紫外線遮断性能に優れた高強度・超高靭性・抗菌性・生分解性高分子材料の開発

Highly strong, super tough, antibacterial and biodegradable polymeric materials with excellent UV-blocking performance.

• Xiao Zhang
• Weifeng Liu
• Danting Sun
• Jinhao Huang
• Xueqing Qiu
• Zhixian Li
• Xiaoxian Wu

抄録

本研究では、生体材料の動的犠牲水素結合にヒントを得て、ナノスケールの抗菌剤TA@LS-Agを組み込むことで、高強度、超高靭性、抗菌性、コスト効率に優れた生分解性ポリビニルアルコール(PVA)ナノコンポジット材料を開発した。TA@LS-Agは、緑のバイオマスであるタンニン酸（TA）とリグノスルホン酸ナトリウム（LS）から調製され、約20nmのナノ粒子サイズが均一に分散したPVAマトリックスに容易に組み込むことができた。TA@LS-Agを2wt%添加したPVAナノコンポジットフィルムは、天然のクモの糸（150〜190J/g）をはるかに上回る262J/gというPVA系フィルムの中では世界最高の比強さと131.6MPaという高強度の引張強度を達成しました。この優れた引張強さと超靭性は、ナノ相分離構造の相乗効果と、ナノ粒子とPVAマトリックス間の強い水素結合相互作用に起因しています。PVA/TA@LS-Agナノコンポジットフィルムは、銀含有量が極めて低い（0.032～0.32 wt‰）にもかかわらず、良好な抗菌特性を示しました。また、TA@LS-Agは、PVAフィルムに優れた酸化防止性能と紫外線遮蔽性能を付与している。バイオマスLSとTA、そしてPVAマトリックスはすべて生分解性であることから、本研究は、高性能な抗菌性・生分解性高分子材料を調製するための簡単な戦略を提供するものである。

In this work, inspired by the dynamic sacrificial hydrogen bonds in biological materials, a highly strong, super tough, antibacterial and cost-effective biodegradable poly(vinyl alcohol) (PVA) nanocomposite material was developed by incorporating nanoscale antibacterial agent TA@LS-Ag. TA@LS-Ag was prepared from the green biomass tannic acid (TA) and sodium lignosulfonate (LS), and was facilely incorporated into the PVA matrix with the homogeneously interspersed nanoparticle size of about 20 nm. The PVA nanocomposite film with 2 wt% addition of TA@LS-Ag achieves the world's new highest specific toughness of 262 J/g among the PVA-based films, which is far higher than the natural spider silk (150~190 J/g), as well as a highly strong tensile strength of 131.6 MPa. The excellent tensile strength and super toughness are attributed to the synergy effect of the nanophase separation structure and the intense hydrogen bonding interactions between the nanoparticles and PVA matrix. The PVA/TA@LS-Ag nanocomposite films exhibit good antibacterial properties, despite the extremely low silver content (0.032~0.32 wt‰). TA@LS-Ag also endows the PVA films with excellent antioxidant and UV-shielding performance. As the biomass LS and TA and the PVA matrix are all biodegradable, this work offers a facile strategy for preparing high performance antibacterial and biodegradable polymeric materials.

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