CN102125056A - 一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法 - Google Patents

一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法，包括：a)提供还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的水溶液；b)向所述步骤a)的复合物的水溶液加热至50℃～70℃；c)向步骤b)加热后的复合物的水溶液中加入硝酸银溶液反应后得到银/石墨烯抗菌复合材料。本发明提供了一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法，本发明提供的方法中采用还原型氧化石墨烯片层为还原剂，在中性pH条件下还原银离子生成银纳米颗粒。由于本发明提供的方法不使用硼氢化钠作为还原剂，并且在整个过程中也不使用氢氧化钾作，因此本发明制备的复合材料在后期应用时不会引起较大的生物刺激性。此外，抗菌实验表明，本发明提供的银/石墨烯复合材料具有更好的抗菌效果。

Description

一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料，具体涉及一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是单原子厚度的二维碳原子晶体，为目前人工制得的最薄物质，它被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。自由态的二维晶体结构一直被认为热力学不稳定，不能在普通环境中独立存在。直至2004年，英国曼彻斯特大学Geim等人采用微机械劈裂法首次获得了稳定存在的石墨烯。自从石墨烯被发现以来，由于其优良的物理化学性质和广阔的应用前景，与石墨烯有关的研究工作已经成为相关学科当前的研究热点。
现有技术中，已经有一些报道石墨烯在抗菌方面的应用。例如，美国《美国化学会-纳米》(ACS-Nano，2010年第4卷4317页)报道了一种石墨烯纸的合成和其抗菌特性，但该文献中公开的方法制备的石墨烯纸完全抗菌浓度高达85μg/ml。又如，德国《微》(Small，2009年20期2253页)报道了一种合成银/石墨烯复合物的方法，该方法利用氧化型氧化石墨烯在氢氧化钾的碱性条件下还原硝酸银制得银石墨烯复合物，由于该方法中需要使用氢氧化钾，不但增加了工艺的复杂性，而且在碱性条件下制备的产物也会影响产物在生物应用方面的安全性。
另外，中国《纳米研究》(Nano Research，2010年第3卷339页)报道了一种银/石墨烯混合物的制备方法，该方法运用了硼氢化钠还原硝酸银制得银石墨烯混合物。但该方法制备的银/石墨烯混合物中的银颗粒分散不均匀，而且其完全抗菌浓度高达50μg/ml；并且，由于该方法中添加的还原剂硼氢化钠影响了后期应用的安全性。
上述现有技术中公开的方法制备的银/石墨烯复合材料的主要问题是达到完全抗菌时的浓度较高，从而影响了其抗菌性能，而且上述方法中还引用了一些影响生物安全性的原料，如氢氧化钾或硼氢化钠等。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法，与现有技术相比，本发明提供的方法制备的抗菌复合材料具有良好的生物安全性以及较好的抗菌性能。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
提供还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的水溶液；
b)将所述步骤a)的复合物的水溶液加热至50℃～70℃；
c)向步骤b)加热后的复合物的水溶液中加入硝酸银溶液反应后得到银/石墨烯抗菌复合材料。
优选的，所述步骤c)中的硝酸银溶液的浓度为0.02mol/ml～0.2mol/ml。
优选的，所述步骤c)中硝酸银的加入速度为0.3ml/小时～0.7ml/小时。
优选的，所述步骤c)中还包括搅拌所述加入硝酸银后的复合物的水溶液的步骤。
优选的，所述步骤c)中的搅拌时间至少为7小时。
优选的，所述复合物的水溶液的浓度为1mg/ml～4mg/ml。
