抗菌材料及其抗菌机理（精选7篇）
抗菌材料及其抗菌机理 篇1
银抗菌剂有纳米银、银离子及氯化银等。银离子抗菌抗剂是以AgNO3溶液为反应液,通过离子交换而负载于沸石、粘土及其它硅酸盐上形成的。此类抗菌剂主要通过在溶液中释放出的银离子来灭菌,其使用寿命较短[1,2]。具有较大比表面积的纳米银不仅能依靠溶液中的银离子杀菌,而且能与微生物膜紧密接触,其抗菌性较好[3]。但纳米银在溶液中容易聚集、粒径增大,影响其应用效果。硅藻土具有孔隙度高、吸附性强、化学性能稳定等特点[4]。因而,本研究利用真空热分解法使银负载于硅藻土表面及微孔中,致使纳米银高度分散、降低纳米银的聚集性。经改性后的载银硅藻土能用于水处理、建材、食品饮料加工等领域。
1 实验部分
1.1 载银硅藻土的制备
1.1.1 原土矿的预处理
选取原土矿100g,加入5%的HNO3 300~500mL,置于电炉上加热。沸腾后继续加热1h,并不断加水以保持液面不变。将冷却后的硅藻土用水冲洗至水溶液pH为中性。用120目的筛子进行筛分,将筛下溶液放入干燥箱(80~100℃)中进行干燥。
1.1.2 硅藻土的助熔煅烧
将预处理好的硅藻土粉碎、加入8%的Na2CO3混匀,放入马弗炉(1000~1050℃)中煅烧1~2h即可。
1.1.3 载银硅藻土的制备
选取煅烧好的硅藻土5g与定量AgNO3放入坩埚中混匀,加入10mL去离子水置于避光处浸渍一定时间后放入真空炉中进行灼烧热分解。1h后取出对其进行洗涤和真空干燥即可制得载银硅藻土。
1.2 载银硅藻土的表征
采用D/Max-RC衍射仪(日本日立公司生产,CuKa,工作电压80mA,步宽0.02°)进行步进方式扫描,在10°~100°间测定硅藻土和载银硅藻土的晶型。
1.3 载银硅藻土抗菌性能测定
菌种为大肠杆菌ATCC8739;培养基为LB培养基,其组成为胰蛋白胨10g/L、酵母提取物5g/L、琼脂粉2g/L,pH值为7.2。加琼脂粉时为固体培养基,不加琼脂粉时为液体培养基。
1.3.1 抑菌圈法[5]
将载银与未载银的硅藻土压制成直径为6mm的圆片并灭菌备用。大肠杆菌接种于LB培养基上在37℃下培养24h后,挑选3~4个菌落用LB液体培养基稀释成浓度为106~108cfu/mL的悬浮液。用移液管移取1mL菌液于已灭菌的平皿中,将灭菌并冷却至30℃左右的培养基倾注于该平皿上并摇匀。待琼脂基本凝固后,将载银与未载银的硅藻土圆片放入培养基表面,置于37℃恒温培养箱中培养24h,取出并观察杀菌结果、测量抑菌圈直径。
1.3.2 最低抑菌浓度[9]
将载银硅藻土研磨成200目的粉体,用液体培养基将其配置成一定浓度的悬浊液,灭菌以备用。在第1支试管中加入一定量的悬浊液,并作2倍连续稀释至第12支试管,第13支作为阳性对照。然后在13支试管中加入等量的浓度为106~108cfu/mL的大肠杆菌菌液。将试管置于35℃的振荡培养箱中培养16~24h,观察结果并取出菌液进行培养计数,活菌数为零的最高稀释管的抗菌浓度为最低抑菌浓度。
1.3.3 载银硅藻土对水样中大肠杆菌的杀灭测定
取37℃培养18~24h的新鲜大肠杆菌斜面,用生理盐水洗下菌苔混匀后再用生理盐水适当稀释,配制成试验用大肠杆菌悬液。将蒸馏水加入该悬液中,配制成浓度为107-108cfu/mL的实验水样。将100mL水样和适量载银硅藻土装入到锥形烧瓶中,在磁力搅拌器搅拌下进行杀菌反应;定时取出反应液进行活菌培养计数以测定载银硅藻土对大肠杆菌的杀灭情况。实验重复3次,取平均值。
2 结果与讨论
2.1 硅藻土的化学组成
实验所用硅藻土采自云南省腾冲县的观音塘硅藻土矿。此矿有两层硅藻土,厚度为0.7~2.22m。上层硅藻土质量较好,颜色为白色或灰白色;下层质量稍差,内层粘土和碎屑矿物的含量稍高。该硅藻土的化学成分见表1。
2.2 载银硅藻土的XRD分析
图1与图2分别为硅藻土与载银硅藻土的XRD图。两图对比可见,经高温煅烧后,硅藻土的结构发生了一些改变。主要体现在:(1)高温将硅藻土微小粒子烧结成较大颗粒,提高了平均粒径;(2)高温将硅藻土中的有机物烧掉,从而降低了被过滤液体中的可溶物;(3)高温使硅藻土在预处理中未能去除的杂质溶成了渣子[6]。图2显示,在38°、44°、64°、77°处出现了Ag的特征衍射峰,相应的晶面峰为(111)、(200)、(220)、(311)。说明AgNO3经热分解后以Ag颗粒的形式镶嵌、负载于硅藻土的表面及微孔中,由谢乐方程可知银颗粒的平均粒径约为27.1nm。
2.3 制备条件对载银硅藻土银含量的影响
图3中a曲线为5g硅藻土中加入不同量的AgNO3,浸渍2h后,在350℃真空炉中灼烧后制得的载银硅藻土银含量变化曲线。曲线a显示,随着AgNO3含量的增加,银含量也随之增大。但当AgNO3的量增加到一定值时,银含量增加趋势变缓。因为当硅藻土中的银含量达到一定值时,硅藻土中所能容纳银离子的量趋于饱和。因而,无论怎样改变AgNO3的量,硅藻土中的银含量变化不大。图3中b曲线是硅藻土与AgNO3的质量比为10∶1,真空热分解温度为350℃时,载银硅藻土载银量与浸渍时间的变化关系。由b曲线可看出,开始的2h内,试样中银含量增加较快;2h后,试样中的银含量趋于恒定。随着浸渍时间的再度增加,溶液中的银离子充分与硅藻土发生吸附作用,试样的银含量稍有降低。因此,最佳浸渍时间为2h。
图4是硅藻土与AgNO3质量比为10∶1,浸渍时间为2h时,复合材料载银量与热分解温度的变化曲线。图中曲线显示,银含量随温度的变化呈现出先增大后减小的趋势。这是因为350℃以下,吸附于硅藻土上的AgNO3并未完全分解,未分解部分用水洗脱时很容易被洗掉,因而银含量较低。而温度增至400℃时,银在真空条件下的挥发量增大,从而使载银材料的银含量略下降。因此,最佳热分解温度为350℃。
2.4 载银硅藻土的抗菌性能
图5是硅藻土(左图)和载银硅藻土(右图)对大肠杆菌的抑制情况。对比可知,载银硅藻土周围出现了明显的抑菌圈(右图),说明此抗菌材料对大肠杆菌具有较强的杀灭能力。
表2为不同银含量的硅藻土的最低抑菌浓度。表中数据显示,载银硅藻土的最低抑菌浓度随载银量的增加而减少。载银量为0.18%时,最低抑菌浓度高达110 μg/mL;载银量为3.12%时,最低抑菌浓度降至68μg/mL。实际应用过程中,应选择适当银含量的材料。尤其用于水处理时,过高的银含量会造成水体的二次重金属污染。
图6中曲线a是硅藻土对大肠杆菌的作用情况。由于硅藻土能吸附一部分大肠杆菌,故而开始一段时间内菌液中的大肠杆菌数略有减少。但硅藻土不能杀灭大肠杆菌,因此,随着时间的延长,大肠杆菌的数量不会持续减少。曲线b-f是载银量分别为0.18%、0.5%、1.46%、2.13%和3.12%的载银硅藻土对大肠杆菌的杀灭情况。由图可知,当载银量从0.18%增至1.46%时,试样中大肠杆菌数减少较快,亦即载银硅藻土的灭菌性能提高较快。但当载银量从1.46%增加到3.12%时,大肠杆菌数减少缓慢、载银硅藻土抗菌性能提高较小。这是由于载银硅藻土抗菌剂的抗菌性能不仅与试样的银含量有关,而且还与试样的比表面积有关。当银含量增加时,水中溶出的银离子浓度也随之增加,抗菌性能也随之增强;但随着银含量的增加,硅藻土的比表面积随之减小,吸附细菌的能力也随之减弱,从而抗菌性能下降。因此,从节约材料和抗 菌性能角度考虑,载银量为1.46%的硅藻土对大肠杆菌的杀菌效果最佳。
3 结论
(1) 硅藻土具有较大的比表面积和纳米级的微孔,是银的良好载体。利用真空热解法能使银负载于硅藻土的表面及微孔中,从而使银高度分散,增强银的应用效果。
(2) 利用真空热分解法制取载银硅藻土时,影响抗菌材料银含量的因素有硅藻土与AgNO3的质量比、浸渍时间、真空热分解温度。本实验中,硅藻土与AgNO3的质量比为10∶1时,浸渍时间为2h、热分解温度为350℃较为合适。
(3) 载银硅藻土对大肠杆菌具有较强的杀灭作用,其最低抑菌浓度随银含量的增加而减小。
(4) 相同剂量下,载银硅藻土的银含量的增加及接触时间的延长,可提高抗菌剂的抗菌效果。但从节约材料角度考虑,对于大肠杆菌的杀菌效果,载银量为1.46%的硅藻土较为合适。
参考文献
[1]Maga a S M,Quintana P,Aguilar D H,et al.Antibacterialactivity of mont morillonites modified with silver[J].Journal ofMolecular Catalysis A:Chemical,2008,281(1-2):192-199.
