引言
多孔膜是现代食品加工和水体修复中的基础材料，广泛应用于果汁澄清、盐水处理、水纯化和包装系统。然而，传统膜仅提供物理分离，缺乏内在的抗菌功能。附着在膜表面的细菌会增殖形成生物膜，并逃避清洗和热消毒。在应激条件下，这些微生物可能上调特定蛋白，增加对消毒剂和热的耐受性。将抗菌剂（如抗菌肽或银等金属纳米粒子）嵌入多孔膜中，可以预防细菌生物膜形成，从而减少交叉污染、延长产品货架期，并提高安全性，超越单纯的物理筛分或仅靠热处理的策略。因此，抗菌膜成为对抗持久性和适应性食源性病原体的主动且坚固的屏障。但许多现有抗菌膜依赖于整体负载的杀菌剂或表面涂层，存在快速耗尽、耐久性差或重复使用后活性丧失等问题。这些局限性凸显了对在实际操作条件下兼具持续抗菌效能与结构坚固性及可复用性的膜平台的需求。
类似的策略在医疗保健领域也显示出巨大前景，能够灭活病原体的多功能膜可降低医疗相关感染风险，同时为患者和医务人员提供额外保护。通过延长医疗设备的使用寿命，这些膜还能减少更换频率和医疗废物，兼具临床和环境优势。然而，一个核心挑战在于识别能够实现纳米粒子稳定高效整合的膜材料，这对于维持长期抗菌性能至关重要。
在新兴材料中，金属-有机框架（MOF）是由刚性有机连接体与无机簇通过周期性一维、二维或三维排列连接形成的结构化网络构成的多功能晶态多孔材料。沸石咪唑酯框架（ZIF）是其中显著的一个亚类，其中锌（Zn(II)）或钴（Co(II)）等金属离子与咪唑酸盐连接体配位。许多ZIF结晶成具有类沸石拓扑结构的多孔结构。ZIF因其高热稳定性（高达550 °C）、耐有机溶剂和碱性水介质以及即使在环境条件下也相对容易合成等优势而脱颖而出，这些优势往往超过传统MOF。
其中，ZIF-8因其稳健的方钠石（SOD）拓扑结构而尤为突出，该结构包含由2-甲基咪唑单元连接的锌原子。其高度稳定且多孔的结构为分散银（Ag）纳米粒子提供了有效平台，其纳米级孔道能够实现锚定，防止团聚，确保均匀分布，并增强超越单质银的抗菌性能。另一个重要例子是ZIF-L，这是一种二维框架，因其多孔性和易合成性而在催化和分离领域具有应用前景。虽然与三维ZIF-8相关，但ZIF-L表现出不同的特征，如其不对称单元和变化的锌离子配位。与ZIF-8不同，ZIF-L的层状结构通过氢键连接，这增加了其金属位点的可及性。
在生物医学领域，ZIF在药物递送、酶固定、生物传感和抗菌治疗方面显示出显著潜力。其生物相容性和在生理条件下的化学稳定性（尤其是ZIF-8）使其适用于需要耐水解的苛刻环境的医疗应用。ZIF通过两种关键机制有效增强抗菌活性：其一，其能够与细菌膜强烈相互作用，同时作为抗菌剂的载体；其二，其可控制释放生物活性金属离子。例如，从ZIF-8释放的锌离子对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出强烈的杀菌效果，通过破坏细胞壁并创造碱性微环境实现。类似地，银离子通过干扰DNA复制、蛋白质合成和膜完整性来阻碍细菌生长，导致细胞死亡。
纳米纤维膜因其高比表面积、孔隙率和可扩展性而成为多功能材料。在制备方法中，静电纺丝因其低成本、高效率且可制备纤维直径从纳米到微米不等的无纺布膜而颇具吸引力。通过向聚合物溶液施加高压静电力，静电纺丝可生成具有极高比表面积和可调孔隙率的纤维， resulting in membranes with excellent permeability and mechanical robustness。电纺纳米纤维的高比表面积使其特别适合后制造表面功能化，能够实现抗菌剂与微生物的紧密接触，同时最小化扩散限制。这些特性使电纺膜高度适用于过滤和防护装备。通过将抗菌剂直接掺入纤维中，可以进一步增强其功能性，创造出防止微生物定植的表面，从而在医疗和工业环境中延长使用寿命。聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）（PVDF-HFP）是一种氟化聚合物，因其优异的化学、热学和机械性能而成为电纺膜的杰出候选材料，使其非常适合生物医学和过滤技术。最近的研究表明，此类修饰可将细菌存活率降低6个数量级，证明了电纺PVDF-HFP膜在有效、长效抗菌应用方面的潜力。
