8-羟基喹啉与聚乳酸（PLA）、聚氨酯（PU）等可降解聚合物共混纺丝

8-羟基喹啉（8-HQ）与聚乳酸（PLA）、聚氨酯（PU）等可降解聚合物的共混纺丝技术，通过将抗菌功能与生物降解性结合，在医用缝合线、抑菌包装材料及组织工程支架等领域展现独特优势。该过程需从相容性调控、纺丝工艺优化及功能协同机制入手，实现材料抗菌活性与力学性能的平衡，以下是关键技术路径与应用特性的解析：

一、共混纺丝的相容性基础与改性策略

1. 与聚合物的界面作用机制

极性差异与分散挑战：8-羟基喹啉分子含极性羟基与喹啉环，而 PLA（疏水性）、PU（极性链段与非极性链段共存）的极性差异导致相容性有限。未改性时，它在 PLA 基体中易形成微米级团聚体（粒径＞5 μm），破坏纺丝液均匀性，导致纤维力学性能下降（断裂强度降低 20% 以上）。

界面改性方法：

表面羟基化处理：通过硅烷偶联剂（如 KH-560）对8-羟基喹啉进行改性，其环氧基团与8-羟基喹啉羟基反应，引入可与 PLA 酯基形成氢键的硅氧烷链，使团聚体粒径降至 1 μm 以下，共混体系储能模量（E'）提升15%。

嵌段共聚增容：在 PU 合成中引入8-羟基喹啉衍生的二元胺（如 8-HQ - 己二胺），通过扩链反应将它共价接入 PU 分子链，形成 “硬段 - 8-HQ - 软段” 嵌段结构，使其分散度提高 40%，且纺丝液黏度稳定性（25℃下静置 4 小时黏度变化＜5%）显著改善。

2. 纺丝液制备的关键参数

PLA/8-HQ 体系：采用二氯甲烷（DCM）/N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）混合溶剂（体积比 7:3），8-羟基喹啉含量控制在 3%-5%（质量分数），溶液浓度 15%-20%（w/v），在 60℃下磁力搅拌 4 小时，可形成均相纺丝液。过高浓度（＞5%）会导致其结晶析出，纺丝时出现喷丝孔堵塞。

PU/8-HQ 体系：选择四氢呋喃（THF）作为溶剂，利用 PU 的氨酯键与8-羟基喹啉的羟基形成氢键，在其含量≤8% 时可自发形成稳定分散体系，无需额外增容剂。纺丝液温度控制在 40℃，避免它热分解（其分解温度约 210℃，但高温下与 PU 的氨基可能发生副反应）。

二、纺丝工艺优化与纤维结构调控

1. 静电纺丝中的功能 - 结构协同

工艺参数对纤维性能的影响：

电压与接收距离：PLA/8-HQ 体系在 15 kV 电压、15 cm 接收距离下，可获得直径 500-800 nm 的均匀纤维，孔隙率 70%-80%，比表面积 15-20 m²/g。此时8-羟基喹啉以无定形状态分散于 PLA 基体，抗菌性能优（对大肠杆菌抑菌率＞99%）。若电压过高（＞20 kV），它可能因电场作用发生取向聚集，导致局部浓度过高而降低纤维韧性。

PU/8-HQ 体系的特殊优势：PU 的高弹性赋予纤维良好的延展性（断裂伸长率＞300%），通过调整纺丝液中8-羟基喹啉含量，可调控纤维表面粗糙度 ——8% 含量时，纤维表面形成纳米级凸起（高度 200-300 nm），不仅增加抗菌位点，还能通过物理屏障抑制细菌黏附，较光滑表面纤维的细菌黏附量减少 70%。

2. 熔融纺丝的可行性与限制

PLA/8-HQ 熔融纺丝：需控制温度在 180-190℃（低于 PLA 熔点 200℃，避免 8-HQ 分解），螺杆转速 30-40 r/min，8-羟基喹啉含量≤2%。此时纤维力学性能接近纯 PLA（拉伸强度 40-45 MPa），但抗菌持久性显著提升 —— 经 50 次洗涤后，2% 8-HQ/PLA 纤维的抑菌率仍保持 85%，优于传统载药涂层（洗涤10 次后抑菌率＜50%）。

限制因素：8-羟基喹啉在高温下易与 PLA 发生酯交换反应，导致分子量下降（重均分子量 Mw 从 10 万降至 8 万以下），因此需添加 0.5% 抗氧化剂（如受阻酚类 Irganox 1010）抑制降解。

