維の調製

一定量のPAN-G-HBP繊維を0.1-0.5 mM AgNO₃水溶液に、浴比1:30で60分浸漬。その後、蒸気エンジン（BTZS10A、中国）で100℃、30分蒸気処理。次に脱イオン水で洗浄し、60℃で乾燥してAg NPs被覆PAN繊維を得ました。

測定

フーリエ変換赤外（FTIR）分析スペクトルをNicolet 5700 FTIR分光光度計（Thermo Electron Corporation、USA）で測定。繊維表面形態を電界放出型走査型電子顕微鏡（FE-SEM、Scios DualBeam、チェコ）とエネルギー分散型X線分光法（EDS、Carl Zeiss、EVO 15、Oberkochen、ドイツ）で評価。繊維引張特性を繊維試験機（ZEL-A-2、上海、中国）で調査。Ag NPs被覆PAN繊維の紫外可視漫反射分光法（UV-Vis DRS）をUV-2550（Shimadzu、日本）で実施、BaSO₄粉末を基準。X線光電子分光法（XPS）分析をXSAM 800電子分光計（Kratos、UK）で実施。PAN繊維中Ag含有量を誘導結合プラズマ原子発光分光法（ICP-AES、Vista MPX、Varian、USA）で測定。Ag含有量を式(1)で計算。

Ag含有量 (mg/g) = C×V / M …… (1)

ここでC (mg/L)は溶液中Ag濃度、V (L)とM (mg)は溶液体積と繊維重量。

PAN、PAN-G-HBP、Ag NPs被覆PAN繊維の抗菌活性を、黄色ブドウ球菌と大腸菌の増殖キネティクス研究[23]で試験。繊維0.8 gをそれぞれS. aureusとE. coli菌液に入れ、37℃で6時間振盪培養し、30分ごとにサンプリング。菌液光学密度を546 nmで紫外可視分光光度計（UV-3010、Hitachi、日本）測定。上記繊維のE. coliとS. aureusに対する抗菌率を、シェーキングフラスコ法でGB/T 20944.3-2008（中国）[24]に従い試験。Ag NPs被覆PAN繊維の洗濯耐久性をGB/T 20944.3-2008（中国）で評価。繊維を0.2%（w/v）AATCC WOB標準洗剤溶液150 mLとスチールボール10個入りステンレス容器に入れ、40℃で45分処理。このプロセスは家庭洗濯5サイクルに相当。5回と20回洗濯サイクル後のAg含有量と抗菌活性を測定。

結果と考察

アミノグラフトPAN繊維の調製と特性評価

PAN繊維は耐食性と耐久性に優れ、優れた機械的強度と安定性を持ちます。また、シアノ基が豊富で、様々な官能部（カルボキシル、アミド、アミドキシム基）に容易に変換可能です[25]。PAN繊維表面のニトリル基を加水分解し、アミノHBPでアミダチオン反応（スキーム1）させてPAN-G-HBP繊維を得ました。PAN繊維をアミノHBP濃度0、8、16、24 g/Lでグラフト修飾。アミノHBP水溶液はアミノ基の陽イオン性によりアルカリ性。濃度が高いとアルカリ性が強くなります。高温高圧アルカリ溶液中で、PAN繊維部分酸ニトリル基（-CN）が加水分解されCOO⁻基を形成。次にCOO⁻がアミノHBP末端アミノ基と反応し-CO-NH-基を形成。この反応で白色PAN繊維が徐々に淡黄色に変化。これによりアミノHBPがPAN繊維表面に成功裏にグラフトされたことを示します[26, 27]。

グラフトPAN繊維をFTIR法で特性評価し、反応での基変化をさらに検証。純粋PAN繊維FTIRスペクトル（図1a）と比較して、PAN-G-HBP（図1b-d）には多くの新しい特徴的吸収ピークが出現。例えば、約3400 cm⁻¹の吸収ピークはHBPの一次、二次アミン、アミド基のN-H伸縮振動特徴。また、アミド基C=O伸縮振動が1651 cm⁻¹で吸収[22, 28, 29]。COO⁻の強いC=O非対称伸縮振動が1563 cm⁻¹で観察され、N-H変形とC-N伸縮振動と重複。HBPスペクトル（図1e）によると、PAN繊維に新しく出現した3436、1651、1563 cm⁻¹の吸収ピークはHBP特徴的吸収に帰属[30]。これらすべてがアミノHBPがPAN繊維に成功裏にグラフトされたことを確認。2242 cm⁻¹の強い吸収（C≡N伸縮振動特徴）もPAN-G-HBPスペクトルに存在し、PANニトリル基の一部のみが反応に参加したことを示します。理由はポリアクリロニトリルの高い分子鎖規則性により、グラフト反応が主に非晶領域で起こるため。HBPグラフト後、大きな立体障害が生じ、HBPが繊維内部へ浸透しにくくなるため[12, 29]。

