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基于蔬菜废料合成的银纳米颗粒（AgNPs）通过硅胶绑定剂固定于棉织物表面，形成多功能抗菌面料Ag@CFs。实验表明Ag@CFs-15对金黄色葡萄球菌和肠杆菌的抑菌圈分别为25.9±2.7 mm和22.5±2.21 mm，并具有优异的紫外线屏蔽（UPF≥50）和热调节性能（表面温度31.5°C）。研究采用绿色合成技术，结合超声波辅助涂覆工艺，有效解决纳米颗粒易脱落问题，为可持续纺织材料开发提供新思路。
穆罕默德·阿姆贾德（Muhammad Amjad）|泽汉·曾（Zehan Zeng）|李浩珍（Haozhen Li）|艾莎·莫希尤丁（Ayesha Mohyuddin）|瓦贾德·乌尔法特（Wajad Ulfat）|穆罕默德·阿西夫·伊克巴尔（Muhammad Asif Iqbal）|库尔马特贝克·朱马尼约佐夫（Khurmatbek Jumaniyozov）|托尼·阿古斯蒂奥诺·库尔尼阿万（Tonni Agustiono Kurniawan）|马星怡（Xingyi Ma）
哈尔滨工业大学生物医学工程学院、海洋科学与技术学院以及工业和信息化部多模式重大慢性病预防与控制科学与工程重点实验室，中国深圳，518055
摘要
由于纤维素纤维的层次排列，棉织物具有优异的湿度和热管理性能。然而，这些性能也会滞留汗液和皮脂，从而为微生物生长创造有利环境，并可能带来健康风险。抗生素的滥用导致了耐药性病原体的出现，因此需要开发新型抗菌材料。在本研究中，我们通过将低成本银纳米颗粒（AgNPs）无缝整合到棉织物表面，成功制备出一种先进的多功能织物（Ag@CFs）。为了提高这些纳米颗粒的耐久性和附着力，我们使用了硅胶粘合剂，确保了其长期稳定性和性能。经过银处理的织物（Ag@CFs-15）对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）表现出显著的抗菌效果，抑菌圈分别为25.9 ± 2.7毫米和22.5 ± 2.21毫米，同时实现了持续的银离子（Ag+释放。值得注意的是，这些织物还提供了出色的紫外线防护性能，Ag@CFs-5、Ag@CFs-10和Ag@CFs-15样品的紫外线透过率分别为3.25%、2.50%和1.50%（针对UV-B）以及7.25%、2.50%和2.0%（针对UV-A）。此外，银处理后的织物还改善了热调节能力，有效反射热量，使表面温度保持在31.5°C，而未经处理的织物表面温度为36.6°C。这些发现凸显了镀银棉织物（Ag@CFs）在从医疗到运动服装等领域的广泛应用潜力，其中卫生和性能至关重要。可持续性、纳米技术和先进纺织技术的结合预示着功能性材料新时代的到来。
引言
棉是一种天然纺织品，具有柔软性[1]、生物降解性[2]、亲水性[3]、化学稳定性和热稳定性等优良特性，使其成为多种应用的首选材料[4]、[5]。然而，吸水性和氧气暴露为织物表面的微生物提供了繁殖的适宜环境，导致异味产生和织物老化[6]。此外，棉织物本身对微生物威胁（如紫外线（UV）辐射和环境压力因素的防御能力有限[7]，这可能导致织物加速老化和皮肤健康风险[8]。虽然臭氧层能阻挡大部分紫外线辐射，但仍有大量UV-B辐射到达地面，可能造成细胞损伤。温室气体和消耗臭氧层的物质（如CFCs和NO2）的增加加剧了这一问题，凸显了对抗紫外线辐射保护的必要性[9]、[10]。这些脆弱性表明，开发具有抗菌、防紫外线和热调节性能的棉织物改造策略至关重要，从而在各种应用中提高耐用性和佩戴安全性[11]。通过先进纺织技术减轻细菌污染和紫外线暴露对公共卫生和可持续性至关重要。增强棉织物的抗菌和防紫外线性能有助于实现可持续发展目标3（良好健康与福祉）、目标12（负责任消费与生产）和目标13（气候行动），使创新与全球优先事项保持一致。
