8-羥基喹啉與聚乳酸（PLA）、聚氨酯（PU）等可降解聚合物共混紡絲

8-羥基喹啉（8-HQ）與聚乳酸（PLA）、聚氨酯（PU）等可降解聚合物的共混紡絲技術，通過將抗菌功能與生物降解性結合，在醫用縫合線、抑菌包裝材料及組織工程支架等領域展現獨特優勢。該過程需從相容性調控、紡絲工藝優化及功能協同機制入手，實現材料抗菌活性與力學性能的平衡，以下是關鍵技術路徑與應用特性的解析：

一、共混紡絲的相容性基礎與改性策略

1. 與聚合物的界面作用機制

極性差異與分散挑戰：8-羥基喹啉分子含極性羥基與喹啉環，而 PLA（疏水性）、PU（極性鏈段與非極性鏈段共存）的極性差異導致相容性有限。未改性時，它在 PLA 基體中易形成微米級團聚體（粒徑＞5 μm），破壞紡絲液均勻性，導致纖維力學性能下降（斷裂強度降低 20% 以上）。

界面改性方法：

表面羥基化處理：通過硅烷偶聯劑（如 KH-560）對8-羥基喹啉進行改性，其環氧基團與8-羥基喹啉羥基反應，引入可與 PLA 酯基形成氫鍵的硅氧烷鏈，使團聚體粒徑降至 1 μm 以下，共混體系儲能模量（E'）提升15%。

嵌段共聚增容：在 PU 合成中引入8-羥基喹啉衍生的二元胺（如 8-HQ - 己二胺），通過擴鏈反應將它共價接入 PU 分子鏈，形成 “硬段 - 8-HQ - 軟段” 嵌段結構，使其分散度提高 40%，且紡絲液黏度穩定性（25℃下靜置 4 小時黏度變化＜5%）顯著改善。

2. 紡絲液制備的關鍵參數

PLA/8-HQ 體系：采用二氯甲烷（DCM）/N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）混合溶劑（體積比 7:3），8-羥基喹啉含量控制在 3%-5%（質量分數），溶液濃度 15%-20%（w/v），在 60℃下磁力攪拌 4 小時，可形成均相紡絲液。過高濃度（＞5%）會導致其結晶析出，紡絲時出現噴絲孔堵塞。

PU/8-HQ 體系：選擇四氫呋喃（THF）作為溶劑，利用 PU 的氨酯鍵與8-羥基喹啉的羥基形成氫鍵，在其含量≤8% 時可自發形成穩定分散體系，無需額外增容劑。紡絲液溫度控制在 40℃，避免它熱分解（其分解溫度約 210℃，但高溫下與 PU 的氨基可能發生副反應）。

二、紡絲工藝優化與纖維結構調控

1. 靜電紡絲中的功能 - 結構協同

工藝參數對纖維性能的影響：

電壓與接收距離：PLA/8-HQ 體系在 15 kV 電壓、15 cm 接收距離下，可獲得直徑 500-800 nm 的均勻纖維，孔隙率 70%-80%，比表面積 15-20 m²/g。此時8-羥基喹啉以無定形狀態分散于 PLA 基體，抗菌性能優（對大腸桿菌抑菌率＞99%）。若電壓過高（＞20 kV），它可能因電場作用發生取向聚集，導致局部濃度過高而降低纖維韌性。

PU/8-HQ 體系的特殊優勢：PU 的高彈性賦予纖維良好的延展性（斷裂伸長率＞300%），通過調整紡絲液中8-羥基喹啉含量，可調控纖維表面粗糙度 ——8% 含量時，纖維表面形成納米級凸起（高度 200-300 nm），不僅增加抗菌位點，還能通過物理屏障抑制細菌黏附，較光滑表面纖維的細菌黏附量減少 70%。

2. 熔融紡絲的可行性與限制

PLA/8-HQ 熔融紡絲：需控制溫度在 180-190℃（低于 PLA 熔點 200℃，避免 8-HQ 分解），螺桿轉速 30-40 r/min，8-羥基喹啉含量≤2%。此時纖維力學性能接近純 PLA（拉伸強度 40-45 MPa），但抗菌持久性顯著提升 —— 經 50 次洗滌后，2% 8-HQ/PLA 纖維的抑菌率仍保持 85%，優于傳統載藥涂層（洗滌10 次后抑菌率＜50%）。

限制因素：8-羥基喹啉在高溫下易與 PLA 發生酯交換反應，導致分子量下降（重均分子量 Mw 從 10 萬降至 8 萬以下），因此需添加 0.5% 抗氧化劑（如受阻酚類 Irganox 1010）抑制降解。