[2]Liu Hairong,Chen Qi,Song Li,et al.Ag-doped antibacterialporous materials with slowrelease of silver ions[J].Journal ofNon-Crystalline Solids,2008,354(12-13):1314-1317.
[3]Jayesh P R,Arup K C,Siddhartha P,et al.Strain specificityin anti microbial activity of silver and copper nanoparticles[J].Acta Biomaterialia,2008,4(3):707-716.
[4]胡涛,马永梅,王驰.硅藻土的应用研究进展[J].中国非金属矿工业导刊,2009,73(1):16-19.
[5]Keleher J,Bashant J,Heldt N,et al.Photo-catalytic prepara-tion of silver-coated Ti O2particles for antibacterial applications[J].World Journal of Microbiology&Biotechnology,2002,18(2):133-139.
[6]张若愚,夏雪山,胡亮,等.Ag/Diatomite复合材料对禽流感病毒的杀灭研究[J].贵金属,2004,25(2):28-32.
抗菌材料及其抗菌机理 篇2
1 材料与方法
1. 1 实验材料
二氧化钛复合材料由本实验室制备 ( 编号为1Ti O2、2GO、3Cd S、4Ti O2- Cd S、5 Ti O2- GO - Cd S、6 GO - Cd S、7Ti O2- C、8Ti O2- GO,其中GO代表氧化石墨烯,C代表石墨) ,超声波清洗器,场发射扫描电子显微镜 ( Hitachi S -4800) ,牛津杯,试剂: 丙酮、戊二醛、叔丁醇( 均为AR) 。菌种:大肠杆菌 ( Escherichia coli) 、金黄色葡萄球菌 ( Staphyloccocusaureus ) 、黑曲霉 ( Aspergullus niger ) 、黑根霉 ( Rhizopusnigricans) 由本校生物实验室提供。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 原料预处理
8种原材料粉末以40 mg∶1 m L丙酮的配比,超声分散10 min,备用。
1. 2. 2 主要过程
菌种活化采用斜面的方法,真菌28℃培养2 d,细菌37℃培养16 h; 8种二氧化钛复合材料通过牛津杯法观察抑菌圈。
分别取有抗菌效果的几种材料0. 5 m L加入接有菌种的液体培养基进行抑菌率计算,37℃振荡培养12 h,采用梯度稀释法,计算结果。
将具有抗菌能力的光催化剂材料和油漆按照质量比1∶30进行混合,搅拌均匀后涂覆在铝板上,经180℃烘干后进行抗菌实验。
电镜实验处理: 将菌液3000 r/min,离心10 min,弃上清;注入2. 5% 戊二醛,静置4 h固定; 离心,弃上清,用PBS缓冲液 ( 1/15 mol/L,p H =7. 2; 配方: Na2HPO4·12H2O( 23. 876 g) ,KH2PO4( 9. 078 g) ,分别溶于1 L水中,然后将二者按照7∶3的体积比混合,重悬浮3次; 分别用30、50、70、80、90% 梯度酒精脱水,每个梯度静置10 min,离心,弃上清,无水乙醇脱水3次,每次30 min; 用叔丁醇置换乙醇3次( 30 min/次) ;吸取5μL菌体 - 叔丁醇悬浮液滴在硅片上,40℃真空干燥,检测。
2 结果与分析
2. 1 不同复合材料对细菌、霉菌的抗菌效果
图2可见,二氧化钛复合材料中4、5有明显抗菌效果,为有效抗菌材料。同时从抑菌圈大小可知这些抗菌材料对金葡的抗菌效果好于大肠,黑根优于黑曲。
2. 2 抑菌率
抑菌率实验数据见表1和表2,其中抑菌率计算公式为:
从表1 ~ 表2数据看出不管是对大肠还是金葡菌,二氧化钛复合材料中抑菌率最高都是5号样,对大肠抑菌率可达80. 5% ,对金葡可达87. 4% ,与定性一致。虽然3和6的抑菌率高,但由于Cd S毒性强,不能单独和大量作为抗菌材料应用于生活中,在二氧化钛中掺杂是为了使二氧化钛在可见光下也有响应。5的抗菌效果比4的抗菌效果好,可知石墨烯能提高二氧化钛的抗菌能力。
注: 稀释倍数: 107。
注: 稀释倍数: 107。
2. 3 二氧化钛复合材料在涂料上的应用
从图3看出,涂有5号抗菌材料和油漆混合物铝板的周围具有明显的抑菌圈 ( 如图3a中白色部分) ,而空白铝板的周围长满了黑曲霉( 如图3b) 。结果表明,抗菌材料和油漆混合后涂覆在铝板上,同样具有明显的抗黑曲霉菌的作用。从图4看出,单纯抗菌材料( 如图4a) 、油漆和5号抗菌材料混合粉末( 如图4b) 的周围具有明显的抑菌圈,而空白样品的周围长满了根霉菌( 如图4c) 。结果表明抗菌材料不仅表现了很好的抑制霉菌生长的作用,而且其不会受到油漆混合及经180℃烘干的干扰。足以证明抗菌材料可以用于抗菌涂板的开发,且不会受到涂板生产工艺本身的影响。
2. 4 抑菌机理分析
图5和图6分别是5作用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌前后的SEM图。作用前细菌长的饱满,表面光滑,可见其旺盛的生长力,作用后大肠杆菌表面凹凸不平,局部逐渐凹陷萎缩,细菌内部可能溶解,且生长个头较小,萎缩成一团直至死亡。
3 结 论
综上所述,复合材料5表现出最佳的抗菌性能。通过文献[7 - 9]可知,石墨烯能都够促进二氧化钛产生更多的光生电子,并抑制电子和空穴复合,从而提高抑菌率。5不仅表现了很好的抑制根霉菌生长的作用,而且其不会受到油漆混合的干扰,表明该材料拥有用于家居材料的良好潜质。二氧化钛复合材料的抑菌机制可能是它能迅速有效地分解构成细菌的有机物及细菌赖以生成繁殖的有机营养物,抑制生长; 光催化生成·OH和·O能轰击微生物,损坏细胞结构或使细菌表面产生空洞使RNA和蛋白质的缓慢泄漏从而杀死细菌。电镜图中观察细菌有萎缩、溶解迹象。本文仅对其机理进行了简单的表观观察和推测,要获得确切抗菌机理,还需要进一步研究。
摘要：研究不同纳米二氧化钛复合材料抗菌活性和抑菌率,选择更为有效的纳米二氧化钛复合抗菌材料。通过牛津杯法确定材料的抗菌活性,振荡摇瓶法测定抑菌率,通过扫描电镜探索抗菌机理。复合材料(纳米Ti O2、氧化石墨烯、硫化镉三种材料复合而成)对大肠杆菌抑菌率可达80.5%,对金黄色葡萄球菌抑菌率可达87.5%;氧化石墨烯能够提高二氧化钛可见光的抗菌活性和抑菌率;抗菌材料作用后的细菌表面凹凸不平,胞容物流出,菌体萎缩死亡。
关键词：二氧化钛复合材料,抗菌,抑菌率,机理分析
参考文献
[1]高濂,郑珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[D].北京:化学工业出版社,2002.
[2]Fujishima A.,Honda K.Electrochemical potolysis of water at a semiconductor electrode[J].Nature,1972,38(5338):38-45.
[3]李玉芳.纳米二氧化钛的制备及其在环保领域中的应用[J].精细化工原料及中间体,2008(9):21-25.
[4]张青山,宋志慧,张志焜,等.纳米二氧化钛光催化作用及其在环境领域中的应用[J].青岛化工学院学报:自然科学版,2002,23(4):13-16.
[5]张哲,钟姣姣,刘军海.纳米二氧化钛改性及其在皮革工业中应用的研究进展[J].皮革与化工,2013(2):15-17.
[6]卢俊彩,陈火林.纳米二氧化钛催化剂的改性研究及其在水处理中的应用进展[J].重庆文理学院学报:自然科学版,2009(3):73-78.
[7]黄岳元,米钰,郭人民,等.TiO2基纳米复合抗菌剂研究[J].化学工程,2004,32(4):46-48.
[8]徐顺,杨鹏飞,杜宝石,等.掺杂TiO2的光催化性能研究进展[J].化学研究与应用,2003,15(2):146-150.
