纳米技术在膜技术领域的应用推动了高性能聚合化纳米纤维（PNFs）膜的发展，尤其在可穿戴电子设备和生物医学领域。然而，可穿戴设备表面易滋生细菌，增加感染风险，因此开发具有抗菌性能的纳米纤维膜成为研究热点。纤维素基纳米纤维因其生物相容性、可降解性和高比表面积等优点，逐渐受到关注。在此背景下，本研究通过静电纺丝技术制备的镍基聚合化纤维素纳米纤维（Ni-PSCNFs）膜，旨在实现高导电性和抗菌性能，满足可穿戴设备的高性能需求。

一：膜的制备与处理

（1）CANFs膜的制备

选用纤维素醋酸酯（CA）作为原料，因其具有良好的生物相容性和可降解性。首先，将CA（17%质量分数）溶解在醋酸和二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶剂中（体积比2:1），通过持续搅拌（100转/分钟）3小时，形成均匀的CA溶液。然后，将该溶液倒入注射器，水平放置在金属收集器（用铝箔包裹）对面，施加直流电压，利用静电吸引作用将CA溶液拉伸成纳米纤维。控制针头直径为0.6毫米，溶液与收集器距离为12厘米，流速为0.4毫升/小时。经过5小时的静电纺丝，成功收集到一层薄的纤维素醋酸酯纳米纤维（CANFs）膜，其纤维直径在100–500 nm范围内，表面光滑且无珠状形态，为后续改性提供了基础。

（2）Ni-PSCNFs膜的制备

首先，将CANFs膜在0.05 M NaOH溶液中进行去乙酰化处理，使其表面变为亲水性。接着，将去乙酰化后的CNFs膜浸泡在10%乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）溶液中20分钟，进行卤化处理，引入硅烷基团。然后，将卤化后的SCNFs膜浸泡在含有20% [2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化铵（METAC）和12 mg过硫酸钾（KSP）的溶液中，60°C下搅拌60分钟，完成聚合化处理，形成PSCNFs膜。之后，将PSCNFs膜浸泡在5 mM的四氯化铵钯（II）溶液中15分钟，进行离子交换处理，为镍沉积提供活性位点。最后，将PSCNFs膜浸入无电沉积溶液（含2 g硫酸镍六水合物、0.1 g二甲胺硼烷、1 g柠檬酸钠和0.5 g乳酸，pH调至8）中，60°C下搅拌20-30分钟，完成镍的沉积，成功制备了镍涂层聚合化纤维素纳米纤维（Ni-PSCNFs）膜，表面呈现出黑色。图1e展示了Ni-PSCNFs膜的表面形貌，可见纤维表面因镍沉积而变得粗糙。

图1. 显示了合成的(a–e) CANF、CNF、SCNF、PSCNF 和 Ni-PSCNF 膜的图像。图像(f–j)显示了所有膜的直径计算值，范围为 100 至 600 nm。

二：核心发现

（1）优异的电导率

Ni - PSCNFs 膜展现出高达 111S/cm 的高电导率。通过与其他基于 CNFs 和不同导电材料的软材料电导率对比（表 1），可以明显看出 Ni - PSCNFs 膜的导电性能优于众多已报道的膜材料。表 1 中清晰列出了各种膜的电导率数据，如 CNFs - RGO 电导率为 0.0004S/cm，而 Ni - PSCNFs 膜达到 111S/cm，突出了其在导电性能方面的优势。

表1. 基于纤维素纳米纤维（CNFs）和不同导电材料的软材料的电导率

（2）强抗菌活性

以枯草芽孢杆菌和假单胞菌为模型细菌测试 Ni - PSCNFs 膜的抗菌性能，结果表明该膜具有很强的抗菌活性。从抗菌性能测试图（图 2）中可以直观看到，Ni - PSCNFs 膜对枯草芽孢杆菌和假单胞菌的抑菌圈明显，抑制直径分别达到 22mm 和 21mm ，而原始的聚合纤维素纳米纤维（CNFs）膜则无法抑制细菌生长。这充分证明了 Ni - PSCNFs 膜在抗菌方面的有效性，使其在可穿戴设备等领域具有重要的应用价值。

图2. (a) Ni-PSCNFs 膜对铜绿假单胞菌的抗菌性能（最大抑菌圈直径=21 毫米），(b) Ni-PSCNFs 膜对枯草芽孢杆菌的抗菌性能（最大抑菌圈直径=22 毫米），(c, d) 含有抗菌药物头孢曲松的 Ni-PSCNFs 膜与原始 CNFs 的抗菌性能。

三：结论

通过静电纺丝工艺，成功制备了CANFs膜。采用独特的无电沉积（ELD）技术，在NFs表面沉积镍，生产出导电的CNFs膜。在理想的条件下进行了镍沉积（ELD）过程。即使在ELD过程之后，SEM图像中仍可见纳米纤维状结构。FTIR和WCA测量结果表明去乙酰化过程进行良好，且镍涂层已正确施加。此外，Ni-PSCNFs膜展现出111 S/cm的高电导率。Ni-PSCNFs膜针对枯草芽孢杆菌和假单胞菌等微生物进行了测试，展现出强大的抗菌活性。对暂定部分的仔细观察表明，在可穿戴设备中，使用镍涂层PSCNF膜是在成本效益、效率、可靠性、增强的抗菌功效和良好的导电性方面最佳的选择。

文章来源：https://www.wemaxnano.com/products/em/

查阅链接：https://doi.org/10.1002/pat.70074