Green Chem: 氨基酸改性木质素作为抗菌材料并用于口罩等个人防护设备

随着环境污染问题的日益严重，口罩等个人防护设备的需求量逐日增加。传统的口罩等防护材料，极度依赖石油等非可再生的化石能源，而且生产工艺复杂。木质素作为一种可再生的生物质能源，表面含有丰富的含氧官能团。如果能够将其表面的基团进行改性，例如嫁接上具有抗菌效果的氨基酸，则可以将其设计为具有抗菌活性的高分子材料。

基于这一设想，华南理工大学邱学青课题组钱勇教授利用酶解后的木质素残渣为原料，通过氨基酸进行改性，成功制备了一种木质素抗菌材料，并成功应用于口罩等个人防护设备中。

如上图所示，首先作者通过曼尼希反应，将精氨酸、组氨酸和赖氨酸嫁接到木质素表面。核磁和红外光谱表征均表明这一反应可以有效的对木质素进行改性。

随后作者又对不同氨基酸种类和不同氨基酸含量修饰的木质素进行了分子量，聚合分散度，羧基、酚羟基和氨基酸接聚度进行了表征，并将结果汇总于表1中。氨基酸改性后的木质素对分子量，聚合分散度以及表面酚羟基的含量影响不大。随着氨基酸接聚度的增加，改性后材料的羧酸含量明显增加。

关于改性后木质素材料的物理性质，作者也进行了详细的表征，其中包括流动电势，尺寸分布和水接触角。随着精氨酸含量的增加，流动电势从-1425 变为 -1360 mV, 同时材料的微观尺寸从54纳米降到了25纳米，但是水接触角仅仅从43度降到了41度。嫁接不同种类的氨基酸其物理性质的改变也不尽相同。

随后作者对所制备材料的生物性质进行了一系列表征。首先是合成材料的溶血活性和毒性。如图3a所示，相比于没有修饰的木质素，氨基酸修饰之后其溶血活性显著增加，同时氨基酸接聚度和种类的不同而变化。精氨酸由于富含异硫氰酸胍官能团，溶血活性较其他氨基酸更强。细胞毒性测试表明，低浓度条件下（< 1 mg/mL），氨基酸改性的木质素材料基本没有毒性。随着浓度增加其细胞存活度也能保持在85%以上。

随后作者进一步开展了制备材料的抗菌活性测试并选取了两种革兰氏阳性细菌-金黄色葡萄球菌和粪肠球菌进行了接下来的实验。如图4所示，没有改性的木质素抗菌活性很低，而改性之后抗菌活性显著增加。EHL-Arg-40表现最为优异。

对于革兰氏阴性的大肠杆菌和铜绿假单胞菌，作者与进行了抗菌活性测试。如图5所示，对于这一类细菌，所制备的材料抗菌活性并不强。仅仅能够杀死50%左右的细菌。

为了进一步研究细菌的繁殖过程，作者还对不同的系统进行了时间追踪。如图6所示，精氨酸改性的木质素材料相比其他两种氨基酸，对革兰氏阳性细菌的抑制作用最为显著，经过50小时起浓度仍然没有显著增加。

为了研究所制备的木质素材料对于细菌抑制作用的机理，作者对作用前后的细胞进行了扫描电镜表征。通过表征可以发现，这种材料主要是作用于细胞膜，通过破坏细胞膜的结构从而抑制细菌的增长。

通过石英微天平，作者研究了不同的氨基酸改性的木质素材料在细菌表面的吸附能力。如图8所示，精氨酸改性的木质素EHL-Arg-40仍然表现出了最强的吸附能力。

通过原子力显微镜，作者还测试了细菌与氨基酸改性木质素的结合能力。如图9所示，改性后的木质素对革兰氏阳性的细菌结合能力较强，黏着力达到0.39 mN/m，而对于革兰氏阴性的细菌仅仅只有0.15 mN/m。

结合上述表征，最终作者提出了氨基酸改性后木质素对细菌的抑制机理。如图10所示，木质素中酚羟基本身对细胞膜具有很强的吸附能力，并对细胞膜起到破坏作用。而氨基酸引入之后，增加了材料的静电和疏水特性，进一步加大了对细胞的破坏能力，从而起到杀菌的作用。

为了验证这一材料的实用性，作者最后还将其应用到口罩的制备材料中。如图11所示，通过这种氨基酸改性的木质素材料填充的口罩，其大肠杆菌抑制性明显增加，中层和底层几乎没有大肠杆菌的发现。

通过扫描电镜，作者还观察了这种无纺布的微观结构。如图12所示，这种材料可以与无纺布很好的结合而不影响透气性。经过细菌侵蚀之后，添加这种木质素材料的无纺布明显细菌残留量更少，这也表明其细菌杀死能力更强。而经过水洗之后，未添加木质素材料的无纺布表明仍有很多细菌，而添加木质素材料的无纺布表明的细菌则可以完全清除。

作者通过对木质素材料进行氨基酸改性，成功的制备了一种具有抗菌效果的氨基酸改性木质素材料。这种材料制备简单且成本低廉，在今后的个人防护设备中有着广阔的应用空间。

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/gc/d0gc01505a#!divAbstract

Amino acid functionalized lignin polyampholyte as natural broad-spectrum antimicrobial agent for high-efficient personal protection, K. Chen, X. Qiu, D. Yang and Y. Qian, Green Chem., 2020, DOI: 10.1039/D0GC01505A.