抗菌材料及其抗菌机理 篇3
在掺杂金属离子对其进行改性的过程中, 人们进行了大量的尝试[3,4], 其中, 贵金属银离子是最佳的选择, 它不但可以扩大光响应范围, 抑制电子与空穴的复合, 同时银离子本身还具有优异的杀菌能力[5]。银离子的接触反应, 造成微生物共有成分破坏或产生功能障碍。当微量的银离子到达微生物细胞膜时, 因后者带负电荷, 依靠库仑引力, 使两者牢固吸附, 银离于穿透细胞壁进入胞内, 并与SH基反应, 使蛋白质凝固, 破坏细胞合成酶的活性, 细胞丧失分裂增殖能力而死亡[6]。银离子还能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统。除了银离子以外, 铜、锌、镍等金属离子均具有一定的杀菌能力。本方法尝试将金属银、镍离子共掺杂到纳米TiO2中, 实现了金属离子与纳米TiO2的协同抗菌作用, 提高了抗菌粉体的抑菌效果[7]。
1 实验部分
1.1 原料和仪器
钛酸正丁酯, 分析纯;正硅酸乙酯, 化学纯;无水乙醇, 分析纯;硝酸, 分析纯;硝酸镍, 分析纯;硝酸银, 分析纯;牛肉膏;蛋白胨;氯化钠, 分析纯;琼脂粉;盐酸, 分析纯;大肠杆菌, 中科院成都生物研究所;枯草芽孢杆菌, 中科院成都生物研究所。
78HW-1型恒温磁力搅拌器;KQ2200B型超声波清洗器;SW-CJ-1FD型单人单面净化工作台;恒温干燥箱;电炉;高压蒸汽灭菌锅;EH系列电热板。
1.2 实验步骤
1.2.1 样品的制备
(1) 室温下将一定摩尔比的钛酸正丁酯与冰乙酸加入盛有无水乙醇的烧杯中, 搅拌0.5h使之混合均匀, 得淡黄透明液a;向适量水与无水乙醇配成的溶液中滴加浓硝酸, 调pH=1.0, 充分搅拌得均匀液b;剧烈搅拌下将b以12滴/min滴加到a中, 得均匀透明液A (此时pH=5.0) , 搅拌3h。
(2) 向适量正硅酸乙酯与无水乙醇的混合液中滴加催化剂稀硝酸, 边加边剧烈搅拌, 调pH=6.0, 搅拌1h, 得透明液B。
(3) 称取适量的硝酸银和硝酸镍, 溶解于适量蒸馏水中得液C。
(4) 取适量液C在搅拌状态下缓慢滴加入适量液A中, 静置, 陈化一定时间后得湿凝胶ⅰ;取适量液A与液B在搅拌状态下混合, 并在搅拌状态下缓慢滴加适量液C, 静置, 陈化一定时间后得湿凝胶ⅱ。将湿凝胶ⅰ与ⅱ置于干燥箱中, 于100℃干燥8h, 得干凝胶ⅰ与ⅱ。
(5) 将两种干凝胶分别研磨后置于马弗炉中, 取适量粉体分别于450℃、500℃、550℃、600℃、700℃保温3h, 得到最终产物。最终产物是在不同煅烧温度下得到的掺杂了银、镍的TiO2复合抗菌粉体Ⅰ和包覆了SiO2并掺杂了银、镍的TiO2复合抗菌粉体Ⅱ。
1.2.2 产物表征
通过TG-DSC对抗菌粉体进行热重-差热分析, XRD分析其晶体结构, SEM观测其表面形貌和结构特征。
1.2.3 抗菌性能检测
配制牛肉膏蛋白胨固体培养基, 将灭菌后的培养基倒入培养皿中 (已灭菌) , 制成平板, 然后将大肠杆菌与枯草芽孢杆菌的菌液各1mL分别置于不同的平板上, 用刮刀涂布均匀[8]。把TiO2复合抗菌粉体制成片剂 (直径8mm、厚度2mm) , 置于平板上 (不同的煅烧温度以及有、无SiO2包覆的TiO2复合抗菌粉体分别各与大肠杆菌和枯草芽孢杆菌做一个样, 将20个样放置于不同的培养皿中) 。再将培养皿置于30℃的恒温培养箱中, 24h后测定试样周围抑菌圈的大小, 以抑菌圈直径的平均值作为评价材料抗菌性的依据。此实验可以定性地表征材料的抗菌性[9]。
2 结果与讨论
2.1 TG-DSC表征
掺杂银、镍的TiO2复合抗菌粉体的热重-差式扫描曲线见图1。
由图1可看出, 在109.5℃, 有1个较大的吸热峰, 同时伴随着4.75%的失重率, 这是由干凝胶粉所吸附的水分、硝酸和有机溶剂乙醇、乙酸等的脱附所造成的;在253℃和269.2℃, 可以观察到两个明显的放热峰, 由残存的有机物或有机基团分解放出的热量所致, 分别对应于干凝胶粉中Ti-O键的断裂或羧酸螯合物和烷基的分解氧化, 并且伴随着TiO2从无定形向锐钛矿相的转化过程[10], 对应的TG曲线上有较大的失重率8.93%, 至此凝胶粉体中的残留水、有机物等基本上以CO2和水蒸汽的形式挥发, 可以由热处理后的粉末堆表面存在的许多气孔证实;在387℃左右, DSC曲线上出现了1个小而宽的放热峰, 并且在TG曲线上已没有失重现象, 这是TiO2无定形向锐钛矿相转化的晶化放热峰。
2.2 XRD表征
图2为550℃下煅烧得到的包覆SiO2的TiO2复合抗菌粉体的XRD图, 从谱线上看, 各峰与标准卡上TiO2相对应, 结果表明, 在该实验条件下制备的纳米TiO2为锐钛矿[11], 并且包覆有无定型的SiO2[12]。
2.3 SEM表征结果与分析
图3是煅烧温度为550℃, 包覆SiO2前后TiO2复合抗菌粉体的SEM照片, 从整体上看, 包覆SiO2前粉体中有较多大粒子存在, 粉体的粒度分布较宽, 大小分布不均匀, 这是由于纳米TiO2颗粒的比表面积大, 在液相介质中受范德华力的作用极易发生团聚[13]。包覆SiO2后的SEM照片中, 大粒子明显减少, 颗粒分布较窄, 粒子大小均匀, 粒径明显变小, 观测区内粒径基本小于100nm[14]。
2.4 抗菌实验结果与分析
图4为煅烧温度为550℃的TiO2纳米复合抗菌剂粉体置于有两种细菌的固体培养基中培养24h后所形成的抑菌圈, 结果表明, 实验所制得的纳米抗菌粉体抗菌效果良好[15,16]。
分析比较表1和表2可知, 没有SiO2包膜的TiO2复合抗菌粉体的抑菌效果优于有SiO2包膜的TiO2复合抗菌粉体, 这主要是因为包覆的SiO2膜在一定程度上阻碍了金属离子的溶出[17], 从而减少了与细菌的接触, 降低了其抑菌效果[18]。同时由表可知, 在700℃下煅烧的抗菌粉体抑菌效果最好。
3 结 论
(1) 采用溶胶-凝胶技术, 以钛酸正丁酯为前驱体, 于450～700℃的空气气氛中煅烧3h, 分别制得了有、无SiO2包膜的掺杂银、镍金属离子的锐钛型复合纳米TiO2抗菌粉体。
(2) SEM照片显示, 通过包覆SiO2能有效地减小TiO2的粒度, 防止团聚的产生。
抗菌材料及其抗菌机理 篇4
传统的消毒技术存在消毒副产物的问题,近年来,纳米材料作为新型的抗菌剂受到广泛的关注[1,2]。石墨烯是一种单层碳原子呈六角型蜂巢晶格平面的二维纳米材料,为sp2杂化轨道骨架结构[3],具有较大的理论比表面积和高流动性[4,5,6],其厚度为一个碳原子,是世界上已知最薄的材料。它具有优异的电学、光学和力学特性以及良好的生物相容性, 在物理学、化学、材料学和生物学等领域备受关注,展现出广阔的应用前景[7,8,9,10,11]。氧化石墨烯是将石墨烯氧化后得到的层状材料,表面具有很多含氧官能团,例如羟基、羰基和羧基等[12]。这些官能团使得GO在水中均匀分散,形成稳定的胶体悬浮液[13]。有报道称GO具有一定的抗菌性[14,15,16],且对细菌和哺乳类细胞具有极低的细胞毒性[14,17]。
银作为抗菌剂由来已久,通过释放银离子破坏细胞膜和DNA复制能力来抑制微生物细胞[18,19]。纳米银能直接引起细胞膜的损坏,进而增加细胞膜的渗透性,最后导致细胞死亡[20,21];纳米银具有极强的抑菌和杀菌特性,但对哺乳细胞的毒性较低;然而,由于氧化和团聚的问题,纳米银的抗菌性会受到影响[22]。为了解决这个问题,将纳米银负载到GO上,预期能够提高纳米银在水溶液中的分散性,同时通过GO和纳米银在抗菌方面的协同作用,进一步提高GO-nAg复合材料的抗菌性能[23]。
