利用氧化石墨烯和氧化镍纳米颗粒对棉织物进行改性，用于医疗纺织品的生产

《Materials Chemistry and Physics》：Finishing of Cotton Fabrics using Graphene Oxide and Nickel Oxide Nanoparticles for Medical Textiles

多功能石墨烯氧化物/镍氧化物纳米颗粒改性棉织物的制备及其性能研究。通过浸渍干燥法将石墨烯氧化物（GO）和氧化镍（NiO）纳米颗粒复合到棉织物中，优化配方（1 wt% GO + 1 wt% NiO）显著提升机械强度（较原棉提高35%）、热稳定性和疏水性（接触角123.6°），同时表现出广谱抗菌活性（对金黄色葡萄球菌等四种病原体抑制率>99%），经15次洗涤后性能保持率>90%。研究证实GO/NiO复合涂层在医疗防护织物中具有应用潜力，其生物降解性达70.4%。

　　

阿米莎·维尔玛（Amisha Verma）|桑吉夫·阿罗拉（Sanjiv Arora）|莫希特·赛尼（Mohit Saini）

摘要

通过浸涂-干燥工艺，成功制备了具有多种功能性的棉织物（CF），其中掺入了氧化石墨烯（GO）和氧化镍（NiO）纳米颗粒。优化后的配方含有1 wt%的GO和1 wt%的NiO（CFG0.05Ni），与原始棉织物相比，该配方表现出更强的拉伸强度和热稳定性。通过更高的接触角（123.6°）和更低的水分吸收率（84.2%）证实了其疏水性的增强。电阻率仍保持在非导电范围内；然而，较高的NiO含量由于纳米颗粒的渗透效应导致电阻率下降。涂层织物对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和白色念珠菌（Candida albicans）具有显著的抗菌活性。值得注意的是，经过15次洗涤循环后，拉伸强度和抗菌活性几乎保持不变，表明其具有优异的耐洗性。生物降解研究表明，涂层织物在一年内降解速度较慢，但降解程度显著，最多可降解70.4%。总体而言，这些发现表明CFG0.05Ni是一种耐用、疏水、具有紫外线防护和抗菌功能的棉织物，在先进医疗和保护性纺织品应用中具有巨大潜力。

引言

全球人口的增长和生活水平的提高导致了对先进医疗资源的需求不断增加。在这些资源中，织物在医疗环境中发挥着重要作用，被用于手术服、帷帘、敷料和医院家具等[1]。由于棉织物具有可生物降解性、吸水性、透气性和舒适性，因此受到广泛青睐[2]、[3]。它们的编织结构确保了柔韧性和空气渗透性，使其适用于各种临床应用[2]、[3]。然而，这些特性也可能促进微生物生长并降低耐用性，从而增加感染传播的风险和缩短使用寿命。患者、医护人员和医生所穿的衣物可能成为微生物污染的媒介，使病原体容易在人与人之间传播[4]。此外，细菌代谢物会释放出强烈的难闻气味，这可能对棉织物的质量和耐用性产生不利影响[5]。

为了解决这些挑战，纳米技术的最新进展集中在将功能性纳米材料（如基于石墨烯的材料、金属和金属氧化物纳米颗粒）结合到织物中，以提高其性能[1]、[6]、[7]、[8]。石墨烯因其出色的机械强度、柔韧性、导电性和增强织物性能的能力而受到广泛研究[9]、[10]、[11]。然而，石墨烯在水和极性有机溶剂中的溶解度/分散性较差，难以加工和沉积在织物上；因此，其氧化形式——氧化石墨烯（GO）更受欢迎，因为含氧基团可以提高分散性并实现与织物基质的强结合[12]。此外，GO特别适用于需要控制电阻而非高导电性的应用[13]。Kabiri等人[14]通过添加氧化石墨烯改善了醋酸纤维素薄膜的机械性能。尽管单独使用GO没有显著的抗菌活性，但将其与金属或金属氧化物纳米颗粒结合可以提供多功能增强[15]。这种协同方法还改善了纳米颗粒在织物基质中的分散性。

银纳米颗粒（AgNPs）、金纳米颗粒（AuNPs）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、铜纳米颗粒（CuNPs）等纳米颗粒已被广泛应用于织物上，以赋予其抗菌性能、紫外线防护和其他功能[7]、[8]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。Diep等人[21]证明，Ag/GO涂层棉织物对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有均匀的银分布和强大的抗菌活性，使其在防护应用中具有潜力。Anwar等人[8]在棉织物上合成了AuNPs，用于抗菌和环境应用。Karimi等人[22]使用氧化石墨烯/二氧化钛纳米颗粒对棉织物进行了功能化处理。Kachare等人[23]报道了一种无粘合剂的绿色超声波辅助涂层方法，将ZnO纳米颗粒涂覆在棉织物上，显著提高了抗菌活性、伤口愈合性能和耐洗性。Kim等人[24]用还原氧化石墨烯（rGO）和CuNPs涂层棉织物，从而提高了其疏水性、抗菌性和抗生物膜性能。