纺织品在临床和外科应用中发挥着关键作用，需要具备特定特性的材料，包括生物相容性、无毒性和非过敏性，以及强大的抗菌性能[12]、[13]、[14]、[15]。这些属性对于确保医疗环境中的安全有效纺织解决方案至关重要。尽管棉具有多种医疗纺织需求的理想特性，但其天然纤维组成通常缺乏固有的抗菌效果[2]、[16]、[17]、[18]。为了解决这一限制，研究人员广泛探索了通过添加金属纳米颗粒（如银、氧化锌和二氧化钛）来整合抗菌、防紫外线和热调节性能的方法，但这些传统方法制备的材料通常具有细胞毒性[19]、[20]、[21]、[22]。
为了解决这些问题，利用天然资源（如印楝 [21]、芦荟 [22]、圣罗勒 [23]、乌头叶 [24]、芒果 [26]提取物以及水果和蔬菜废弃物（VW）和微生物来源（芽孢杆菌、假单胞菌、乳酸菌 [27]）进行绿色合成AgNPs的方法避免了有毒化学物质的使用。VW提取物富含生物化学物质，包括生物碱、黄酮类、萜类和甾体，这些物质通过覆盖AgNPs表面来减少Ag+离子，防止其在纳米尺度上的过度生长和聚集（见图1步骤3）。这种覆盖作用能够精确控制纳米颗粒的结构特性，确保其稳定性和功能性[28]。该方法还减少了废弃物产生，操作简便，具有可持续性和环保性[29]。AgNPs因其独特的性质（如小尺寸、高表面积和独特的化学特性）而成为高效的杀菌剂[30]。这些特性使AgNPs能够有效杀灭医院环境中常见的金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）[31]、[32]。AgNPs的抗菌机制包括：(a) 释放Ag+离子；(b) 在表面积累后通过多种途径与细菌细胞相互作用；(c) 最终扩散并导致细胞膜破坏；(d) 产生氧化应激并最终导致细胞死亡[34]、[35]。
AgNPs与织物的结合已得到广泛研究，主要采用两种方法：直接在棉织物上原位合成或先单独合成后再固定[36]、[37]。虽然直接固定方法更快更简单，但存在潜在的浸出问题和有限的负载能力，这可能影响杀菌效果、防紫外线和热性能的持久性。另一个关键挑战是棉织物的耐久性，因为Ag+可能在多次洗涤过程中渗出。为了解决这个问题，本研究中使用了硅胶粘合剂来提高AgNPs在棉织物表面的附着力，以应对多次洗涤。通过植物化学物质稳定的绿色合成AgNPs表现出纳米级分散性和表面活性。棉织物富含羟基，经过预处理以提高润湿性和反应性。将其浸入含有硅胶粘合剂的超声处理AgNPs分散液中后，超声能量确保了纳米颗粒的均匀分布。硅胶粘合剂通过氢键和共价作用将AgNPs固定在棉织物上，将其封装并固定在网络中，从而防止渗出并提高涂层耐久性。填充过程控制了溶液渗透，形成均匀的涂层层[38]、[39]。总体而言，硅胶粘合剂在预处理棉织物表面和AgNPs之间起到了关键中介作用，促进了具有增强耐久性的多功能纺织品的发展[40]、[41]。
因此，本研究通过将绿色合成的AgNPs与全球最常用的棉织物（CFs）结合，利用硅胶粘合剂实现了可持续性和功能性的结合。硅胶粘合剂增强了羟基与AgNPs之间的强附着力，从而提高了纳米颗粒的固定、分布和耐洗涤性。此外，简单的浸渍-干燥工艺提高了AgNPs的结合能力、抗菌效果、防紫外线性能和织物热调节性能。除了织物表面功能化之外，本研究还旨在揭示AgNPs-硅胶粘合剂-织物相互作用的机制，同时保持可扩展性、耐久性和环境可持续性。