本实验采用化学还原法制备了氧化石墨烯-纳米银复合材料(GO-nAg),对GO-nAg复合材料进行表征,并以大肠杆菌为测试底物细菌,比较GO-nAg、纳米银和GO的抗菌活性。
1实验
1.1材料
GO购自南京先丰纳米材料科技有限公司,片径为0.5~ 5μm,厚度为0.8~1.2nm。实验中称取一定质量的GO溶于去离子水中,用玻璃棒搅拌,再超声至GO完全溶解。聚乙烯吡咯烷酮-K30(PVP-K30)和硝酸银等化学药剂均购于国药集团化学试剂有限公司。
大肠杆菌(ATCC 53338)冻干粉由美国Invitrogen公司提供。
1.2材料制备与表征
1.2.1 GO-nAg的制备
称取5g PVP-K30溶于去离子水中,在60 ℃水浴锅内加热并磁力搅拌至溶解;加入10mL GO(0.5mg/mL)加热30min;再逐滴加入6mL硝酸银溶液(188 mmol/L),加热7h;待溶液冷却到室温后,用水相0.22μm滤膜抽滤水洗3次,将滤膜放在60 ℃ 真空干燥箱干燥12h,所得固体即为GO-nAg[24]。
1.2.2材料表征
通过透射电子显微镜(TEM,JEM 2011,日本)观察材料的微观结构、纳米尺寸及纳米银在GO上的分布情况等,工作电压200kV,束斑25nm,分析区域为3~40nm。再通过X射线能量色散谱(EDS,S4EXPLORER,德国)对复合材料的元素成分进行测试,表征条件与TEM相同。
1.3抑菌实验
1.3.1平板计数法
采用传统平板计数法测定活细胞的数量[25]。 将处于对数生长期的大肠杆菌用生理盐水离心(10000r/min, 30s)水洗后,重悬于生理盐水(质量分数为0.9%);将一定量的GO-nAg、纳米银以及GO分别与细菌悬浮液均匀混合;培养一段时间后,取30μL混合液于平板培养基,用涂布棒涂抹均匀;对照组加入与抗菌剂等量的生理盐水, 其他操作与实验组相同。平板培养基放于37 ℃恒温培养箱中培养24h后,对平板培养基上的菌落进行计数。 为了确保数据的稳定性,所有实验重复3次,实验结果以平均值±标准偏差的形式表示。
1.3.2最低抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)
抗菌剂的抗菌能力通常用最小抑菌浓度和最小杀菌浓度来衡量。采用2倍稀释法测定抗菌剂的MIC和MBC值[20]。向96孔板中加入100μL去离子水,再分别加入100 μL浓度为2mg/mL的GO-nAg和GO,采用2倍稀释法,使得每个孔中的抑菌剂浓度为前一个孔中抑菌剂浓度的1/2; 将100μL处于对数生长期的大肠杆菌与上述抑菌剂混合均匀;对照组加入与抑菌剂等量的生理盐水,其他操作与实验组相同;将96孔板置于37 ℃培养箱培养24h后,观察菌落的生长情况,以不长菌的最低浓度为最小抑菌浓度(MIC)。 在没有观察到浑浊的孔板中,用划线法在固体培养基上进行培养,置于37℃培养箱培养18h之后,观察平板上所有没有生长细菌中最小的浓度为MBC。实验中每个样品做3个平行样。
1.3.3扫描电子显微镜研究抗菌性能
通过扫描电子显微镜观察细菌与GO-nAg、纳米银及GO接触后细胞形态的变化,具体操作方法如下:将处于生长期的大肠杆菌用PBS离心(1000r/min,30s)水洗3次,重悬于1mL PBS溶液中,用移液枪分别吸取上述细菌稀释液0.1mL于2mL离心管中,再取0.9mL抑菌剂(GO-nAg、纳米银及GO)与上述细菌稀释液混合,空白对照组取0.1mL细菌稀释液与0.9mL去离子水混合。经过真空干燥处理后,置于扫描电子显微镜下观察。
2结果与讨论
2.1 GO-nAg的表征
图1为GO-nAg的TEM图,证实纳米银成功负载到氧化石墨烯片层上,并且氧化石墨烯片层比较纯净;通过图1(a)、(b)可以确定纳米银的粒径范围为10~20nm。通过图1(c)、(d)观察到负载的纳米银分散性较好,没有明显团聚的现象。
GO-nAg复合材料的元素分析如表1所示。从表1中可发现GO-nAg中银元素的质量分数为24.74%。
2.2 GO-nAg、纳米银及GO的抗菌性能
2.2.1 GO-nAg、纳米银及GO的抑菌率测定
根据EDS表征结果,确定银元素在复合材料中的质量百分比,故对0.1mg/mL GO-nAg、0.03 mg/mL纳米银及0.07 mg/mL GO抗菌性能进行比较。GO-nAg、纳米银及GO的抗菌性能如图2所示,与大肠杆菌接触20min后,GO显示出最强的抗菌性,抑菌率达到98%,而GO-nAg和纳米银抑菌率都在20%左右,说明GO在较短时间内表现出极强的抗菌性;当接触时间延长到40min和60min时,3种抑菌剂的抑菌率基本保持不变。结果说明,相对于GO-nAg和纳米银,GO抗菌性能最强,GO-nAg和单独纳米银的抗菌性能大致相同。
2.2.2最低抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC) 测定
表2是GO-nAg、纳米银及GO对大肠杆菌的MIC和MBC。相对GO-nAg和纳米银,GO抗菌性最强,而GO-nAg和纳米银的抗菌性基本相同。这与抑菌率的实验结果保持一致。
2.2.3扫描电子显微镜研究抗菌性能分析
采用扫描电子显微镜(SEM)研究GO-nAg、纳米银及GO对大肠杆菌的抗菌结果,如图3所示。图3(a)、(b)为未加抑菌剂的大肠杆菌,形态为饱满的圆柱状,表面光滑无破损;图3(c)、(d)是与GO-nAg接触后的大肠杆菌,细胞膜出现破损,且出现部分溶解的现象;图3(e)、(f)为与纳米银接触后的大肠杆菌,观察到纳米银吸附在大肠杆菌表面,有文献报道,这是由于银与含硫或含磷化合物具有很强的结合反应作用[26,27],当纳米银吸附在细胞膜表面,纳米银和其释放的Ag+会与细胞蛋白的含硫基团进行反应,扰乱其正常的功能,从而改变细胞的通透性,最终使细胞死亡[28,29];图3(g)、 (h)为接触GO后的大肠杆菌,细胞膜破裂严重,细胞基本全部溶解。该实验结果与之前的抗菌实验保持一致,进一步证实GO-nAg比氧化石墨烯抗菌性差,而与单独纳米银的抗菌性基本相同。
2.2.4 GO-nAg、纳米银及GO抗菌性能分析
以上实验结果表明,GO表现出较强的抗菌性能,GO- nAg复合材料与单独纳米银的抗菌效果基本相近,没有表现出协同的抗菌作用。该实验结果与之前一些文献报道GO- nAg具有较好的抗菌性能存在矛盾。Wu等[22]通过静电吸附装配制备Ag-PDDA-GO复合材料表现出极强的抗菌性, 当浓度为50μg/mL的Ag-PDDA-GO与大肠杆菌或芽胞杆菌接触10min后,抑菌率达到100%。Zhang等[30]采用绿色合成法制备GO/Ag,当GO/Ag浓度为10×10-6时对大肠杆菌的抑菌率达到99.9%,而10×10-6GO抑菌率仅达到38%。Bao等[31]采用对苯二酚作为还原剂将纳米银负载到GO上,检测其在自然水体中的抗菌性,发现大肠杆菌与GO和复合材料接触后,细胞减少率分别为51.9% 和100%,相比于单独GO,复合材料表现出极强的抗菌性。Tang等[32]通过制备不同负载比例GO-nAg复合材料进行抗菌性的比较,结果显示nAg与GO质量比为1∶1时抗菌效果最好,说明在该比例下,GO与适量的银颗粒相互作用,发挥较强的抗菌活性;当负载较多的纳米银时(nAg与GO质量比大于1),容易造成纳米银的堆积效应,且在一定程度上减弱其抗菌性; 当负载较少的纳米银时(nAg与GO质量比小于1),复合材料不能发挥协同作用。这说明GO-nAg复合材料的抗菌性能与结构、理化性质以及GO和纳米银之间的协同相互作用有关,而不是纳米银和GO抗菌作用的简单叠加。而本研究中,纳米银和GO质量比小于1,属于负载纳米银量较少的情况,而且GO-nAg复合材料的抗菌性能不如单独GO效果好,也证实GO-nAg复合材料的抗菌性与GO和纳米银之间的相互作用以及负载的纳米银含量紧密相关。而且,很多研究负载纳米银的方法也不同,以及所处的实验条件等客观因素的影响,都会导致实验结果的不一致。