三、抗菌機制與長效性設計

1. 可控釋放模式

擴散 - 降解協同釋放：在 PLA 纖維中，8-羥基喹啉的釋放分為兩個階段：初期（0-24 小時）因纖維表面吸附的該成分快速溶出，釋放量達 30%-40%，迅速抑制細菌繁殖；后期（24 小時后）隨 PLA 基體的水解降解，它逐步釋放，在 14 天內累計釋放量達 70%-80%。體外實驗顯示，該釋放模式可使纖維在 3 周內對金黃色葡萄球菌保持 90% 以上的抑菌率。

PU 纖維的 pH 響應釋放：PU 中的氨基甲酸酯鍵在酸性環境（如感染部位 pH 5.5）下水解速率加快，促使8-羥基喹啉釋放速率提升 2 倍。當它與 PU 通過共價鍵結合時，該響應性更顯著 ——pH5.5時24小時釋放量為 pH 7.4 時的 3 倍，實現 “感染部位按需釋藥”。

2. 抗生物膜與細胞相容性平衡

生物膜抑制效果：8-HQ/PLA 纖維表面的 8-HQ 可破壞細菌生物膜的胞外多糖基質。掃描電鏡觀察顯示，14 天后纖維表面的銅綠假單胞菌生物膜厚度僅為純 PLA 纖維的 1/3，且活菌數減少 80%。

細胞毒性調控：8-羥基喹啉的含量＞5% 時，纖維對成纖維細胞的增殖抑制率＞20%，因此醫用場景中建議將其含量控制在 3% 以內，并復配 0.5% 殼聚糖（CS），通過 CS 的正電荷與 8-HQ 的負電荷中和，降低細胞毒性 —— 實驗顯示，3% 8-HQ + 0.5% CS/PLA 纖維的細胞存活率達 90% 以上，同時保持抗菌活性。

四、應用場景與性能優勢

1. 醫用可降解縫合線

性能組合：8-HQ/PLA 縫合線（直徑 50-100 μm）的拉伸強度達 35-40 MPa，接近天然蠶絲，且在體內降解周期（8-12 周）與傷口愈合時間匹配。動物實驗表明，該縫合線可使術后感染率從 15% 降至 3%，且降解產物（乳酸與 8-HQ 代謝物）無系統毒性。

與傳統抗菌縫合線的對比：相較于載銀 PLA 縫合線，8-HQ/PLA縫合線無銀離子釋放導致的細胞毒性，且對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的抑菌效果更穩定（抑菌環直徑15-18mm vs銀離子的10-12 mm）。

2. 食品抑菌包裝材料

8-HQ/PU 納米纖維膜特性：將8-羥基喹啉的含量 5% 的 PU 納米纖維膜（厚度 50-100 μm）用于鮮切果蔬包裝，在 4℃儲存條件下，可使菌落總數在 7 天內控制在 10³ CFU/g 以下（未處理組達 10⁵ CFU/g），且纖維膜可在土壤中 3 個月內降解 90%，優于傳統聚乙烯（PE）包裝膜（不可降解）。

保鮮機制：8-羥基喹啉除抗菌外，還能螯合果蔬釋放的乙烯氣體（通過與乙烯分子中的雙鍵配位），延緩果實成熟，使草莓的貨架期從 3 天延長至 7 天。

五、技術挑戰與未來方向

1. 當前面臨的問題

高溫加工適應性：8-羥基喹啉的熱穩定性限制了其在高熔點可降解聚合物（如聚己二酸 - 對苯二甲酸丁二酯，PBAT）中的應用，需開發低溫紡絲技術（如濕紡或干紡）。

長期降解中的抗菌持續性：當聚合物降解至后期（分子量＜1 萬），8-羥基喹啉釋放速率加快，可能導致局部濃度過高，需通過核 - 殼結構設計（如 PLA/8-HQ 為核，聚己內酯（PCL）為殼）實現梯度釋放。

2. 前沿探索方向

光響應抗菌纖維：將8-羥基喹啉與光敏劑（如卟啉）共混紡入 PU 纖維，在可見光（400-500 nm）照射下，它的抗菌活性可提升 2 倍，適用于需動態調控抗菌強度的場景（如術后感染風險期的針對性強化）。

自修復抗菌纖維：在 PLA/8-HQ 體系中引入微膠囊化的修復劑（如環氧丙烷），當纖維因細菌侵蝕出現微裂紋時，微膠囊破裂釋放修復劑，與8-羥基喹啉協同抑制細菌并填補裂紋，使纖維的抗菌周期延長50%。

8-羥基喹啉與可降解聚合物的共混紡絲技術，通過界面改性、紡絲工藝優化及釋放機制設計，實現了抗菌功能與生物降解性的有機結合。從醫用縫合線到環保包裝材料，其核心優勢在于：8-羥基喹啉的螯合抗菌機制對耐藥菌高效，聚合物降解與藥物釋放的同步性減少長期毒性，以及通過結構設計實現的功能智能化。未來需進一步突破高溫加工限制與釋放精準調控，推動該材料在高端醫療與環保領域的規模化應用。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://m.huanyuhougu.cn/