PANとPAN-G-HBP繊維をFE-SEMでも特性評価。図2aは元繊維表面が滑らかで構造が緻密均一、縦溝が非常に浅いことを示します[31, 32]。アミノHBPグラフト後、繊維表面形態（図2b-d）は粗く不均一になり、中空コア構造を示します。アミノHBP濃度が高いとPAN繊維直径が大きくなります。アミノ化度増加に伴い表面形態はますます粗く、凹みが深く広がり、折れ目が明確になり、損傷度が増加。理由はアミノ化修飾が主に繊維表面で起こり、修飾後HBP体積が大きく修飾繊維空間を占有し、PAN繊維高分子鎖間結合が緩み空間が混雑するため[33]。

追加ファイル1: Fig. S1はHBP濃度の繊維重量増加への影響。アミノHBP濃度増加に伴いアミノ基数増加。キネティクスでは重量増加率がアミノHBP濃度上昇とともに増加。追加ファイル1: Fig. S2は異なるアミノHBP濃度でグラフトしたPAN繊維破断強度。アミノHBP濃度上昇に伴いPAN繊維破断強度低下。理由はアミノ化修飾が主に繊維表面で起こり、修飾後アミノHBP体積が修飾繊維の追加空間を占有し、結晶化領域の一部が破壊され繊維強度低下につながるため[10, 12]。したがって、破断強度とグラフト率のバランスを取るため、16 g/LアミノHBPをPAN繊維処理に選択しました。

Ag NPs被覆PAN繊維の調製

スキーム2はPAN繊維上への分散Ag NPs原理を描写。アミノHBPは三次元構造を持ち、多数のアミノ基と末端第一級アミノ基を含み、水中金属イオン錯形成に適しています[13, 34]。高温条件下でアミノ基が追加還元剤なしでAg⁺を還元し銀コロイド形成。PAN繊維上のこれらアミノ基が銀イオンを引き付け、還元プロセスの電子源を提供。この反応でHBPは銀イオン（Ag⁺）を銀NPs（Ag⁰）形成に還元する効率的自己還元剤として、またNPs凝集防止安定化剤として重要役割を果たします。Ag NPsはポリマー内部に閉じ込められ、成長はメッシュにより物理的に制限されます[16]。したがって、サイズとサイズ分布を効果的に制御可能。反応完了後、黄色繊維が徐々に茶色に変化。

Ag NPs被覆PAN繊維の抗菌特性

PAN-G-HBP試料を0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mM AgNO₃溶液に浸漬し、それぞれa、b、c、d、eとマークしてPAN生地に抗菌性付与。高温蒸気条件（100℃）で30分処理後、Ag NPsが繊維被覆。追加ファイル1: Table S1に試料の銀含有量とE. coli、S. aureusに対する抗菌特性を示します。PAN繊維はS. aureusやE. coliに対する抗菌活性を示さず、PAN繊維単独では細菌増殖抑制に不十分。アミノ基の陽イオン性により、PAN-G-HBP繊維は一定の抗菌活性示す[35]。これはアミノHBPがPAN繊維抗菌性を潜在的に向上させうることを示唆。対照的に、Ag NPs被覆PAN繊維はAg含有量110 mg/kgでも優れた抗菌活性示す。銀濃度270 mg/kgに達すると、PAN繊維上で細胞はほぼ生存不能。Ag NPs被覆PAN繊維の洗濯耐久性は極めて重要因子。5回と20回洗濯後、Ag被覆PANの銀含有量と抗菌活性を測定、結果を追加ファイル1: Table S2に示す。洗濯サイクル増加に伴い銀含有量と抗菌活性低下。20回洗濯後も、繊維はS. aureusで99.11%、E. coliで98.94%の細菌減少率示す。PAN繊維上Ag NPs優れた耐久性は、HBP独自化学的物理的特性による。狭い内部キャビティで銀イオンを捕捉し、静電気的・立体障害効果で更なる凝集防止[24]。さらなる特性評価のため、試料c（0.3 mM AgNO₃処理）を選択。