图3大肠杆菌与GO-nAg、纳米银及GO反应后的SEM照片:未加抑菌剂的E.coli(a,b),与GO-nAg反应的E.coli(c,d),与纳米银反应的E.coli(e,f),与GO反应的E.coli(g,h)Fig.3 SEM images of E.coli without bacteriostatic agents added(a,b),treated with GO-nAg(c,d),treated with nAg(e,f);and treated with GO-nAg(g,h)
3结论
采用化学还原法制备GO-nAg,通过TEM和EDS表征证明纳米银成功负载到GO上且分散性较好。通过抑菌率实验,对比GO-nAg、纳米银和GO抗菌性能,发现GO与大肠杆菌接触20min后抑菌率达到98%,而此时GO-nAg和纳米银抑菌率仅有20% 左右;MIC和MBC实验以及利用SEM观察细胞形态,结果都表明GO-nAg复合材料在抗菌方面没有表现出协同作用,而是与单独纳米银的抗菌效果基本相同,GO却表现较强的抗菌性能。推测GO-nAg复合材料抗菌效果与GO和纳米银的相互作用以及负载的纳米银含量密切相关,这为以后GO-nAg抗菌研究提供了参考。
摘要：采用化学还原法在氧化石墨烯(GO)表面负载纳米银(nAg),制备纳米银-氧化石墨烯复合抗菌材料(GO-nAg)。透射电子显微镜(TEM)和X射线能量色散谱(EDS)表征结果表明,纳米银成功地负载在GO表面,纳米银分散良好。以大肠杆菌为目标细菌,对GO-nAg、纳米银以及GO的抗菌活性进行比较,实验结果表明,GO-nAg未表现出很强的抗菌性,且与纳米银抗菌效果基本一致,而GO抗菌效果更好。
抗菌材料及其抗菌机理 篇5
由于Ag+离子具有广谱抗菌、杀菌效率高、安全无毒、不易产生抗药性等优点,国内外对银系抗菌材料的研究和应用越来越多[1,2,3]。国外在这个领域的研究从20世纪80年代初开始,日本是世界上抗菌材料研究和应用最为发达的国家之一。在日本抗菌材料主要应用在家用电器、生活日用品、玩具、建筑材料、食品包装和其他一些领域[4]。我国的研究开始于20世纪90年代初期,至20世纪90年代中期,除了在涂料等极少数领域有所应用外,其他领域几乎全是空白。但近几年我国抗菌材料行业发展很快。科研工作者们通过离子交换法、络合-被覆法和玻璃化法等各种方法,将沸石、可溶性玻璃、磷酸盐、膨润土和硅胶等与银相结合,制得各种银系抗菌材料,应用这些抗菌剂制得了抗菌玻璃、抗菌陶瓷、抗菌涂料、抗菌塑料和抗菌不锈钢等各种银系抗菌产品[5,6,7,8,9]。
该文就抗菌材料的分类、抗菌的原理和目前国内外抗菌剂(特别是银系无机抗菌剂)与抗菌材料研究进展及其在建筑材料中的应用发展等做了综述。
1 抗菌材料的分类及特点
抗菌剂是指能够在一定时间内,使某些微生物(细菌、真菌、酵母菌、藻类及病毒等)的生长或繁殖保持在必要水平以下的化学物质。它能通过物理、化学作用杀死附着在材料表面的微生物。抗菌材料是指经抗菌剂处理,与抗菌剂共同作用,具有抗菌性能的各种材料。抗菌材料可以抑制对人类身体健康或生活、生产环境有害的微生物的繁殖和生长[10],从而达到抗菌的目的。
抗菌材料按其中的有效抗菌成分种类,可以分为天然抗菌材料、有机抗菌材料、无机抗菌材料和复合抗菌材料4大系列[11]。表1对这4种抗菌材料的品种与化学成分、抗菌机理以及优缺点进行了简单的比较。
大多数有机抗菌材料由于耐热性较差、寿命较短、毒性较大、容易分解、难降解等缺点受到限制,科研人员逐渐将研究方向转向了无机抗菌材料。无机抗菌材料又可细分为光催化材料、天然矿石、含金属离子的材料等。其中应用最为广泛的是银系无机抗菌材料[12] ,由于无机抗菌材料有着各种优点,应用范围广泛,具有良好的商业前景,成为了抗菌材料领域的研究热点,受到各国科研人员的广泛关注。
2 银系无机抗菌材料的抗菌机理及研究进展
和有机抗菌材料相比,无机抗菌材料具有安全性高、耐久性好、光谱抗菌、耐热性好等优点,这就使得它在家电、塑料、建材等方面具有广阔的应用前景。无机抗菌材料中常用的是对人体安全的金属离子。金属离子杀灭细菌的活性从大到小的顺序为[13]:Ag+>Hg2+>Cu2+>Cd2+>Cr3+>Ni2+>Pd2+>Co4+>Zn2+>Fe3+。其中的Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cr3+等毒性较大,对人体健康有害同时污染环境,因此实际上用作金属杀菌剂的金属只有Ag、Cu和Zn。而其中Ag的杀菌能力最强,其杀菌能力是锌的上千倍,是目前研究最多的抗菌材料,美国科学家纽曼[14]的研究表明,Ag+离子有破坏细菌、病毒分裂细胞和新陈代谢作用的功能。Ag优异的抗菌、灭菌性能使其具有成为抗菌材料的巨大潜力。
2.1 银的抗菌机理
根据已有的实验结果和相关研究, 科研工作者提出了下面2种银的抗菌机理[15]:
1) 接触反应杀菌。从微生物学角度,几乎所有细菌的细胞膜和细胞壁都带负电荷(主要是由—COO-、 PO3-、—O— 、— S-等阴离子基团产生的),而Ag+离子带有正电荷。异性电荷相互吸引,Ag+离子很容易吸附到各种细菌表面,使细菌的生存环境遭到破坏,同时约束细菌的活动,抑制其新陈代谢,最终使细菌发生“接触死亡”。同时还会造成细胞膜和细胞壁发生变形,蛋白质和酶失去活性,代谢功能破坏,导致细胞物理性穿孔破裂,使细胞质溢出,特别是与细菌细胞内的蛋白质、核酸中的—SH、—NH2等官能团反应,造成蛋白质发生凝固,使细胞合成酶失去活性。酶一旦失活,就会使细胞内生化反应催化效率降低或性能丧失,同时影响其它相关的生化反应,致使微生物的新陈代谢受阻,影响微生物的繁殖、生长、发育等过程,从而达到抗菌、灭菌的目的。Ag+与微生物细胞中酶的反应过程如下
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2) 光催化杀菌。在光照条件下,Ag+离子能起到催化活性中心的作用,活化空气和水分子中的氧,产生负氧离子(O2-) 和羟基自由基(·OH)[16],O-2和·OH能在较短时间内破坏微生物的繁殖能力,导致细胞死亡,从而达到抗菌的目的。Ag+离子的光催化反应过程如下[17]
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2.2 银系无机抗菌材料的种类
银系无机抗菌材料的种类主要与其载体的种类有关,目前银系无机抗菌材料载体种类很多,例如沸石、玻璃、硅胶、活性炭、膨润土等,载体不同,其抗菌机理和抗菌效果也不同。银系抗菌材料的种类及其载体性质见表2。
1) 银系沸石抗菌材料。
天然沸石是具有架状结构的多孔性含水铝硅酸盐矿物的总称。其结构为铝氧四面体和硅氧四面体共用氧原子而形成的三维骨架结构,比表面积较大,同时热稳定性良好。因此,银系沸石抗菌材料是目前最常用的材料之一。由于载银沸石无机抗菌材料的颗粒粒径小且大小差别不大,在其他材料中能均匀分布,抗菌效果好,抗菌时间持久,与其他离子相比有更好的抗菌效果,所以在抗菌金属离子中,银系沸石抗菌材料研究最早,且最为成熟。