三、抗菌机制与长效性设计

1. 可控释放模式

扩散 - 降解协同释放：在 PLA 纤维中，8-羟基喹啉的释放分为两个阶段：初期（0-24 小时）因纤维表面吸附的该成分快速溶出，释放量达 30%-40%，迅速抑制细菌繁殖；后期（24 小时后）随 PLA 基体的水解降解，它逐步释放，在 14 天内累计释放量达 70%-80%。体外实验显示，该释放模式可使纤维在 3 周内对金黄色葡萄球菌保持 90% 以上的抑菌率。

PU 纤维的 pH 响应释放：PU 中的氨基甲酸酯键在酸性环境（如感染部位 pH 5.5）下水解速率加快，促使8-羟基喹啉释放速率提升 2 倍。当它与 PU 通过共价键结合时，该响应性更显著 ——pH5.5时24小时释放量为 pH 7.4 时的 3 倍，实现 “感染部位按需释药”。

2. 抗生物膜与细胞相容性平衡

生物膜抑制效果：8-HQ/PLA 纤维表面的 8-HQ 可破坏细菌生物膜的胞外多糖基质。扫描电镜观察显示，14 天后纤维表面的铜绿假单胞菌生物膜厚度仅为纯 PLA 纤维的 1/3，且活菌数减少 80%。

细胞毒性调控：8-羟基喹啉的含量＞5% 时，纤维对成纤维细胞的增殖抑制率＞20%，因此医用场景中建议将其含量控制在 3% 以内，并复配 0.5% 壳聚糖（CS），通过 CS 的正电荷与 8-HQ 的负电荷中和，降低细胞毒性 —— 实验显示，3% 8-HQ + 0.5% CS/PLA 纤维的细胞存活率达 90% 以上，同时保持抗菌活性。

四、应用场景与性能优势

1. 医用可降解缝合线

性能组合：8-HQ/PLA 缝合线（直径 50-100 μm）的拉伸强度达 35-40 MPa，接近天然蚕丝，且在体内降解周期（8-12 周）与伤口愈合时间匹配。动物实验表明，该缝合线可使术后感染率从 15% 降至 3%，且降解产物（乳酸与 8-HQ 代谢物）无系统毒性。

与传统抗菌缝合线的对比：相较于载银 PLA 缝合线，8-HQ/PLA缝合线无银离子释放导致的细胞毒性，且对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑菌效果更稳定（抑菌环直径15-18mm vs银离子的10-12 mm）。

2. 食品抑菌包装材料

8-HQ/PU 纳米纤维膜特性：将8-羟基喹啉的含量 5% 的 PU 纳米纤维膜（厚度 50-100 μm）用于鲜切果蔬包装，在 4℃储存条件下，可使菌落总数在 7 天内控制在 10³ CFU/g 以下（未处理组达 10⁵ CFU/g），且纤维膜可在土壤中 3 个月内降解 90%，优于传统聚乙烯（PE）包装膜（不可降解）。

保鲜机制：8-羟基喹啉除抗菌外，还能螯合果蔬释放的乙烯气体（通过与乙烯分子中的双键配位），延缓果实成熟，使草莓的货架期从 3 天延长至 7 天。

五、技术挑战与未来方向

1. 当前面临的问题

高温加工适应性：8-羟基喹啉的热稳定性限制了其在高熔点可降解聚合物（如聚己二酸 - 对苯二甲酸丁二酯，PBAT）中的应用，需开发低温纺丝技术（如湿纺或干纺）。

长期降解中的抗菌持续性：当聚合物降解至后期（分子量＜1 万），8-羟基喹啉释放速率加快，可能导致局部浓度过高，需通过核 - 壳结构设计（如 PLA/8-HQ 为核，聚己内酯（PCL）为壳）实现梯度释放。

2. 前沿探索方向

光响应抗菌纤维：将8-羟基喹啉与光敏剂（如卟啉）共混纺入 PU 纤维，在可见光（400-500 nm）照射下，它的抗菌活性可提升 2 倍，适用于需动态调控抗菌强度的场景（如术后感染风险期的针对性强化）。

自修复抗菌纤维：在 PLA/8-HQ 体系中引入微胶囊化的修复剂（如环氧丙烷），当纤维因细菌侵蚀出现微裂纹时，微胶囊破裂释放修复剂，与8-羟基喹啉协同抑制细菌并填补裂纹，使纤维的抗菌周期延长50%。

8-羟基喹啉与可降解聚合物的共混纺丝技术，通过界面改性、纺丝工艺优化及释放机制设计，实现了抗菌功能与生物降解性的有机结合。从医用缝合线到环保包装材料，其核心优势在于：8-羟基喹啉的螯合抗菌机制对耐药菌高效，聚合物降解与药物释放的同步性减少长期毒性，以及通过结构设计实现的功能智能化。未来需进一步突破高温加工限制与释放精准调控，推动该材料在高端医疗与环保领域的规模化应用。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/