尽管银、金和铜等金属因其强大的抗菌性能而广受认可，但由于NiO纳米颗粒结合了抗菌效果、内在的紫外线阻挡能力和成本效益，它们成为纺织品功能化的有前景的替代品。Suresh等人[25]报告称，用NiO纳米颗粒处理的海藻酸钠交联棉织物表现出优于用MgO处理的织物的抗菌性能和耐洗性。Basiri等人[17]开发了具有NiO/聚合物/酶基质的超声波辅助溶胶-凝胶改性棉纤维，对耐抗生素的烧伤伤口病原体P. aeruginosa和S. aureus表现出优异的抗菌活性。Subbiah等人[26]制备了具有超高紫外线防护（UPF 2000）、强三甲胺（TMA）传感、改善的热稳定性和增强的疏水性的NiOx改性棉织物。Flores-Larrea等人[27]利用NiO和基于石墨烯的电极在棉织物上制备了高效的纺织超级电容器。多项研究强调了用镍化合物和石墨烯改性的棉织物的超级电容器和传感性能。据我们所知，此前没有研究同时将NiO和GO结合到棉织物中，以探索抗菌活性、紫外线防护和机械耐用性等多重功能。尽管NiO是一种宽带隙半导体，而GO的导电性非常低，通常表现为半导体甚至绝缘体，但本研究旨在确定在保持所需电阻率的同时，提高耐用性所需的最小有效载荷。

在本研究中，通过简单的浸涂-干燥技术制备了具有多种功能的棉织物。目标是将GO提供的耐用性和结构增强性与NiO的紫外线防护和抗菌潜力结合起来，同时不损害棉织物固有的可生物降解性。对涂层织物进行了机械、热性能、形态学、抗菌性、紫外线防护、电阻率以及表面润湿性等性能的评估，并研究了其在土壤中的生物降解性。通过将织物进行15次洗涤循环来测试其耐洗性，随后分析了拉伸强度和抗菌活性的保持情况。因此，本研究为开发适用于医疗和保健应用的高性能棉织物提供了一种可持续的方法。

部分摘录

材料

棉织物（Dosuti）购自印度Kurukshetra-136119的当地市场。石墨粉由位于印度Bangalore-56004的Ultrananotech Pvt. Ltd.公司提供。六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O）和其他添加剂则从Himedia Laboratories Pvt. Ltd.公司获得。

氧化石墨烯的合成

氧化石墨烯是通过Hummers方法从石墨粉（GP）合成的[13]。通过FTIR分析和粒度分析仪确认了GO的形成和颗粒大小。

氧化镍的合成

FTIR

记录了GP、GO、NiCl₂·6H₂O、NiO以及原始棉织物和涂有GO和NiO的棉织物的FTIR光谱，以确认化学变化，如图1所示。在GP和GO的光谱中，3450 cm^-1处的宽吸收带对应于O–H伸缩振动，而2950 cm^-1和2874 cm^-1处的峰分别对应于不对称和对称的C–H伸缩。1610 cm^-1处的带表示C=C伸缩，1210 cm^-1和1082 cm^-1处的吸收峰对应于C–O伸缩

结论

本研究展示了通过浸涂-干燥工艺成功制备了含有氧化石墨烯（GO）和氧化镍（NiO）纳米颗粒的多功能棉织物。1 wt%的GO和1 wt%的NiO（CFG0.05Ni）的组合被确定为最佳配方，提供了更好的机械强度、改进的热稳定性和增强的疏水性。同时，该织物还表现出高紫外线防护和显著的抗菌活性，同时保持了电阻率

CRediT作者贡献声明

阿米莎·维尔玛（Amisha Verma）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学设计、研究实施、数据分析、概念化。桑吉夫·阿罗拉（Sanjiv Arora）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、验证、监督、资源协调、概念化。莫希特·赛尼（Mohit Saini）：数据可视化、验证

资助

印度新德里的大学拨款委员会（UGC），NTA参考编号201610074008。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

阿米莎·维尔玛感谢印度新德里的大学拨款委员会（UGC提供的资深研究奖学金（NTA参考编号201610074008）。作者感谢Kurukshetra大学化学系的主任提供的实验室设施。作者还感谢Kurukshetra大学物理系的Sanjeev Agarwal博士提供的UV–Vis和XRD设施。我们进一步感谢...