CN101407586B - 一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料及其制备方法和在抗菌方面的用途。该方法首先在NaOH水溶液中制备葡聚糖凝胶，室温下不加还原剂，通过葡聚糖还原银离子而原位制备纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。该杂化材料中球形纳米银粒径在20～30纳米左右，分布均匀。该纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料对芽孢杆菌有很好的抗菌作用，在抗菌材料方面具有广阔的应用前景。

Description

一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种抗菌凝胶杂化材料即纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料及其制备方法和在抗菌方面的应用。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对健康安全的生活方式愈来愈关注。研究表明，日常生活中人们频繁接触的许多用品上都带有大量细菌，直接威胁着人们的健康。因此，研发高效无(低)毒的抗菌材料是一个既有社会意义又有经济意义的课题。纳米银，由于表面效应，其抗菌能力是微米级银粒子的10倍以上，抗菌性能也远远大于传统的银离子杀菌剂(如硝酸银和磺胺嘧啶银)，是新型的高效抗菌剂。

然而，纳米银与普通银粉相比，比表面积大，表面能高，反应活性极高，很容易发生团聚，或者被空气中的氧气所氧化。因此防止纳米粒子团聚和控制纳米粒子的表面形貌是制备纳米抗菌材料的关键因素。

目前，研究者们使用钝化或者保护纳米银粒子的方法来防止纳米粒子团聚。这些钝化方法包括：利用功能化的硫醇有机物进行保护；利用表面活性剂形成的微乳液进行封装处理；将纳米粒子分散到聚合物基体中，总之，是使用各种分散剂如配位络合物、表面活性剂和高分子保护剂等来阻止纳米粒子的团聚。由于这些方法都是在溶液或乳液中进行，一方面有机溶剂，有毒试剂应用限制了材料在医疗卫生和个人护理领域的应用，而不能降解的高分子对环境造成了很大污染；另一方面所得的纳米粒子浓度小，分离困难，所得产品纯度不够；更重要的是，由于人们对纳米粒子与分散剂之间的相互作用缺乏了解，所制备的纳米粒子粒径分布宽，缺乏形貌控制，容易团聚等诸多缺陷而影响材料的性能。

针对当前纳米银抗菌材料制备中的问题，我们通过原位合成方法将纳米银引入到凝胶中，可制得既具有纳米银的各种优良性能又具有凝胶强吸水性能的杂化材料，凝胶既作为杂化材料的基体又作为纳米粒子生成的模板而存在。由于处于溶胀状态的凝胶网络结构可为纳米粒子的成核和生长提供自由的空间，纳米粒子的粒径和形态可通过改变凝胶的交联密度及引入不同的功能基等方法来调控；其次，与常见的非水体系或高分子为模板的体系相比，在生物医用方面，凝胶与生物分子，细胞，组织特殊的生物相容性使其更适合做无机纳米粒子合成的模板；第三，获得的纳米粒子/凝胶杂化材料具有特殊的光、电、磁及催化等性能，可望在光子晶体、催化剂、开关电子原件、生物分离、药物传输、生物标记等方面有潜在的应用价值；另外，这种杂化材料的合成过程比较简单，纳米粒子在凝胶基质中均匀分散且可长期稳定存在，拓展了材料的应用范围和使用期限。目前，大多数纳米银/凝胶杂化材料中的凝胶基体为人工合成的聚合物，如聚丙烯酰胺等，不能生物降解；且在制备过程中使用了有毒的还原剂或者有机溶剂，限制了材料的使用范围；对天然多糖凝胶杂化材料的研究鲜见报道。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种抗菌凝胶杂化材料即纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。本发明利用环境友好的葡聚糖凝胶作为模板和基质，不加还原剂即可原位绿色合成纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。

本发明的另一目的在于提供上述纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法。该方法通过在碱溶液中葡聚糖上的-OH与N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)中的双键的亲电加成反应得到葡聚糖凝胶，将葡聚糖凝胶浸泡在一定量的银离子溶液中，一天后取出即可得到杂化材料。

本发明的再一目的在于提供上述纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料在制备抗菌材料中的应用。