实验部分
本研究聚焦于通过电纺PVDF-HFP，随后在电纺纤维表面直接生长ZIF-8，并进行最终的后合成银金属化步骤，来开发一种抗菌纳米复合膜。在先前的策略中，ZIF-8是先合成，经银后金属化，然后在电纺前共混入聚合物溶液中。然而，该方法导致ZIF-8大量被包封在纤维内部，限制了其表面可及性，从而降低了其功能效率。本方法通过直接在纤维表面生长ZIF-8克服了这一限制，确保了活性位点的更大程度暴露。随后的后合成金属化通过将膜浸入不同浓度（0.05–0.1 wt%）的硝酸银溶液中实现，从而可调节银含量。所得PVDF-HFP/ZIF-8-Ag（P-ZIF-8-Ag）膜的抗菌活性针对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）进行了评估，作为概念验证，证明了增强的表面功能性和该设计在抗菌过滤应用中的强大潜力。
膜特性
实验部分描述的静电纺丝参数经过优化，未处理的PVDF-HFP+ZnCl2 膜的SEM图像显示其具有光滑、连续的纤维，平均纤维直径为0.385 μm ± 0.09。使用毛细流动孔隙度仪测试膜孔隙率，显示平均孔径为1.27 ± 0.045 μm，最大孔径为2.68 ± 0.072 μm。测得液体进入压力（LEP）为2.37 Psi/cm2 ，表明其为疏水表面，平均水接触角为132 ± 4 °进一步证实了这一点。
ZIF沉积
由于沉积生长法依赖于顺序分层，浸渍循环次数是关键参数。经历不同浸渍循环次数的膜的SEM图像表明，仅2个循环时，纤维表面的ZIF生长明显但呈现不均匀、不规则和随机分布。将循环次数增加至5次显著改善了表面覆盖的均匀性。10个循环后，纤维表现出最高的ZIF负载量，具有强选择性和分布良好的表面覆盖。该结果与预期的分层生长机制一致，额外的循环对应于连续的ZIF层，导致整体沉积量增加。因此，选择10循环程序用于后续研究。接下来是浸渍时间，不同浸渍时间（1, 2, 4, 6分钟）的SEM图像显示，增加时间对ZIF的整体生长没有显著影响，事实上，1分钟显示出最高的生长量。
溶液浓度的影响
影响ZIF生长的另一个关键因素是金属前体和有机连接体的浓度。在1 wt%浓度下，观察到沿纤维表面均匀的ZIF-8晶体生长以及良好的表面选择性。将浓度增加至1.5 wt%显示出更明显的ZIF-8生长。然而，在这种情况下，晶体形成不仅发生在纤维表面，也发生在膜的孔内。在更高浓度下，生长行为发生显著变化。在2 wt%时，观察到不均匀的晶体生长，并伴有可见的片状形态。这些被归因于不同的ZIF-8相，即ZIF-L，这是一种由相同MIM连接体产生的二维框架。在3 wt%时，ZIF-L的存在占主导地位，表明高于2 wt%的浓度有利于ZIF-L的形成而非ZIF-8。因此，片状晶体的出现可以通过控制合成条件来调节。换句话说，当有机连接体与金属前体的比例增加时，ZIF-L的形成被促进。在这种情况下，过量的未反应2-MIM分子通过氢键与已配位到金属中心的单齿终端2-MIM结合。这些未反应连接体分子的积累在单齿终端基团附近充当了结构单元的储库，促进了垂直晶体生长和特征性的叶状形态。为确认SEM中观察到的晶相，对膜进行了PXRD分析。尽管由于样品的非粉末性质和无定形聚合物基质的存存在可能干扰图谱，但仍成功鉴定了物相。PXRD结果与SEM观察一致：1和1.5 wt%获得了特征性ZIF-8，而2和3 wt%出现了ZIF-L的峰。此外，接触角测量证实，即使MOF生长后，膜仍保持其疏水性。
