CN103044612A

CN103044612A - 一种含n+的有机纳米抗菌剂及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN103044612A
Application number: CN2012104181469A
Authority: CN
Inventors: 王正辉; 宣晓雅; 王青
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN103044612B

Abstract

本发明公开了一种含N⁺的有机纳米抗菌剂及其制备方法和用途，该抗菌剂是先用乳液聚合的方法制备出带功能基团的有机纳米产物，然后用叔胺盐酸盐对有机纳米产物进行阳离子化处理，再透析就制得含N⁺有机纳米抗菌剂。本发明的有机纳米抗菌剂有巨大的比表面，利用率高；其多正电荷的特性对负电性微生物有强的静电作用，能牢固捕吸有害微生物，破坏其生理过程，从而致其死亡，实现高效广谱抗菌效果；此外本发明的抗菌剂不团聚、易分散，与聚合物材料有良好的相容性，应用面广，制备过程简单，成本低廉。

Description

一种含N+的有机纳米抗菌剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种含N⁺的有机纳米抗菌剂及其制备方法和用途，该抗菌剂对多种细菌微生物具有高效的抑制或杀灭作用。

背景技术

在现代的家电制品、建材、纸制品、玩具、文具、装饰材料、厨房用具以及纤维制品等许多领域，抗菌剂得到广泛应用。抗菌材料具有高品质和高附加值的特点，已成为当今重要的新兴产业。

现有的抗菌剂大体上分为金属离子、无机纳米粉体、有机低分子化合物、有机高分子聚合物以及有机/无机复合物等几大类，各类别抗菌在应用上都有各自的局限性。

许多金属离子都有杀菌能力，但考虑到安全和效率，目前研究与应用最多的主要是银系抗菌剂。银系抗菌材料存在的问题主要表现在：（1）抗菌过程伴有银离子反应与消耗，不具有即效性，持效性也欠佳；（2）银可能被氧化以至引起材料颜色的改变；（3）银的价格相对较高和银系抗菌材料的制备过程较为复杂，推广应用受到一定限制；（4）该类抗菌剂遇到氯离子（Cl^-）等阴离子容易失去抗菌活性；（5）欧美等国规定银的安全用量为5×10^-8～10^-7，大量使用可能引起中毒和对环境造成破坏等等。

许多无机物氧化物（TiO₂、ZnO、SnO₂、ZrO₂等）或金属(Fe、Ni、Zn、Ag和Al等)的颗粒尺寸小至100纳米后，都能表现出抗菌性能。虽然这类抗菌剂具有毒性低，无刺激性，不变色，不分解，抗菌力强，抗菌广谱，以及具有即效性，但也有一些因素影响它们的应用：（1）纳米粉体及其载体的制备对原料要求严格并需要特殊而复杂的工艺，成本较高，价格较贵；（2）无机纳米粉体的严重团聚现象和性质与有机聚合物性质差距很大，难以在普遍使用的高分子材料中得到良好分散和应用；（3）该类抗菌剂需要紫外光的作用，在暗环境中的应用受到限制；（4）无机纳米粉体的毒性在当今学界备受关注，其应用也有很大的隐忧。

有机低分子抗菌剂的历史久远，如季铵盐、双胍、酚、有机锡、有机胺、吡啶及其衍生物、异噻唑啉酮及其衍生物以及带正离子的有机表面活性剂等有机低分子都具有抗菌活性，其中含氮阳离子有机表面活性抗菌剂是目前广泛研究与应用的抗菌剂品种。有机低分子抗菌剂具有杀菌力强、即效性好、来源丰富等优点,但也存在一些明显存在不足：（1）毒性大，安全性较差；（2）伴随杀菌反应而消耗，持效性差；（3）易使微生物产生耐药性；（4）易挥发，耐热性较差。

现有的高分子抗菌剂的抗菌性能不仅受高分子的微结构（线型、支化或交联）、相对分子质量及其分布、电荷密度以及高分子在溶液中的形态等因素影响，也与聚集态结构有关，大量制备比较困难，应用也不方便。

发明内容

为了克服现有抗菌剂的不足，本发明的首要目的在于提供一种高效、广谱、安全、持效性好、通用易得的接触型含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的含N⁺的有机纳米抗菌剂。