本发明用环境友好的葡聚糖作为模板、分散剂和还原剂，原位绿色合成纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料，并研究其抗菌性能。由于多糖能够溶于水，故不使用有机溶剂，是绿色合成方法；所制备的材料可生物降解，对环境友好，有望在生物医药等领域获得重要应用；纳米银粒子在凝胶内原位生成，且多糖凝胶里的纳米空隙可有效控制生成的纳米银粒子的大小和形貌；多糖凝胶载体与纳米银之间的相互作用可稳定银粒子，防止银粒子团聚；所制备的杂化材料可望拓宽纳米银抗菌材料的应用范围。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)葡聚糖凝胶的制备：在葡聚糖中加入NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶1.5～1∶2.5，搅拌，使葡聚糖完全溶解，加入交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，所述交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)与葡聚糖的质量比为1∶4～1∶13，使MBA粉末保持均匀悬浮分散，室温下缓慢搅拌至粘稠状，停止搅拌，25～35℃下放置3～9小时使其充分交联(若放置时间太长，生成的凝胶又会溶解)，用水洗涤至除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，即得到葡聚糖凝胶。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备：将步骤(1)得到的葡聚糖凝胶浸泡在硝酸银溶液中一天，所述葡聚糖凝胶与硝酸银的质量比为3∶1～5∶1，取出用水清洗，即得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。

所述步骤(1)中的葡聚糖分子量为4万，其重复单元分子结构如下：

所述步骤(1)中的NaOH溶液浓度为2.5～3mol/L。所述搅拌速率为100转/分钟。

所述步骤(2)中的硝酸银溶液浓度为1～10mmol/L。

一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料，就是通过上述制备方法制备而成。该方法首先在NaOH水溶液中制备葡聚糖凝胶，室温下不加还原剂，通过葡聚糖还原银离子而原位制备纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。所述纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的组成为葡聚糖凝胶和分散在其中的纳米银。

本发明制备的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料中纳米银为球形，通过透射电镜和紫外-可见光谱(图4)证实了纳米银粒径在20～30纳米左右，且分布均匀。

本发明制备的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料在制备抗菌材料中的应用。本发明通过制片扩散法定性测试了该抗菌材料对抵抗力较强的蜡状芽孢杆菌的抗菌作用。

本发明的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的抗菌性能测试方法如下：(1)制备琼脂培养基。按质量比为1∶2∶1∶4称取牛肉浸膏、胰蛋白胨、NaCl、琼脂于烧杯中，加入去离子水，使琼脂质量浓度为2％。加热使各固体样品溶解，用1.0mol·L^-1的NaOH溶液调体系的pH至7.2。分装到锥形瓶中，加塞包扎并高压蒸汽灭菌20分钟(120℃)得琼脂培养基。(2)琼脂纸片法测试抗菌性能：取出已灭菌的琼脂培养基150mL，冷至50℃左右时加入5～10mL测试菌悬浮液，摇匀后，吸取10～15mL于各培养皿中，等待培养皿中菌种与琼脂培养基混和液凝固。同时，将不同条件下制备的纳米银/葡聚糖凝胶(Dex-Ag)杂化材料样品切成大小基本相同(直径7mm)的圆片状，然后在无菌通风橱中，将各对比样品杂化材料及凝胶空白放到已凝固含有菌种的琼脂培养基上。将各测试培养皿放入37℃的恒温箱中，培养20h后，测定表面皿内抑菌圈直径的大小，确定细菌对样品的敏感性。

本发明纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的抗菌机理主要与纳米银有关。由于纳米银颗粒直径极微小(10～100nm)，它所具有的独特的小尺寸效应和表面效应，使其可以轻易地进入病原体，与菌体中酶蛋白的巯基-SH迅速结合，使一些以此为必要基团的酶失去活性，从而达到杀灭细菌、修复组织、促进伤口愈合的作用，并具有治疗和预防细菌、真菌的作用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点及有益效果：

本发明所制备的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料在制备方法上不使用有机溶剂，是绿色合成方法；所制备的材料基质为葡聚糖，可生物降解，对环境友好；纳米银粒子在凝胶基质内原位生成，且多糖凝胶里的纳米空隙可有效控制生成的纳米银粒子的大小和形貌；多糖凝胶载体与纳米银之间的相互作用可稳定银粒子，防止银粒子团聚；所制备的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料可望拓宽纳米银抗菌材料的应用范围。

附图说明

图1是纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备过程示意图。

图2是纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料(a)与葡聚糖空白凝胶(b)的外部形貌图。

图3是本发明的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料与空白凝胶的紫外-可见光谱对比图。其中，(a)凝胶空白；(b)杂化材料MBA400-6h。

图4是本发明的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的透射电镜照片。

图5是不同交联剂用量的纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的抗菌性能图。

其中，(a)凝胶空白，(b)杂化材料MBA300-6h，(c)杂化材料MBA350-6h，(d)杂化材料MBA400-6h。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明制备纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的整个过程如图1所示。