通常，纳米纤维膜的纤维直径强烈影响其孔隙率。理论上，孔径和纤维直径呈正相关，因此较小的纤维直径会导致更高的纤维堆积密度，进而导致更小的孔径分布。当ZIF纳米晶体在纤维表面生长时，其数量和大小通过影响纤维直径和堆叠来改变膜的孔隙率。
测量了膜的孔隙率和LEP。用1 wt%溶液处理后，膜孔隙率保持不变。在1.5 wt%时，最大和平均孔径均略有减小，这是预期的趋势。SEM图像显示ZIF在膜孔内生长，导致孔尺寸受限。然而，在更高负载量（2和3 wt%）下，最大孔径显著增加，而平均孔径几乎保持不变。这种差异源于沉积在纤维之间的大ZIF-L片的存在，这减少了纤维堆叠并增加了整体孔隙率。LEP受孔隙率和疏水性共同影响，通常随孔径减小而增加。由于所有膜都表现出相当的疏水性，LEP行为主要受孔隙率支配。对于用1和1.5 wt% ZIF处理的膜，表面沉积的ZIF纳米晶体提供了额外的抗水渗透阻力，产生更高的LEP值。相比之下，对于用2和3 wt% ZIF处理的膜，尽管存在表面晶体，但LEP下降，因为孔径的显著增加超过了阻力效应。
还使用热重分析（TGA）评估了膜的热稳定性。所有ZIF处理样品（1–3 wt%）在~250–300 °C开始出现轻微分解，这种行为在未处理膜（0 wt%）中未观察到。主要重量损失发生在所有样品的450至550 °C之间。具有较高添加剂含量（尤其是2和3 wt%）的膜显示出稍低的起始温度，表明热稳定性略有降低。然而，与未处理样品不同，处理后的膜在≥600 °C时留下更高的残留物，这与无机组分（主要来自MOF的锌）的存在一致。基于这些发现，1 wt%样品（以ZIF-8为主）和3 wt%样品（以ZIF-L为主）在下文中分别称为P-ZIF-8和P-ZIF-L。
此外，为了评估在静电纺丝前将ZnCl2 添加到PVDF-HFP聚合物溶液中的效果，在1 wt%和10循环的条件下处理了不含ZnCl2 的PVDF-HFP对照膜。在这种情况下，膜表面的ZIF-8生长似乎是随机和非选择性的，与在含ZnCl2 的PVDF-HFP上的ZIF生长相比，突出了氯化锌在膜中的重要性。
银处理
用1 wt%处理的膜进一步用新鲜硝酸银溶液处理，以向体系引入抗菌性能。银处理膜的SEM分析揭示了膜表面银和ZIF的形态和分布的有价值见解。在低银浓度下，观察到纤维表面存在ZIF-8。然而，在较高银浓度下，膜表现出ZIF-8纳米晶体从纤维表面损失。这种现象很可能归因于测得的较高银浓度所导致的高酸度。酸度增加，在1.5 wt%银时pH达到4.16，这破坏了ZIF-8的骨架结构，ZIF-8在酸性条件下（特别是pH值≤5时）会分解。咪唑酸盐连接体在此类环境中也易水解，导致骨架结构的破裂和降解。
ZIF处理膜暴露于不同银浓度后的PXRD图谱与参考ZIF-8和ZIF-L图谱进行了比较。对于ZIF-8膜（1 wt%溶液），用0.05 wt%银处理后，在2θ = 7.3°, 10.4°, 和12.7°处的主衍射峰得以保留，但在0.1 wt%银时其强度降低。对于ZIF-L膜（3 wt%溶液），也观察到类似趋势，在0.05 wt%银时特征峰仍然可见。然而，在更高银浓度下，PXRD图谱不再显示可辨别的ZIF-8或ZIF-L对应峰。这种结晶度的丧失与SEM观察一致，后者证实了膜表面不存在完整的ZIF结构。
比较包括未处理膜（无ZIF）和暴露于不同银浓度的1 wt% ZIF处理膜。总体而言，银处理导致孔隙率略有下降。然而，当银浓度从0.05增加到0.1 wt%时，最大孔径增加，这可能是由于ZIF纳米晶体的部分去除，允许更紧密的纤维堆积。在更高银浓度（0.1–1.5 wt%）下，孔隙率再次增加，最终达到与未处理膜相当的值。这一趋势与SEM观察一致，后者证实了MOF从膜表面的损失。