PAN、PAN-G-HBP、Ag NPs被覆PAN繊維（Ag含有量約270 mg/kg）存在下でのE. coliとS. aureus増殖キネティクスを研究し、Ag NPs被覆PAN繊維抗菌キネティクス評価。図6に結果示す。E. coliとS. aureus菌液光学密度（546 nm）は0.5時間後から増加開始。アミノHBP存在下では、E. coliとS. aureus菌液光学密度が1時間後から増加開始。約6時間で菌液吸光度がブランク試料と同等に。これは陽性アミノが培養初期に細菌増殖抑制するが、培養時間経過とともに抑制効果徐々消失するため[23]。対照的に、Ag NPs被覆PAN繊維存在下では、実験期間全体でE. coliとS. aureus菌液光学密度は増加せず。したがって、Ag NPs被覆PAN繊維は細菌増殖抑制だけでなく、一定程度殺菌効果も発揮。

Ag NPs被覆PAN繊維の特性評価

PAN-G-HBPとAg NPs被覆PAN繊維表面形態をFESEMでさらに調査。図3にPAN-G-HBPとAg NPs被覆PAN繊維を示し、両繊維間の明確な差異を描写。PAN-G-HBP繊維表面は平坦滑らか（図4a）だが、Ag⁺処理後PAN繊維には多数の白色スポット見られ、PAN繊維表面に均一分散。

Ag NPs処理PAN-G-HBP繊維化学的特性をEDS分析でさらに検証。元素C、O、Ag分析で白色スポットが銀か確認。図5aと追加ファイル1: S3で、PAN繊維に追加Ag元素見つかり、Ag NPsがPAN-G-HBP繊維付着由来と推定。図5b-dでC、N含むAg元素がPAN繊維表面に均一分布。特筆すべきはAgがPAN繊維表面全体に均一分布し、FESEM測定結果と良好一致。

XPSとUV-Vis DRS分析でAg NPs被覆PAN繊維のAg NPsコーティングプロセスさらに調査。図6aでPAN-G-HBP繊維がO1s、N1s、C1sピーク表示。Ag⁺処理後、373 eVに新Ag3dピーク観察、PAN繊維上Ag元素被覆示唆。Ag NPsは良い保護なしで空気曝露時に容易酸化。図6bで367.68と373.72 eVの2ピークはそれぞれ金属Ag NPsのAg3d₃/₂とAg3d₅/₂に帰属、アミノHBPによるAg NPs良好保護示唆[36]。コーティングプロセス中アミド結合変化さらに調査のためN1sコアエネルギー準位も調査（図6c, d）。材料N1sスペクトルは約399 eVで3ピーク形成、-NH₂/-NH-、-C-N-、C≡Nに帰属。図6a, c, dでN1s強度低下、N1sピーク高エネルギー側シフト観察[13, 33]。結果はN含有基がコーティングプロセスに参加すること確認。PAN繊維UV-Vis DRSスペクトルは409 nmに広いUV吸収ピーク（追加ファイル1: Fig. S4）、Ag NPs吸収由来[24]。これはPAN繊維表面にAg NPs存在示唆。

結論

PAN繊維シアノ基が活性基に変換可能であるため、本研究ではオートクレーブ内アミダチオン反応でPAN繊維をアミノHBPグラフトしました。得られたPAN-G-HBPはPANとアミノHBP反応により大きな直径を持ち、複数アミノ基を含みます。PAN繊維上アミノ基が水溶液中Ag⁺を効果的に錯形成し、高温蒸気条件下でアミノHBP還元性と保護性によりAg⁺をAg⁰ NPsに変換。測定でAg NPsがPAN繊維表面で合成・均一分布すること確認。PAN繊維Ag含有量270 mg/kgで良好抗菌性と洗濯耐久性示す。Ag NPs被覆PAN繊維は細菌増殖抑制だけでなく、一定程度殺菌効果も発揮。