(1)葡聚糖凝胶(Dex)的制备

称取2.268g葡聚糖(M_W＝40,000)于烧杯中，加入10mL 2.8mol·L^-1的NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶2，搅拌，使葡聚糖完全溶解，分别加入400mg的交联剂MBA(MBA与葡聚糖的质量比为1∶5.7)，搅拌，使MBA粉末保持均匀悬浮分散在上述反应体系中，室温(25℃)下缓慢搅拌(搅拌速率为100转/分钟)至变成粘稠状(约3h左右)，停止搅拌，30℃下放置6小时使其充分交联。用大量的水洗涤5次，除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，得到葡聚糖凝胶(Dex)，将得到的凝胶切成块状，备用。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶(Dex-Ag)杂化材料MBA400-6h的制备

取0.1克的Dex放入20毫升5mmol·L^-1的AgNO₃溶液中，30℃放置一天后，/葡聚糖凝胶由无色透明变为深黄色，说明凝胶中有Ag纳米粒子生成，得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料(即杂化材料MBA400-6h)。图2为所制备纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的外观形貌。由图2可见所合成的杂化材料为深黄色。图3为纳米银/葡聚糖凝胶(Dex-Ag)杂化材料与空白凝胶的紫外-可见分光光谱对比图。由图3可见，空白凝胶在扫描的光谱范围内无吸收，而Dex-Ag杂化材料在波长420nm附近有一个强的吸收峰，该范围内的吸收为银纳米粒子的表面等离子共振特征吸收峰，验证了凝胶中纳米银粒子的生成。图4是纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的透射电镜照片，由图4可见杂化材料中纳米银为球形，平均粒径约为20nm，没有团聚现象。

实施例2

(1)葡聚糖凝胶(Dex)的制备

称取2.268g葡聚糖(M_W＝40,000)于烧杯中，加入10mL 2.8mol·L^-1的NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶2，搅拌，使葡聚糖完全溶解，分别加入350mg的交联剂MBA(MBA与葡聚糖的质量比为1∶6.5)，搅拌，使MBA粉末保持均匀悬浮分散在上述反应体系中，室温(25℃)下缓慢搅拌(搅拌速率为100转/分钟)至变成粘稠状(约3h左右)，停止搅拌，25℃下放置6小时使其充分交联。用大量的水洗涤5次，除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，得到葡聚糖凝胶(Dex)，将得到的凝胶切成块状，备用。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料MBA350-6h的制备

取0.1克的Dex放入30毫升5mmol·L^-1的AgNO₃溶液中，30℃放置一天后，/葡聚糖凝胶由无色透明变为深黄色，说明凝胶中有Ag纳米粒子生成，得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料(即杂化材料MBA350-6h)。

实施例3

(1)葡聚糖凝胶(Dex)的制备

称取2.268g葡聚糖(M_W＝40,000)于烧杯中，加入10mL 2.8mol·L^-1的NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶2，搅拌，使葡聚糖完全溶解，分别加入300mg的交联剂MBA(MBA与葡聚糖的质量比为1∶7.6)，搅拌，使MBA粉末保持均匀悬浮分散在上述反应体系中，室温(25℃)下缓慢搅拌(搅拌速率为100转/分钟)至变成粘稠状(约3h左右)，停止搅拌，35℃下放置6小时使其充分交联。用大量的水洗涤5次，除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，得到葡聚糖凝胶(Dex)，将得到的凝胶切成块状，备用。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料MBA300-6h的制备

取0.1克的Dex放入30毫升5mmol·L^-1的AgNO₃溶液中，30℃放置一天后，葡聚糖凝胶由无色透明变为深黄色，说明凝胶中有Ag纳米粒子生成，得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料(即杂化材料MBA300-6h)。

实施例4

(1)葡聚糖凝胶(Dex)的制备

称取2.268g葡聚糖(M_W＝40,000)于烧杯中，加入13mL 2.5mol·L^-1的NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶2.5，搅拌，使葡聚糖完全溶解，分别加入144mg的交联剂MBA(MBA与葡聚糖的质量比为1∶13)，搅拌，使MBA粉末保持均匀悬浮分散在上述反应体系中，室温(25℃)下缓慢搅拌(搅拌速率为100转/分钟)至变成粘稠状(约3h左右)，停止搅拌，25℃下放置3小时使其交联，可看到凝胶已形成。用大量的水洗涤5次，除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，得到葡聚糖凝胶(Dex)，将得到的凝胶切成块状，备用。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备

取0.1克的Dex放入50毫升1mmol·L^-1的AgNO₃溶液中，30℃放置一天后，葡聚糖凝胶由无色透明变为深黄色，说明凝胶中有Ag纳米粒子生成，得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。