优选的，所述步骤a)中的还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的制备方法包括：
取氧化石墨烯分散在水中然后加入水得到第一混合溶液；
向所述第一混合溶液中加入水合肼，加热至回流状态进行反应，将得到的产物过滤，干燥，得到还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物。
优选的，所述氧化石墨烯与聚苯乙烯硫酸钠的质量比为1∶5～1∶20。
优选的，所述加热至回流反应进行反应时的回流反应时间至少为15小时。
本发明还提供一种根据上述制备方法得到的银/石墨烯抗菌复合材料
本发明提供了一种银/石墨烯复合材料的制备方法，本发明提供的方法中采用还原型氧化石墨烯片层为还原剂，在中性pH条件下还原银离子生成银纳米颗粒。由于本发明提供的方法不使用硼氢化钠作为还原剂，并且在整个过程中也不使用氢氧化钾，因此本发明制备的复合材料在后期应用时不会引起较大的生物刺激性。
在本发明的制备的银/纳米抗菌复合材料中，硝酸银提供的银离子由于聚苯乙烯硫酸钠的静电吸附作用，首先附着到还原型氧化石墨烯片层-聚苯乙烯硫酸钠复合物的表面，银离子被还原型氧化石墨烯片层原位还原，形成银纳米颗粒。形成的银纳米颗粒加载到还原型氧化石墨烯片层的表面形成以还原型氧化石墨烯片层为基底的纳米复合材料。由于采用还原型氧化石墨烯片层作为还原剂，所以产物具有银纳米颗粒大小和形态均匀，抗菌性能出色。实验结果表明，本发明制备的复合材料对皮肤无明显刺激性。
附图说明
图1为本发明中银/石墨烯抗菌复合材料合成过程以及抗菌示意图；
图2为本发明实施例3和实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料X射线衍射分析图；
图3为本发明实施例3制备的银/石墨烯抗菌复合材料透射电镜图；
图4为本发明实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料透射电镜图；
图5为本发明实施例3制备的银/石墨烯抗菌复合材料的紫外光吸收光谱图；
图6为本发明实施例3制备的银/石墨烯抗菌复合材料的EDS分析结果；
图7为本发明实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料的EDS分析结果；
图8为本发明实施例3制备的银/石墨烯抗菌复合材料在不同浓度下的抑菌效果曲线图；
图9为本发明实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料在不同浓度下的抑菌效果曲线图；
图10为纯还原型氧化石墨烯的抑菌效果曲线图；
图11为单分散纳米银粒子不同浓度下抑菌效果曲线图；
图12为氨苄西林不同浓度下抑菌效果曲线图；
图13为大鼠皮肤刺激性测试效果图片。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供的一种银石墨烯抗菌复合材料的制备方法，包括：
a)提供还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的水溶液；
b)将所述步骤a)的复合物的水溶液加热至50℃～70℃；
c)向步骤b)加热后的复合物的水溶液中加入硝酸银溶液反应后得到银/石墨烯抗菌复合材料。
如图1所示，为本发明中银/石墨烯抗菌复合材料合成过程以及捕杀大肠杆菌过程示意图。硝酸银提供的银离子由于聚苯乙烯硫酸钠的静电吸附作用，首先附着到还原型氧化石墨烯片-聚苯乙烯硫酸钠复合物的表面，银离子被还原型氧化石墨烯片层原位还原，形成银纳米颗粒。形成的银纳米颗粒加载到还原型氧化石墨烯片层的表面形成以还原型氧化石墨烯片层为基底的纳米复合材料。该复合材料在与大肠杆菌接触时，网状石墨烯片层结构将细菌网罗其中，此时修饰在石墨烯片层上的银纳米颗粒体现并将细菌杀灭。
按照本发明，所述还原型石墨烯氧化纳米片与所述聚苯乙烯硫酸钠的重量比优选为1∶5～1∶20，更优选为1∶7～1∶15，更优选为1∶10。所述复合物的水溶液的浓度为1mg/ml～4mg/ml，更优选为1.5mg/ml～3mg/ml，更优选为1.5mg/ml～2.5mg/ml。
步骤b)中，优选将所述复合物的水溶液加热至55℃～65℃，更优选为57℃～62℃。