目前开发出来的商品银系沸石抗菌材料也比较多,日本品川燃料公司在1984年首次成功研制出银系沸石抗菌材料,并且产品不断发展,从单一的载银发展到载铜、载锌或载银铜、铜锌、银铜锌等复合金属离子抗菌材料,但其中载银沸石抗菌材料抗菌效果最好。目前最为成熟的沸石抗菌材料是日本Sinanen Zeomic公司的专利产品的Zeomic XAW10D (载Ag或载Ag/ZnA型沸石)。其中含银量为2.1%~2.5%。银系沸石抗菌材料对各种细菌的MIC为62.5~500 ppm,对真菌类的MIC为500~1 000 ppm[18]。
2) 银系溶解性玻璃抗菌材料。
用作抗菌材料载体的玻璃一般选用化学稳定性较差、能溶于水的硼酸盐或磷酸盐玻璃。但是以硼酸盐玻璃为载体的抗菌材料在溶出具有灭菌能力的金属离子的同时,也能溶解出目前毒性尚不确定的硼离子,因此其应用范围有所限制,相应的研究较少。磷酸盐玻璃的主要元素是磷,它对人体健康和环境危害很小。在磷酸盐玻璃中加入Ag+、Cu2+等金属离子可以制备高效、长期、缓释的新型抗菌材料。目前,日本、欧美等国已成功地将银系溶解性玻璃抗菌材料商品化,取得了良好的经济效益[19]。
目前开发出来的主要商品有[20]:WA291粉,其主要成分为硅酸盐玻璃。WA291粉是日本石硝子玻璃公司的专利产品。后来中央玻璃公司、平板玻璃公司等又改进了其玻璃组分,最终制成各种品种的银系玻璃:有含P2O5、CaO、Ag2O;P2O5、MgO、Ag2O; P2O5、CaO、SiO2、Ag2O;P2O5、CaO、Na2O(K2O)、Ag2O以及SiO2、B2O3、Na2O、Ag2O等玻璃。其粒径为1 μm左右,含银量为1.5%~3.0%。目前较成熟的商品还有APACIAER [20] 以及Novaron。Novaron是日本东亚合成公司的专利产品,其组分大多为Ag0.17Na0.29H0.54Zr2(PO4)3,粒径为0.72~1 μm,含银量为3.6%,白色粉末,对各类细菌的MIC为125~1 000 μg/L。
3) 银系硅胶抗菌材料[1]。
硅胶的比表面积比较大,适合作为银的载体,目前主要通过两种方法制得抗菌材料。第一种是在硅胶表面吸附络合物 Nap[Agq(S2O3)],然后通过溶胶-凝胶法在其表面形成一层SiO2,这种方法制备的抗菌材料具有良好的抗菌持久性和热稳定性。第二种方法是将硅胶用碱(LiOH、NaOH、KOH),偏铝酸盐(LiAlO2、NaAlO2、KAlO2)混合溶液处理,在其表面形成一层薄的无定型硅铝酸盐或沸石(A型和Y型)的结构,然后用含银离子的溶液处理,使其具有抗菌性能。
4) 银系磷酸盐抗菌材料。
用作抗菌材料的磷酸盐主要是具有降解性的磷酸钙类物质,包括羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(α-TCP、β-TCP)、磷酸四钙(TeCP)及其混合物,其中降解性能最好的是β-TCP磷酸三钙。据相关报道[17]目前以磷酸钙为载体的抗菌材料的研究工作十分活跃。磷酸钙与生物具有良好的亲和性,它广泛用作人工骨、人工齿根、生物骨水泥等生物材料。另外,它也广泛应用在食品添加剂和催化剂等领域,因此是一种对人体很安全的抗菌载体材料。其制备工艺是将磷酸钙与Ag+离子化合物混合,然后在1 000 ℃以上进行烧结,再通过粉碎、研磨后得到成品,抗菌成分Ag+通过磷酸钙的解析过程进入介质溶液,产生抗菌作用。Ag+的析出量与磷酸钙载体的结构(空隙度、结晶度、晶格缺陷、气孔尺寸、比表面等)以及形态(块状、粉状、颗粒等)有很大的关系[21]。
3 银系无机抗菌材料的制备方法
3.1 离子交换法[22]
硅酸盐(如沸石、蒙脱石等)和磷酸盐(如磷酸锆、磷酸钙)等都具有坚固的骨架结构,内部空隙较大,其中多含有K+、Na+、Ca2+等金属离子起到平衡电价的作用。将Ag+、Cu2+、Zn2+等离子与其混合,可通过交换反应置换其中的K+、Na+、Ca2+离子。具体方法主要有浸渍交换和树脂柱交换。
1) 浸渍交换法。
此方法是将磷酸盐或硅酸盐用有机溶剂或水分散成悬浮液,然后将抗菌金属盐类按一定比例加入到载体溶液中,在一定温度下搅拌,使其充分发生离子交换,最后经过滤、洗涤,就可制得成品,其工艺过程为:沸石粉+硝酸银→水→混合浆液→粗制载银沸石液→过滤→干燥→载银沸石[23]。这种方法要求载体本身不可溶解,同时又要求载体的粒度较细,可较好的分散在水或有机剂中。此方法的优点是制备的抗菌材料载银量较大,并且可以载入大分子的有机物改变它的亲水性。
2) 树脂柱交换法。
利用树脂柱交换法制备载银沸石抗菌材料的工艺过程如下:阳离子交换树脂柱→含H+的树脂柱→含Ag+的树脂柱→粗制载银沸石液→过滤→清洗→干燥→载银沸石[24]。阳离子交换树脂设计成柱状吸附塔,同时充当反应的媒介。含有抗菌金属盐的溶液流过树脂柱时发生如下反应:Resin-H++Ag+→Resin-Ag++H+。接着,无机化合物载体浆液在流动过程中与树脂发生离子交换反应:Resin-Ag++Zeolite-Na+→Resin-Na++Zeolite-Ag+。将其中的Na+离子用Ag+离子取代。此方法操作简单,但需要控制好液体流过树脂的速度,消耗时间较长,并且不能加热和搅拌,从而交换的能量不够,载入银的量也有限,造成了材料抗菌性能的局限性。
3.2 络合—被覆法
日本学者富冈敏一[25]利用络合—被覆法成功制备出了银硅胶,其工艺过程如下:溶解→络合→载持→干燥→被覆→干燥→银硅胶。首先将醋酸银溶于水中,同时加入络合剂Na2S2O3,生成络合物。然后再加入硅胶,吸附带负电荷的络合离子[Ag(S2O3)]3-,干燥后,通过溶胶—凝胶法涂覆一层SiO2膜在其外部,通过这种方法得到的产品有较好的缓释能力和稳定性。
3.3 玻璃化法
日本专利平3—7201[26]报道了将Ag、Cu、Zn、Sn的一种或多种氧化物在低于玻璃转化温度附近与Na2O-B2O3-SiO2玻璃发生作用,金属离子扩散到玻璃中。或将这些金属的氧化物与一定配比的Na2O、B2O3、SiO2玻璃组分混合熔融、冷却形成玻璃。将该玻璃粉碎至粒径小于300 μm,在水中具有0.001%~10% Hr的溶解速度同时表现出良好的抗菌性能。这种方法一般适用于玻璃和陶瓷,但其粉体易团聚,不易保存。
4 银无机抗菌材料在建材中的应用
银系无机抗菌材料由于具有良好的抗菌性能、高的安全性和良好的耐热性能,已广泛应用于家电、轻纺、建材和交通等领域。在家电产品中,无机抗菌材料可用于洗衣机内桶、冰箱内胆、空调、净水器以及电脑的鼠标、键盘等;轻纺工业产品中有衣服、毛巾、床上用品、窗帘、桌布、运动鞋以及各种运动器械;建筑材料中有石膏制品、卫生洁具陶瓷、抗菌砂、地板砖、抗菌玻璃、涂料和墙纸等;其他领域如交通工具的汽车门拉手、扶手、方向盘等,医疗用品的手套、器械等,还有食品包装袋、手机、化妆品盒、塑料产品等等。下面主要举例说明银系无机抗菌材料在建材领域的应用。
4.1 抗菌卫生陶瓷
由于厨房、卫生间等场所一般比较潮湿,很易污染并滋生细菌,因此很有必要开发抗菌自洁的墙面材料和卫生洁具,也具有重大的意义。陶瓷的烧结温度一般比较高(在1 100~1 300 ℃左右),因而需要添加在高温下稳定的无机抗菌材料。由于陶瓷表面容易被细菌和污物接触,抗菌陶瓷一般是将抗菌剂加人陶瓷釉料中,经过施釉烧制得到抗菌釉层,从而生产出抗菌瓷砖和卫生洁具。或者采用溶胶-凝胶镀膜技术,在传统陶瓷表面涂上一层含Ag+离子或Cu2+离子的薄膜,这样陶瓷就具有抗菌自洁功能。大连轻工业学院用磷酸三钙吸附Ag+离子制备抗菌剂,并将其加入到釉料中成功制备了抗菌陶瓷,研究表明Ag+离子的吸附量和磷酸钙的粒度有关,同时还发现添加氟化物可以增强抗菌材料的耐热性,从而提高釉烧温度。通过这种方法,瓷砖和陶瓷洁具都已实现表面抗菌化。