为了评估银掺入膜的情况，采用了XPS。结果总结显示，在低银溶液浓度（0.05 wt%）下，P-ZIF-8（0.8%）和P-ZIF-L（0.32%）膜均实现了较高的银负载量。然而，当银浓度加倍至0.1 wt%时，检测到的银负载量显著下降（P-ZIF-8为0.24%，P-ZIF-L为0.1%）。这一趋势表明，较高的银浓度可能 destabilize the ZIF framework，导致部分降解，从而减少了膜表面保留的银量。这些发现与SEM和PXRD观察结果一致，后者显示在较高银浓度下ZIF结晶度丧失。
在将溶液浓度固定为1和3 wt%后，我们比较了使用0.05和0.1 wt% Ag溶液的银负载量。较高的银浓度导致MOF完全分解，限制了量化。分析揭示了一个有趣的趋势；在较低银浓度下浸泡的膜表现出更高的银保留。具体而言，对于P-ZIF-8和P-ZIF-L，在0.05 wt%时的银含量分别为0.8%和0.32%，显著高于在0.1 wt% Ag时观察到的0.24%和0.1%。这是因为较低的银浓度维持较高的pH，减少了ZIF降解，留下更多ZIF位点可用于结合银，表明银是选择性负载到ZIF纳米晶体上的。
有效银负载量（计算为XPS检测到的银与所用银溶液wt%的比率）的结果一致显示，在0.05 wt% Ag时，P-ZIF-8和P-ZIF-L的有效负载量均更高，证明较低的银浓度不仅节约材料，而且增强了银掺入ZIFs的效果。全XPS光谱证实了成功制备复合膜，显示了Zn、F、O、N、C、Ag和Cl的特征峰。强的F 1s和C 1s信号来自PVDF-HFP聚合物基质，而Zn 2p（∼1022 eV）和N 1s（∼400 eV）峰证实了ZIF-8的形成。Zn 2p3/2 结合能与ZIF-8中四面体配位典型的Zn2+ 相对应。Ag 3d5/2 和3d3/2 峰在∼368.1和374.1 eV处，表明银主要处于Ag0 状态，膜的黑褐色也支持这一点。
用0.05和0.1 wt% Ag功能化的P-ZIF-8和P-ZIF-L膜的TGA显示出相似的热稳定性曲线，具有多步重量损失模式。∼150–400 °C之间的轻微重量损失对应于物理吸附溶剂或水分的蒸发，而∼450–550 °C之间更明显的损失反映了ZIF骨架和有机组分的热分解，与未处理的ZIF膜一致。
抗菌性能
复合膜的抗菌活性在18小时孵育后针对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）进行评估，使用了不同银浓度和1及3 wt%的ZIF负载量。细菌抑制相对于在无膜情况下表现出100%生长的对照进行量化。最初评估了未处理膜（无ZIF，无银）的抗菌效果，随后评估了不含银的P-ZIF-8和P-ZIF-L膜。结果表明，未处理膜和仅含ZIF的膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出最小的抑制。这些发现证实聚合物基质、ZIF-8和ZIF-L本身具有可忽略的内在抗菌活性，突出了掺入银以实现有效杀菌性能的必要性。
P-ZIF-8和P-ZIF-L膜在两种银浓度（0.05和0.1 wt%）下的数据揭示了一个清晰趋势。在所有情况下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌抑制几乎完全，表明超过某一点后增加银负载量不会显著增强抗菌性能。为了评估膜效率，计算了有效抑制，这反映了需要多少银来停止细菌生长；较低值表示银消耗较高，而较高值表示所需银较少。如前所述，金属化过程中较低的银浓度导致较高的银负载量；因此，用0.1 wt%银溶液处理的膜显示出更高的有效抑制。然而，考虑到总银用量，用0.05 wt%处理的膜更高效，在总银用量较少的情况下实现了高银负载量和强细菌抑制。