按照本发明，步骤c)中，加入的所述硝酸银溶液的浓度优选为0.02mol/ml～0.2mol/ml，更优选为0.05mol/ml～0.15mol/ml，更优选为0.08mol/ml～0.12mol/ml。所述硝酸盐溶液的加入速度优选为0.3ml/小时～0.8ml/小时，更优选为0.4ml/小时～0.7ml/小时，更优选为0.45ml/小时～0.6ml/小时。加入硝酸银溶液后，搅拌所述复合物的水溶液，搅拌时间优选为至少5小时，更优选为至少7小时，更优选为至少9小时，更优选为11小时。
将硝酸银溶液加入到所述复合物的水溶液中搅拌反应后，洗涤得到的产物，优选使用离心洗涤的方法，对于洗涤次数，优选为至少3次，也可以为3次以上。洗涤后，将产物进行干燥然后得到银/石墨烯抗菌复合材料。对于干燥方法，本发明并无特别的限制，优选使用真空干燥的方法，干燥温度优选为至少80℃，更优选为90℃～150℃，更优选为100℃～120℃。
所述还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物优选采用如下方法制备：
取氧化石墨烯分散在水中后加入聚苯乙烯硫酸钠得到第一混合溶液，对于分散方法，优选使用超声进行分散；
向所述第一混合溶液中加入水合肼，加热至回流状态进行反应，将得到的产物过滤，干燥，得到还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物。
按照本发明，所述氧化石墨烯与聚苯乙烯硫酸钠的质量比优选为1∶5～1∶20，更优选为1∶7～1∶15，更优选为1∶10。所述第一混合溶液中的聚苯乙烯硫酸钠的浓度为5mg/ml～20mg/ml，更优选为7.5mg/ml～15mg/ml，更优选为8mg/ml～11mg/ml。对于加入水合肼的量，水合肼与第一混合溶液中的水的质量比优选为5∶1～20∶1，更优选为7∶1～15∶1，更优选为8∶1～12∶1。回流反应时间优选为至少10小时，更优选为至少15小时，更优选为至少20小时，更优选为至少24小时。回流反应后，将产物抽滤，烘干。
按照本发明，所述氧化石墨烯可以使用现有技术中公开的方法制备或者从市场上购得即可，均能够实现本发明，对此本发明并无特别限制。例如，一种典型的氧化石墨烯的制备方法可以包括：将浓H2SO4、K2S2O8、P2O5的混合溶液加热至70℃～90℃，然后加入石墨粉反应得到深蓝色的混合物，将所述冷却至室温；
将冷却后的混合物用蒸馏水洗涤至pH为中性，然后在空气中干燥后得到预氧化石墨粉；
将得到的预氧化石墨粉加入到0℃左右的浓H2SO4中，然后在搅拌、冰浴条件下缓慢加入KMnO4，在加入KMnO4的过程中，保持反应体系的温度不可超过20℃；
加完KMnO4后，将得到的混合物升温至30℃～40℃搅拌至少2小时，然后依次加入水和H2O2后，得到黄色产物；
用稀HCl过滤洗涤出去金属离子，将产物晾干，得到氧化石墨烯GO。
以下以具体实施例说明本发明的效果，但是本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
制备氧化石墨烯
将30ml浓度为98％的H2SO4、10gK2S2O8、10gP2O5的混合溶液加热至80℃，加入20g石墨粉搅拌均匀后得到深蓝色混合物，然后将混合物冷却至室温；
将得到的产物用蒸馏水抽滤洗涤至pH值为中性，然后将洗涤后的产物在空气中干燥得到预氧化石墨粉；
取20g预氧化石墨粉加入到460ml、0℃的98％的浓H2SO4中得到第四混合溶液，在搅拌、冰浴条件下缓慢加入60gKMnO4，加入KMnO4的过程中保持体系温度在15℃；
加完KMnO4后，将第四混合溶液升温至35℃搅拌2h，加入920ml蒸馏水，然后在15分钟内加入2.8L蒸馏水和50ml的30％的H2O2，产物变为黄色；
用5L浓度为10体积％的HCl过滤洗涤所述产物中的金属离子，晾干，得到氧化石墨烯片层。
实施例2
取100mg实施例1制备的氧化石墨烯片加入到100ml蒸馏水中，超声分散后，加入1g聚苯乙烯硫酸钠，搅拌溶解，加入100μl水合肼，加热100℃回流反应24小时，将产物抽滤，冻干得到还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物。
实施例3