4.2 抗菌玻璃[27]
研究表明普通玻璃的化学持久性不强,在某些溶剂(特别是水)存在条件下很容易造成玻璃的溶解。然而玻璃能保持金属以离子状态在其中稳定存在,如引人Fe、Co、Cu等多种金属离子于玻璃中,通过控制其价态可以得到各种颜色的玻璃。根据这一特性,有学者引入Ag、Cu和Zn等具有抗菌防霉性能的金属离子制得了抗菌玻璃,在有水存在的情况下会缓慢释放出金属离子发挥其抗菌性能。
4.3 抗菌涂料[28]
在房屋中使用抗菌涂料,也是一种有效的杀灭细菌的办法。通过接触杀菌,可以使涂料中的无机抗菌材料发挥作用,同时涂层表面的抗菌材料对涂料的颜色影响不应太大。此外,抗菌材料在涂料表面的分散是否均匀也直接影响着抗菌效果的好坏。抗菌涂料的使用,将使建筑表面广泛具有抗菌性能。
5 存在问题及发展趋势
目前国内外学者对银系无机抗菌材料的研究不断深入,抗菌材料的性能也逐渐提高,应用领域日趋广泛,其市场容量也将越来越大。但是,银系无机抗菌材料也存在一些问题。
1) 抗菌性的稳定性问题。由于无机抗菌剂含有Ag+离子,其化学性质比较活泼,很容易被氧化成棕色的氧化银,或经紫外光催化还原成黑色的单质银。变色后其抗菌性将会降低,同时还存在使白色或浅色制品由于变色而无法应用的问题。
2) 目前关于抗菌机理的解释虽然已有两种假设,但还是存在一些疑问,需要结合微生物学、生物化学等知识作进一步的研究,从而更好的指导抗菌材料的开发和应用。
3) 银的成本相对较高,如果大量使用,必将限制其在更大范围内的应用。
4) 抗菌指标的建立与完善。和有机抗菌材料相比,无机抗菌材料抗菌指标的建立更复杂。建立一套简便易行、实验重复性好、实验结果与实用效果相关性高的评价基准和方法是很有必要的,这样可以更好的指导产品的开发、应用及消费。
5) 银的安全用量需要进一步限定。欧美等国规定银的安全用量为50×10-9~100×10-9,超过这个用量就会引起中毒。此外大量使用银系无机抗菌材料也会造成环境污染问题。
6) 多功能型抗菌材料的开发。需要使用抗菌材料的场合往往同时存在藻类、臭气、污物等。所以,需要进一步开发抗菌与脱臭、抗菌与除藻、杀菌防霉等多功能的抗菌材料。
浅谈抗菌肽作用机理 篇6
关键词：抗菌肽,作用,机理
现今社会人们对抗生素的依耐性越来越大, 不仅将抗生素用于畜禽疾病的治疗, 还将其作为饲料添加剂服务于养殖业。随着时间的推移, 抗生素的广泛应用和滥用, 相当一部分微生物对药物产生耐药性, 对畜禽的破坏力更大, 还使肠道微生态受到破坏, 导致机体耐药性的产生及药物残留。因此, 开发绿色安全、无残留的抗生素替代品已成为一种必然的趋势。
1 抗菌肽广谱抗菌作用及机理
抗菌肽主要生物学作用是抗菌活性。周义文[1]等分离纯化的家蝇抗菌肽对标准菌株大肠埃希菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的MIC分别为2.4、3.6、4.8µmol/L。王庄等从蚯蚓中提取的抗菌肽对草枯杆菌、金黄色葡萄球菌、巴氏杆菌、大肠杆菌均有明显的抑菌效果。
抗菌肽对细菌的作用机理, 目前主要有两种不同的观点。第一, 胞膜渗透作用。抗菌肽与细菌胞膜相互作用, 肽的疏水部分与胞膜磷脂结合形成复合物并插入胞膜中, 亲水部分与胞膜脂质结合构成通道内壁, 从而形成跨细菌细胞膜的通道。第二, 作用于细菌胞内靶点。近年来研究表明, 抗菌肽通过抑制DNA复制和RNA合成, 影响细胞壁和隔膜的形成, 抑制细胞分裂和抑制细胞内酶活性扰乱细菌细胞的正常代谢, 从而杀灭细菌。
2 抗菌肽对真菌作用及机理
抗菌肽对细菌和真菌都有一定的作用。Wakabayashi等[2]研究发现, Lactoferricin B及衍生物体外能抑制毛癣菌、白色链珠菌等真菌的繁殖, 抑制其菌丝的生长;口服Lactoferricin B能够改善感染毛癣菌动物的病状, 促进病灶痊愈。刘静等[3]从枯草芽孢杆菌JA分泌物中分离到的抗菌肽AFP1、AFP2和AFP3均对水稻纹枯和小麦赤霉病菌均有抑菌作用。
其抗真菌的作用机理主要包括3个方面:
1) 破坏真菌细胞壁的合成, 从而阻止其生长;
2) 与真菌胞内核酸、线粒体等大分子物质相互作用, 从而导致真菌死亡;
3) 对真菌进行膜攻击, 破坏真菌的细胞膜, 使内容外泄, 杀死真菌。
3 抗菌肽对病毒作用及机理
大量研究表明, 有些抗菌肽具有明显的抗病毒作用。樊博[4]将未经和经过抗菌肽处理的NDV和IBV分别接种鸡胚后发现, 未经抗菌肽处理的病毒接种鸡胚后鸡胚发育缓慢, 出现了明显的病理变化, 经过抗菌肽处理的病毒接种后没有明显的病理变化, 说明鸵鸟中性粒细胞抗菌肽能够抑制或杀灭病毒从而减弱病毒带给鸡胚的病变。
其抗病毒作用机制主要有3种:
1) 抗菌肽与病毒直接结合, 阻碍病毒对宿主细胞的黏附;
2) 抑制病毒的繁殖;
3) 模拟病毒的侵染过程发挥作用。
4 抗菌肽对肿瘤作用及其机理
王芳等[5]利用SCGE方法观察抗菌肽CM分对人正常白细胞和K562肿瘤细胞的DNA断裂影响发现, 抗菌肽能够高度选择性地使K562肿瘤细胞的DNA断裂而致细胞死亡。邱晓燕等研究舍蝇抗菌肽对肿瘤细胞生长抑制作用发现, 舍蝇抗菌肽能有效抑制人胃癌细胞MGC80-3和BGC-823, 人乳癌细胞MCF-7及人肺癌细胞SPC-A-1的体外增殖, 并呈浓度依赖性关系。
较认同的抗菌肽抗肿瘤的作用机制有5个方面:
1) 作用于肿瘤细胞膜使其发生穿孔形成孔道, 使肿瘤细胞死亡;
2) 使肿瘤细胞骨架结构发生紊乱;
3) 影响DNA合成, 抑制细胞增殖;
4) 作用于线粒体从而诱导肿瘤细胞凋亡;
5) 提高机体免疫效应从而杀伤肿瘤细胞。
5 抗菌肽对动物的免疫调节活性
抗菌肽除了能直接杀灭宿主免疫系统中有害的病原微生物外, 还对机体免疫、刺激免疫因子的产生起调节作用。抗菌肽可以通过调节靶细胞的调亡、基因转录、巨噬细胞、树突状细胞和其它抗原呈递细胞趋化性, 调节宿主细胞因子的产生和T细胞、B细胞的抗原特异性免疫应答而作用于先天及获得性免疫。当由细菌引起机体发生急性炎症, 体内抗菌肽能迅速溶解侵入的细菌, 并使其释放炎性介质;加强巨噬细胞对细菌的吞噬作用, 使组织纤维蛋白凝块的溶解受到抑制, 阻止病原菌的进一步扩散, 促进上皮细胞和成纤维细胞的有丝分裂, 促进成纤维细胞的生长, 促进伤口愈合。
综上所述, 抗菌肽功效突出是目前较为理想的抗生素替代品, 在解决现今抗生素耐药性泛滥的时期, 它的出现为我们找寻新型抗生素药物提供一个重要方向。由此抗菌肽具有很大的发展潜力和空间, 相信会更多的抗菌肽类药物运用于我们的生活, 将会带来更大的福祉。
参考文献
[1]周义文, 姬尚义.家蝇抗菌肽的免疫诱导及抗菌活性研究[J].临床检验杂志, 2008, 26 (1) :24-26.
[2]Wakabayashi H, Uchida K, Yamauchi K, al e.Lactoferrin given in food facilitates dermatophytosis cure in guinea pig models[J].Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2000, 46 (4) :595-602.
[3]刘静, 王军, 姚建铭, 等.枯草芽孢杆菌JA抗菌物特性的研究及抗菌肽的分离纯化[J].微生物学报, 2004, 44 (4) :511-514.
[4]樊博.鸵鸟血液中性粒细胞中抗菌肽的分离纯化及其抗菌抗病毒作用的研究[D].河南农业大学, 2008.