本研究通过将绿色合成的AgNPs与棉织物和硅胶粘合剂结合，开创了一种新方法，开发出了具有增强防紫外线保护、杀菌效果和热调节性能的多功能纺织品。利用VW提取物作为还原和稳定剂，我们的可持续方法符合循环经济原则。这种创新的纺织处理方法具有出色的防紫外线性能（UPF等级≥50）、强大的抗菌效果和改善的热调节能力，适用于运动服装、户外装备和医疗纺织品等多种应用[42]、[43]。值得注意的是，处理后的织物即使在多次洗涤后仍能保持优异的耐久性和抗菌效果。这项工作有助于开发环保智能纺织品，将材料创新与可持续性要求相结合，展示了绿色纳米技术在纺织工业中的潜力。
材料
硝酸银（AgNO3，纯度≥99%）、无水乙醇（C2H5OH，纯度≥99%）、乙二醇（CH2OH）2，纯度≥99%）、丙酮（CH3COCH3，纯度≥99%和氢氧化钠（NaOH，纯度≥99%）、硝酸（HNO3，纯度≥99.9%）以及过氧化氢（H2O2均从巴基斯坦的Sigma-Aldrich当地供应商处购买。高纯度灰色棉织物（82.5克/平方米）购自巴基斯坦卡苏尔地区的当地制造单位，因其质量和易获取性而被选中。
结构、成分和形态表征
最初，无色的AgNO3溶液在加入VW提取物并在25°C下孵育24小时后变为黄色，最终变为深棕色。这种颜色变化表明Ag+被还原为Ag0，这一过程由植物化学物质促进[44]、[45]。还原后的Ag0随后形成了纳米簇，成为AgNPs（见图1步骤2-3），这些纳米簇在特定光波长下表现出强烈的散射和吸收特性[46]。为了验证这一点，进行了紫外-可见光谱分析。
结论
本研究通过绿色合成方法成功制备出了均匀分散的椭圆形AgNPs（13.40 ± 0.5纳米）。通过TEM、XRD、XPS和紫外-可见光谱全面确认了其形态、结晶度和合成过程。硅胶粘合剂辅助的均匀超声处理AgNPs通过浸渍-干燥工艺涂覆在预处理的棉织物表面。开发的Ag@CFs-15对金黄色葡萄球菌（S. aureus）（25.9 ± 2.7毫米）和大肠杆菌（E. coli）（22.5 ± 2.21毫米）表现出显著的抗菌效果。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·阿姆贾德（Muhammad Amjad）：撰写——初稿，概念构思。泽汉·曾（Zehan Zeng）：软件开发，数据管理。李浩珍（Haozhen Li）：形式分析。艾莎·莫希尤丁（Ayesha Mohyuddin）：方法论，概念构思。瓦贾德·乌尔法特（Wajad Ulfat）：验证。穆罕默德·阿西夫·伊克巴尔（Muhammad Asif Iqbal）：数据管理。库尔马特贝克·朱马尼约佐夫（Khurmatbek Jumaniyozov）：监督。托尼·阿古斯蒂奥诺·库尔尼阿万（Tonni Agustiono Kurniawan）：概念构思。马星怡（Xingyi Ma）：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22371059、82302346、82411540243）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2022A1515220158、2024A1515010898）、深圳市科技计划（编号GXWD20220818171934001、GJHZ20220913143010018）、深圳市医学研究基金（编号D2401024）、广东省教育厅（编号2022ZDZX2065、2023KTSCX225）、山东省生化分析重点实验室（编号SKLBA2302）和浙江省人才计划的资助。