两种0.05和0.1 wt%处理的膜均在6.7 mg/mL的固定浓度下进行测试。对于0.05 wt%处理，P-ZIF-8在~53 μg/mL银时达到MIC和MBC，而P-ZIF-L仅在21 μg/mL时达到MIC。在0.1 wt%时观察到类似趋势，P-ZIF-8在16 μg/mL银时达到MIC和MBC，而P-ZIF-L仅在6.6 μg/mL时达到MIC。这些结果证明了P-ZIF-8优异的抗菌性能，其持续掺入更多银并表现出比P-ZIF-L更强的杀菌活性。
我们实验室先前已证明负载银的ZIF-8可以实现抗菌抑制，展示了银表面覆盖在有效细菌抑制中的关键作用。在此基础上，本研究引入了一种独特的方法来合成具有增强抗菌活性的膜。先前的工作主要将MOF掺入聚合物溶液后进行电纺，而我们采用了交替浸渍溶液法。在该方法中，首先通过电纺生产聚合物膜，然后通过浸渍在纤维表面直接生长MOF。这确保了MOF完全暴露，最大化其活性和与细菌微环境的直接相互作用。此外，本研究中获得的MIC值低至6.6 μg/mL，显著低于我们先前文献中展示的41 μg/mL。这些结果表明，这种新方法能够在显著较低的银浓度下实现更高的细菌抑制。
ZIF改性膜的可复用性和稳定性
为了评估膜的长寿命和可持续性，使用具有0.05和0.1 wt%银的P-ZIF-8和P-ZIF-L膜进行了回收实验。初次使用对抗大肠杆菌后，收集膜，干燥，用紫外线消毒，并在20 mg/mL浓度下重复使用。膜保持了其抗菌活性，仍然达到MIC。P-ZIF-8膜在0.05和0.1 wt%银时分别在53.3和16 μg/mL时达到MBC。这些发现突出了膜的稳定性和可复用性，证明ZIF改性膜在多次细菌暴露后保持其抗菌效力，支持其在长期抗菌应用中的潜力。
为了阐明Ag金属化膜的主要抗菌机制，我们评估了在与抗菌测定相关的条件下银释放的程度。将银处理膜浸入去离子水中，在连续振荡下持续20小时，然后分析溶液中释放的银。检测到的银浓度可忽略不计（<0.5 ppm），表明从膜表面浸出极少。这一观察表明抗菌活性并非主要由银大量释放到周围介质中所主导。重要的是，膜在重复使用循环后保持了近乎完全的抗菌抑制，进一步支持了银仍然与ZIF功能化纤维表面强相关联而非在暴露过程中耗尽的结论。如果银离子释放是主导机制，预计在回收时会逐渐丧失抗菌功效；然而，抑制水平保持在接近100%，突出了体系的稳定性和可复用性。虽然不能完全排除在膜-细菌界面处局部银离子释放的微小贡献，并且可能协同增强抗菌性能，但数据共同表明接触介导的抑制是主要机制。在此背景下，我们理论认为表面结合的Ag-ZIF纳米晶体可能通过直接与细菌细胞膜相互作用，破坏细菌粘附和生物膜形成，导致膜损伤和生长抑制。这种接触驱动机制，加上最小的银浸出，强调了抗菌效果的耐久性，并加强了这些膜适用于长期和可复用抗菌应用的理由。
结论
在本研究中，我们通过将电纺PVDF-HFP纤维与表面生长的ZIF-8和ZIF-L框架集成，随后进行后合成银金属化，开发了一种制备抗菌纳米复合膜的新策略。交替浸渍法实现了ZIF在纤维表面的可控、选择性生长，克服了限制活性位点可及性的传统封装方法的局限性。通过系统调整生长条件，我们实现了对ZIF相形成和负载效率的精确控制。用稀硝酸银溶液（0.05–0.1 wt%）进行后金属化确保了有效的银掺入，而不损害ZIF结构完整性。XPS证实了金属银的存在，而SEM和PXRD验证了在优化条件下ZIF结晶度的保留。所得膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出强抗菌活性，抑制率超过95%，最低抑菌浓度低至6.6 μg/mL。高抗菌性能，加上保留的孔隙率和疏水性，支持其适用于长期抗菌应用。此外，该膜表现出热稳定性和可复用性，且不丧失功效，突出了其在耐用、高性能抗菌膜和过滤器方面的潜力。
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