抗菌材料及其抗菌机理 篇7
关键词：壳聚糖,银纳米粒子,抗菌棉纤维,表面抗菌
天然纤维制品尤其是棉纤维由于具有吸湿性、肌肤亲和性等优点,在服饰领域应用广泛[1]。棉纺织物是天然亲水性织物,在应用过程中极易吸附细菌等微生物,导致织物变色、脆化并对人体健康产生危害[2]。因此,棉纺织物的抗菌改性研究具有重要意义。多种抗菌剂如无机盐[3]、多酚[4]和高聚物[5]等应用到棉织物的抗菌改性中,但大部分抗菌化合物会对人体产生毒性或在自然条件下不能降解。相关研究表明,经改性制得的水溶性银纳米材料具有抗菌广谱性、安全无毒性及不产生耐药性等优点,而单纯的银纳米材料易发生团聚和表面中和反应,限制了在生物医疗方面的应用。有文献报道,用具有抗菌活性的表面活性剂等对银纳米材料进行表面修饰,能制得具有更好抗菌效果的银纳米材料[6]。壳聚糖(CS)是优良的生物活性高分子,具有生物可降解性、抗菌性等特点,应用于银纳米材料的制备[7]。将CS分子修饰于银纳米粒子表面,不仅可以增加银纳米粒子在水溶液中的稳定性,而且能够提高银纳米粒子的抗菌效果。本研究以CS为分散剂和保护剂,通过液相还原法制得了水溶性银纳米粒子(CS/Ag NPs),并负载到脱脂棉纤维表面,制得抗菌棉纤维。探讨抗菌棉纤维对耐药性甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)、蜡状芽孢杆菌(B.cereus)及革兰氏阴性菌大肠埃希氏菌(E.coli)的抑菌效率及抗菌持久性,并且初步讨论了其可能的抑菌机理。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
硝酸银、CS、硼氢化钠、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS),均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;脱脂棉(医药级),南京市医药商店;S.aureus(CICC 10384)、B.cereus(CICC10352)、E.coli(CICC 10354),中国工业微生物菌种保藏管理中心;MRSA,南京市鼓楼医院提供。
紫外可见分光光度仪(UV-1800型),上海美谱达公司;透射电子显微镜(TEM,JEOL-1010型),日本电子株式会社;扫描电子显微镜(S-3400N型),日本日立公司;激光共聚焦显微镜(Zeiss LSM510 Meta型),德国蔡斯公司。
1.2 CS/Ag NPs的制备
室温及磁力搅拌条件下,0.20g CS溶于100mL体积分数为1%的乙酸溶液中,制得2mg/mL的CS溶液;分别配制0.10mol/L的硝酸银溶液和硼氢化钠溶液各2mL。将配制的硝酸银溶液加入上述CS溶液中混合均匀并持续搅拌约30min,然后向混合溶液中逐滴加入500μL硼氢化钠溶液,观察到混合溶液逐渐由黄色变为棕红色,继续搅拌1h左右,即制得CS/Ag NPs。
1.3 抗菌棉纤维的制备
称取数块质量为0.045g左右的脱脂棉,分别浸于3mL MPTS体积为甲苯体积的2%、4%、6%、8%、10%和12%的溶液中,50℃条件下分别反应一定时间(3、4、5、6、7和8h),取出,分别用无水乙醇洗涤3次,拧干,80℃烘干;干燥后的棉纤维分别浸于4mL的CS/Ag NPs溶液中,50℃条件反应一定时间(2、4、6、8、10和12h),取出拧干,蒸馏水洗涤3次,80℃干燥,制得抗菌棉纤维。脱脂棉的增重率计算,见式(1)。
式中,m前和m后分别是脱脂棉处理前后的质量,g。
1.4 抗菌棉纤维的抗菌测试
配置新鲜测试菌MRSA、S.aureus、B.cereus和E.coli溶液,调节浓度为108CFU(菌落形成单位)/mL,每种各2个培养管菌液(10mL),分别加入0.045g左右的抗菌棉纤维和未处理的脱脂棉,分别混合均匀后在37℃恒温条件下培养4h,然后取出抗菌棉纤维和脱脂棉,分别放入10mL蒸馏水中,剧烈摇晃,洗脱细菌。将洗脱液稀释后取0.5mL均匀涂布到琼脂板上,37℃恒温条件下培养24h,分别数菌落。计算抗菌棉纤维的抗菌活性的抑菌率(R),见式(2)。
式中,A和B分别表示实验组和空白对照组的菌落数,CFU/mL。
1.5 抗菌棉纤维的抗菌持久性测试
以S.aureus为实验菌种,进行抗菌持久性测试。在搅拌条件下将抗菌棉纤维浸于蒸馏水中10min,拧干后80℃干燥,重复上述步骤,抗菌实验参考1.4章节的实验步骤。
1.6 抗菌棉纤维的吸附动力学实验
抗菌棉纤维的吸附动力学实验参照参考文献[8],实验方法稍作改变。准备2份100mL浓度为109CFU/mL的新鲜测试菌E.coli,分别加入0.8g脱脂棉纤维和抗菌棉纤维,各自混合均匀后,每隔10min,移液器移取200μL菌液于96孔板中,3复孔/组,测试在600nm处的吸光度。
1.7 激光共聚焦显微镜样品制备
0.05g抗菌棉纤维加入到4mL浓度为109CFU/mL的新鲜测试菌液(E.coli)中,混合均匀后,取微量棉纤维于载玻片上,活死细菌染色试剂盒染色后加盖盖玻片,避光处理15min,用激光共聚焦显微镜观察样品。
2 结果与讨论
2.1 抗菌棉纤维的表征
CS/Ag NPs通过液相还原法制备[9]。CS/Ag NPs紫外可见吸收光谱图见图1。从图可知,最大吸收波长约408nm,比文献中以聚乙烯吡咯烷酮为稳定剂制备的Ag NPs的最大吸收波长(380~400nm)大,主要是因为CS分子中N与Ag之间的相互配位作用使得Ag NPs的最大吸收波长红移[10]。CS/Ag NPs的TEM图,见图2。从图可知,Ag NPs基本接近球形,粒度分布均匀。
在棉纤维表面负载CS/Ag NPs处理过程中,MPTS占甲苯的体积分数以及2次浸泡处理的时间对棉纤维表面的银负载量皆有影响,见图3。最佳处理条件为:MPTS体积为甲苯溶液体积的8%,第一次处理时间7h,第二次处理时间10h,棉纤维的银负载量可以达到最大,约6.9%(wt,质量分数,下同)。对负载前后的棉纤维进行了扫描电镜观察。图(a)为未负载CS/Ag NPs的棉纤维表面,可以观察到表面光滑。图(b)为表面负载CS/Ag NPs的棉纤维,棉纤维表面较粗糙,这是因为有CS/Ag NPs负载到棉纤维上。
对负载CS/Ag NPs前后的棉纤维进行了扫描电镜观察,见图4。图(a)为未负载CS/Ag NPs的棉纤维表面,可以观察到表面光滑。图(b)是表面负载CS/Ag NPs的棉纤维,由图可见,表面负载CS/Ag NPs后棉纤维表面较粗糙,这是因为有CS/Ag NPs负载到棉纤维上。
2.2 抗菌棉纤维抗菌性能分析
利用琼脂板计数法,统计抗菌棉纤维的抑菌率,见表1。抗菌棉纤维对MRSA、S.aureus、B.cereus和E.coli的抑制率都大于99.8%。由此可见,所制得的CS/Ag NPs抗菌棉纤维具有高效和广谱的抗菌效果。以S.aureus为测试菌,对抗菌棉纤维进行了持久性抗菌测试。结果表明,抗菌棉纤维经过洗涤20次后,对S.aureus的抑菌率仍在97.5%以上,说明抗菌棉纤维具有持久的抗菌活性。
2.3 抗菌棉纤维抑菌机理分析
抗菌棉纤维对E.coli的吸附动力学曲线图见图5。从图可知,以E.coli为测试菌,与未负载处理的棉纤维相对照,抗菌棉纤维大大改善了对E.coli的吸附能力。将0.8g抗菌棉纤维加入到100mL E.coli菌液(109CFU/mL)中,10min内菌浓度可降低到102CFU/mL,即降低了7个数量级。推测棉纤维的高菌吸附量主要是由于细胞表面带负电的E.coli与表面高密度正电的CS/Ag发生静电吸引力所导致。从图中还可以看出,加入抗菌棉纤维后初期菌浓度迅速下降,然后趋缓,这表明抗菌棉纤维的抗菌过程可能是由2个不同阶段组成的,前者是快速吸附阶段,后者是杀菌阶段。同时,采用细胞染色的方法对抗菌棉纤维及表面菌体的活死状态进行显微镜观察。在棉纤维接触菌液5min后对吸附细菌后的棉纤维进行染色处理,经过染色后的死菌和活菌在荧光显微镜下分别呈现红色及绿色,棉纤维表面有一定数量菌体吸附,并且菌体呈现红色表明菌体为死亡状态。结果说明在短接触时间内,抗菌棉纤维能够完成吸附菌体和杀灭菌体2个过程。
3 结论
采用液相还原法,制备了CS/Ag NPs,并负载于脱脂棉纤维表面,制得具有抗菌性能的棉纤维。研究表明,抗菌棉纤维的最佳工艺条件:硅烷偶联剂体积是甲苯体积的8%,第一次和第二次处理时间分别为7h和10h,棉纤维的银负载量达到最大。抗菌棉纤维对MRSA、S.aureus、B.cereus和E.coli的抑制率都大于99.8%,具有很好的抗菌效果和持久抗菌性。短接触时间内,抗菌棉纤维能够完成吸附菌体和杀灭菌体2个过程。
CS/Ag NPs抗菌棉纤维的研究对抗菌织物的发展具有潜在的应用价值。
参考文献
[1]秦益民.Cupron铜基抗菌纤维的性能和应用[J].纺织学报,2009,30(12):134-136.
[2]Saravanan D,Vasanthi N,Ramachandran T.A review on influential behaviour of biopolishing on dyeability and certain physico-mechanical properties of cotton fabrics[J].Carbohydrate Polymers,2009,76(1):1-7.
[3]吴跃辉,刘元隆,邓安民,等.离子交换法合成非晶态铝硅酸盐抗菌材料研究[J].硅酸盐学报,2004,32(5):564-569.
[4]袁泽利,胡庆红,吴庆,等.新型大环席夫碱化合物的合成及其抗菌活性研究[J].有机化学,2009,29(2):279-282.
[5]Chen Y,Wilbon P A,Zhou J H,et al.Mutifunctional self-fluorescent polymer nanogels for label-free imaging and drug delivery[J].Chem Commun,2013,49(3):297-299.
[6]Chen Y,Wilbon P A,Chen Y P,et al.Amphipathic antibacterial agents using cationic methacrylic polymers with natural rosin as pendant group[J].RSC Advances,2012,2(27):10275-10282.
[7]Levard C,Hotze E.M,Lowry G.V,et al.Environmental transformations of silver nanoparticles:impact on stability and toxicity[J].Environmental Science&Technology,2012,46(13):6900-6914.
[8]卢慎楠,周轩榕,邢晓东.表面接枝季铵盐型聚合物的纤维素纤维-灭菌机理研究[J].高分子学报,2004(1):107-113.
[9]Wei D W,Sun W Y,Qian W P,et al.The synthesis of chitosanbased silver nanoparticles and their antibacterial activity[J].Carbohydrate Research,2009,344(17):2375-2382.