将实施例2制备的还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物与50ml水混合，然后放到100ml的单颈瓶中，加热至60℃，然后将5ml浓度为0.02mol/L的硝酸银溶液以0.5ml/小时的速度通过双注射泵慢慢加入烧瓶，加入硝酸银溶液后，搅拌10小时，离心干燥，再用去离子水洗涤三次，经过真空冷冻干燥得到银/石墨烯抗菌复合材料。
实施例4
将实施例2制备的还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物与50ml水混合，然后放到100ml的单颈瓶中，加热至60℃，然后将5ml浓度为0.2mol/L的硝酸银溶液以0.5ml/小时的速度通过双注射泵慢慢加入烧瓶，加入硝酸银溶液后，搅拌10小时，离心干燥，再用去离子水洗涤三次，经过真空冷冻干燥得到银/石墨烯抗菌复合材料。
性能测试：
1、X射线衍射测试
取实施例3和实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料进行X射线衍射测试，结果如图2所示。
在图2的结果中，曲线α为纯银离子的衍射结果，可以观察到晶面间距为4.077
Figure BDA0000043275790000071
(JCPDS87-0720)的银的衍射峰；曲线ρ和曲线β依次为实施例3和实施例4制备的银/石墨烯抗菌复合材料的衍射峰，可以观察到三个强衍射峰(111)、(200)和(220)峰值。
2、透射电镜测试结果
图3为实施例3制备的银/石墨烯复合材料透射电镜图，图4为实施例4制备的银/石墨烯复合材料透射电镜图。图4中的可以观察到较大的40nm左右的纳米颗粒，比图3中的纳米颗粒大，有利于增强抗菌性能。
3、紫外-可见光吸收光谱测试
如图5所示，为实施例3制备的银/石墨烯抗菌复合材料的紫外光-可见光吸收光谱图，显示银纳米颗粒的峰值在270nm左右。
4、能量弥散X射线谱(EDS)测试结果
图6为实施例3制备的银/石墨烯复合材料的EDS测试结果，图7为实施例4制备的银/石墨烯复合材料的EDS测试结果。由于聚苯乙烯硫酸钠直接加载到了石墨烯片层上，因此可以从EDS数据中的硫含量间接看出石墨烯片层的含量。对比图6和图7可以看出，随着石墨烯片层和硝酸银的相对比例减小，说明硫的含量在减少，银的含量则明显增加。
抗菌实验：
以下抗菌实验中，实验菌株为大肠杆菌(ATCC 25922，由安徽省立医院微生物学实验室提供)，使用LB培养基培养细菌。将约107个/ml的大肠杆菌细胞在50ml培养基载体中生长，细胞增长率和细菌浓度由测量液体培养基载体中的培养基吸收度来决定，吸收光波长为600nm(即0.D.600法)。
将实施例3制备的银/石墨烯纳米复合材料放在培养基载体中测试抗菌效果，浓度依次为6.25μg/ml、12.5μg/ml、25μg/ml、50μg/ml、100μg/ml，测试结果如图8所示。
将实施例4制备的银/石墨烯纳米复合材料放在培养基载体中测试抗菌效果，浓度依次为6.25μg/ml、12.5μg/ml、25μg/ml、50μg/ml、100μg/ml，测试结果如图9所示。
取实施例2制备的纯还原型氧化石墨烯与聚苯乙烯硫酸钠的复合物放在培养基载体中测试抗菌效果，浓度依次为12.5μg/ml、25μg/ml、50μg/ml、100μg/ml，测试结果如图10所示。
取银纳米粒子放在培养基载体中测试抗菌效果，浓度依次为12.5μg/ml、25μg/ml、50μg/ml、100μg/ml，测试结果如图11所示。银纳米粒子根据Bo Hu，Shang-Bing Wang，Kan Wang，Meng Zhang，Shu-Hong Yu*J.Phys.Chem.C 2008，112(30)，11169-11174中公开的方法得到。
取氨苄西林放在培养基载体中测试抗菌效果，浓度依次为3μg/ml、6.25μg/ml、12.5μg/ml、25μg/ml，测试结果如图12所示。氨苄西林购自上海生工生物有限公司，CAS号：69-52-3
从图8可以看出，当培养基载体中的实施例3制备的银/石墨烯纳米复合材料在浓度为25μg/ml时，细菌生长完全被抑制；从图9可以看出，培养基载体中的实施例4制备的银/石墨烯纳米复合材料在浓度为12.5μg/ml时，细菌生长完全被抑制。图10为纯还原型氧化石墨烯抗菌效果实验曲线，图11为单分散纳米银粒子抗菌效果实验曲线，图12为氨苄西林抗菌效果实验曲线。
