金属有机骨架材料在竹材表面的原位沉积机制及其抑菌活性

Bamboo is susceptible to mildew and discoloration. Metal Organic Framework (MOF)is proved with excellent bacteriostatic activity. In this project, MOF is in-situ deposited on bamboo surface, and the deposition process of MOF is controlled precisely, in order to prepare efficient and long-term antibacterial materials. The interaction between MOF and chemical composition of bamboo surface and the distribution regularities of MOF in the microstructure will be studied. The in-situ deposition and fixation mechanism of MOF material on bamboo surface will be revealed, and for the first time, the bacteriostatic activity of MOF material against mold and sapstain fungi will be studied. The main properties of materials that affect their bacteriostatic activity will be determined. The anticipated results are expected to elucidate the bacteriostatic mechanism of MOF materials against mold and sapstain fungi, and realize controllable deposition and long-term fixation of MOF material on bamboo surface. This study will provide a theoretical basis for the preparation of MOF-biomass composites, and a new thought for the application of MOF materials in the field of bamboo preservation.

项目针对竹材易发霉、变色的问题，利用金属有机骨架材料（MOF）优秀的抑菌活性，将MOF材料在竹材表面原位沉积，通过对MOF沉积过程的精准调控，制备长效、高效的功能性抗菌材料。项目基于MOF与竹材表面化学成分的相互作用，结合其在竹材表面微观组织结构的分布规律，揭示MOF材料在竹材表面原位沉积及固着机制，并首次研究MOF材料针对侵染竹材的霉菌、变色菌的抑菌活性，确定影响材料抑菌活性的主要性质指标。预期结果有望阐明MOF材料对霉菌、变色菌的抑菌机制，实现MOF材料在竹材表面的可控沉积与长期固着。研究为金属有机骨架-生物质复合材料的制备提供了理论基础，为金属有机骨架材料在竹材防护领域的应用提供了新思路。

金属有机骨架（MOF）材料具有晶体生长和结构可调控的特点，同时兼具优秀的抗菌活性，将MOF材料原位生长在竹材表面，可提高竹材的防霉抑菌活性，延长材料的使用寿命。本研究通过部分脱除竹材表面木质素与表面羧甲基修饰相结合，最大程度的保存竹材原有微观组织结构的同时对竹材进行改性。创新性的采用“两步法”工艺，将改性竹材先后浸没于金属盐和有机配体的溶液中，实现MOF在竹材表面的原位生长和在竹材导管、纹孔、薄壁细胞等组织结构中的均匀分布，以及对MOF的晶体尺寸（1-15 μm）的精准调控。研究了MOF在竹材表面的原位生长机理和固着机制，认为MOF原位生长的关键在于金属离子通过配位作用与竹材表面预处理引入的羧甲基官能团结合，同时通过弱相互作用吸附于竹材疏松的表面，其中羧甲基官能团与金属离子的强相互作用也是MOF固着于竹材表面的主要原因。基于该生长机理成功实现了含Cu、Zn、Co、Ag等的多种MOF材料在竹木材表面的原位沉积与生长。研究发现表面生长Cu基MOF的竹材具有针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的良好抑菌活性，且明显优于吸附金属离子的竹材，表明其抑菌活性与MOF材料表面的活性位点有关。研究发现利用MOF的优秀吸附性能，能实现MOF/竹复合材料对多种活性物质的高效吸附，进一步提高材料的防霉抑菌活性。研究揭示了木质素对MOF在竹材表面原位沉积与生长的作用机制，木质素与MOF的金属离子之间的配位结合力较弱，难以固着MOF晶体，通过定向脱除木质素并引入配位能力更强的羧甲基官能团，显著提高了MOF在竹材表面的生长数量。研究发现材料的抑菌活性与MOF在竹材表面的分布密度正相关，MOF生长过程的调控是影响其抑菌活性的重要指标。本研究提出的MOF原位生长“两步法”工艺和生长机理对开发其他MOF复合木质材料具有一定借鉴意义。