实施例5

(1)葡聚糖凝胶(Dex)的制备

称取2.268g葡聚糖(M_W＝40,000)于烧杯中，加入7mL 3mol·L^-1的NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶1.5，搅拌，使葡聚糖完全溶解，分别加入431mg的交联剂MBA(MBA与葡聚糖的质量比为1∶4)，搅拌，使MBA粉末保持均匀悬浮分散在上述反应体系中，室温(25℃)下缓慢搅拌(搅拌速率为100转/分钟)至变成粘稠状(约3h左右)，停止搅拌，25℃下放置9小时使其交联，可看到块状凝胶。用大量的水洗涤5次，除去凝胶中的NaOH及未反应的MBA，得到葡聚糖凝胶(Dex)，将得到的凝胶切成块状，备用。

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备

取0.1克的Dex放入30毫升1mmol·L^-1的AgNO₃溶液中，30℃放置一天后，葡聚糖凝胶由无色透明变为深黄色，说明凝胶中有Ag纳米粒子生成，得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。

实施例6：抗菌性能测试

使用抵抗力较强的蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)(购自中大微生物所)对Dex-Ag杂化材料进行了定性抗菌测试。蜡状芽孢杆菌是芽孢杆菌属(Bacillus)中的一种，典型的菌体细胞，呈杆状(约1.5μm)，有色，孢子呈椭圆形，是引起食物中毒的病原菌，引起中毒的食品有米饭、豆类、乳肉类制品、甜点、凉菜等。中毒者症状为腹痛、呕吐腹泻。在100℃下加热20min可破坏这类菌。它们对外界有害因子抵抗力强，分布广，广泛存在于土壤、水、空气以及动物肠道等处。通常，能抑制抵抗力较强的蜡状芽孢杆菌生长的抗菌材料一定能抑制大肠杆菌等抵抗力较弱的菌种的生长，因此，本发明中的杂化材料对大肠杆菌等菌种也有抗菌作用。

本发明采用修饰的琼脂纸片扩散法对复合物抗菌性能进行了测试，通过测量抑菌圈直径的大小，对其抗菌活性进行初步判断。实验中，首先制备琼脂培养基。称取牛肉浸膏0.75g，胰蛋白胨1.5g，NaCl 0.75g，琼脂3.0g于烧杯中，加入150mL去离子水，加热使各固体样品溶解，用1.0mol·L^-1的NaOH溶液调pH至7.2。分装到锥形瓶中，加塞，包扎，高压蒸汽灭菌20分钟(120℃)得琼脂培养基。第二步，取出已灭菌的琼脂培养基，冷至50℃左右时加入5～10毫升测试菌悬浮液，摇匀后，吸取10～15mL于各培养皿中，等待培养皿中与菌种混和的琼脂培养基凝固。同时，将上述实施例1、实施例2、实施例3所制备的Dex-Ag杂化材料样品切成大小基本相同(直径7mm)的圆片状，然后在无菌通风橱中，将各对比样品杂化材料及凝胶空白放到与菌种混合的琼脂培养基上，于37℃的恒温箱中培养20h，测定表面皿内抑菌圈直径的大小，确定细菌对样品的敏感性。测试结果见图5。由图5可见，实施例1、实施例2、实施例3中Dex-Ag杂化材料均有一个明显的有色抑菌圈，而不含纳米银的凝胶空白(a)表面长满了白色的菌，没有抑菌圈，说明实施例1、实施例2、实施例3中所制备的Dex-Ag杂化材料均具有明显的抗菌效果，且起抗菌作用的为杂化材料中的纳米银。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)葡聚糖凝胶的制备：在葡聚糖中加入NaOH溶液，所述葡聚糖与NaOH的摩尔比为1∶1.5～1∶2.5，搅拌，使葡聚糖完全溶解，加入交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，所述交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺与葡聚糖的质量比为1∶4～1∶13，使N，N-亚甲基双丙烯酰胺粉末保持均匀悬浮分散，室温下搅拌至粘稠状，停止搅拌，25～35℃下放置3～9小时使其充分交联，用水洗涤至除去凝胶中的NaOH及未反应的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，即得到葡聚糖凝胶；

(2)纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备：将步骤(1)得到的葡聚糖凝胶浸泡在浓度为1～10mmol/L的硝酸银溶液中一天，所述葡聚糖凝胶与硝酸银的质量比为3∶1～5∶1，取出用水清洗，即得纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料。

2.根据权利要求1所述的一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的葡聚糖分子量为4万，其重复单元分子结构如下：

3.根据权利要求1所述的一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的NaOH溶液浓度为2.5～3mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的搅拌速率为100转/分钟。

5.一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料，就是通过权利要求1所述制备方法制备而成。

6.权利要求5所述的一种纳米银/葡聚糖凝胶杂化材料在制备抗菌材料中的应用。

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