从图10可以看出，纯还原型氧化石墨烯不能达到对细菌生长的完全抑制作用，将图8和图9与图10的结果对比可以发现，本发明制备的银/纳米材料可以实现对细菌生长的抑制作用，而图10中的纯还原型氧化石墨烯则不能达到对细菌生长的完全抑制作用。图11中的单分散纳米银粒子虽然能够达到对细菌生长的完全抑制作用，但是浓度较高，需要在50μg/ml。图12中的氨苄西林完全抑制细菌生长时的浓度为6.25μg/ml。
上述结果可以表明，本发明制备的银/石墨烯复合材料与单分散纳米银颗粒相比具有更好的抗菌效果。虽然本发明制备的银/石墨烯复合材料的抗菌效果比氨苄西林略差，但是由于氨苄西林具有稳定性差的缺点，而本发明提供的复合材料属于无机材料，因此作为其替代抗菌材料具有更广泛的应用前景。
副作用测试：
采用急性皮肤刺激实验来验证本发明提供的复合材料的副作用，具体为将复合材料涂抹在大鼠皮肤表面，看是否会出现水肿和/或红斑现象，以不做任何处理的大鼠皮肤作为对照组。
如图13所示，区域A为不做任何处理的对照效果，区域B是以医用双氧水为对照实验的对照效果，区域是涂抹了本发明实施例4制备的银/石墨烯复合材料的效果图(0.5ml*10mg/ml复合材料溶液)。上述区域的均为出现水肿和/或红斑现象，说明本发明制备的复合材料没有明显的皮肤刺激新，具有良好的生物相容性，表明本发明制备的银/石墨复合材料在生物医学领域有广泛的应用前景。
以上对本发明所提供的银/石墨烯复合材料进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种银/石墨烯抗菌复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
a)提供还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的水溶液；
b)将所述步骤a)的复合物的水溶液加热至50℃～70℃；
c)向步骤b)加热后的复合物的水溶液中加入硝酸银溶液反应后得到银/石墨烯抗菌复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中的硝酸银溶液的浓度为0.02mol/ml～0.2mol/ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中硝酸银的加入速度为0.3ml/小时～0.7ml/小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中还包括搅拌所述加入硝酸银后的复合物的水溶液的步骤。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中的搅拌时间至少为7小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合物的水溶液的浓度为1mg/ml～4mg/ml。
7.根据权利要求1至6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中的还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物的制备方法包括：
取氧化石墨烯分散在水中后加入聚苯乙烯硫酸钠得到第一混合溶液；
向所述第一混合溶液中加入水合肼，加热至回流状态进行反应，将得到的产物过滤，干燥，得到还原型氧化石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠复合物。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与聚苯乙烯硫酸钠的质量比为1∶5～1∶20。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加热至回流反应进行反应时的回流反应时间至少为15小时。
10.根据权利要求1至9任一项所述的制备方法得到的银/石墨烯抗菌复合材料。
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