本发明的再一目的在于提供上述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，是先用乳液聚合的方法制备出带环氧功能基团的有机纳米产物，然后用叔胺盐酸盐对有机纳米产物进行阳离子化处理，再透析就制得含N⁺有机纳米抗菌剂；具体包括以下步骤：

（1）将单体、含环氧结构的功能单体、乳化剂、助剂与水混合，充入惰性气体鼓泡除氧；然后升温至60~80℃，加入引发剂溶液，搅拌反应2~3h，得到带功能基团的有机纳米产物；

（2）在带功能基团的有机纳米产物中加入叔胺盐酸盐，在常温下搅拌反应0.5~1.5h，得到阳离子化产物；将阳离子化产物装入截留分子量为1000~3000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得到本发明的含N⁺的有机纳米抗菌剂的乳液；蒸发掉乳液中的水，即得到本发明的含N⁺的有机纳米抗菌剂；

在步骤（1）中，水与两种单体（即单体和含环氧结构的功能单体）的质量比为(1.5~5.7):1，乳化剂的用量占两种单体质量的0.5~2%，助剂的用量占两种单体质量的1~10%，引发剂的用量占单体质量的0.1~2%；

步骤（1）中，含环氧结构的功能单体占单体与含环氧结构的功能单体总质量的10~40%；

所述的含环氧结构的功能单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸丁二醇酯、二甲基丙烯酸1,6-己二醇酯或三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的两种以上；

所述的单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈、苯乙烯或醋酸乙烯酯中的一种以上；

所述的乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、丁基萘磺酸钠或软脂酸钠中的一种；

所述的助剂为环己烷、正己烷、乙酸丁酯、甲基乙基酮或正丁醚中的一种；

所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或偶氮二异丁基脒盐酸盐中的一种；

步骤（1）所述的混合是以1000~1200r/min的速度搅拌分散30~60min；

步骤（1）所述的惰性气体优选氮气或氩气；

步骤（1）所述的搅拌反应是以500~800r/min的速度搅拌；

步骤（2）所述的叔胺盐酸盐，是将有机化合物与盐酸在冰浴中以200~300r/min的速度搅拌反应0.5~1h后得到的；

所述的有机化合物是三甲胺、三乙胺、三丙胺或三丁胺中的一种；

步骤（2）所述的反应是在冰浴中以200~300r/min的速度搅拌反应。

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由上述的方法制备得到。

上述的含N⁺的有机纳米抗菌剂可用于制作抗菌材料，如分散到涂料中制得抗菌涂料，添加到塑料中制得抗菌塑料制品，添加到医用高分子材料中可制得抗菌医疗器械。

本发明是利用乳液聚合原理将常用单体、功能单体聚合成表面带环氧功能基的有机纳米产物，然后通过叔胺盐酸盐的开环反应使纳米粒子表面带正电。带正电的纳米粒子能高效捕吸或吸附带带负电荷的细菌，破坏其生存环境，干扰其生理过程，进而实现抑制或杀灭细菌的目的。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明的有机纳米抗菌剂有巨大的比表面，利用率高；其多正电荷的特性对负电性微生物有强的静电作用，能牢固捕吸有害微生物，破坏其生理过程，从而致其死亡，实现高效广谱抗菌效果。

（2）由于电荷之间存在的排斥作用，本发明的有机纳米抗菌剂不团聚，易分散。

（3）本发明的抗菌剂与高分子材料有良好的相容性，应用方便、应用面广，可分散到涂料中制得抗菌涂料，添加到塑料中制得抗菌塑料制品，添加到医用高分子材料中可制得抗菌医疗器械。

（4）本发明的抗菌剂采用乳液聚合方法和简单的工艺制成，过程相对简单，成本相对低廉。

具体实施方式

下面结合实施例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

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由以下方法制备得到：

（1）在装有搅拌器、氮气入口管、回流冷凝管、温度计的250mL四口反应瓶中分别加入65g水、0.3g十二烷基苯磺酸钠、6g甲基丙烯酸缩水甘油酯、12g甲基丙烯酸甲酯、0.2g亚甲基双丙烯酰胺、1g环己烷，以1000r/min的速度搅拌分散，用氮气鼓泡法除氧。45min后升温至70℃，接着加入含0.2g过硫酸钾的水溶液5mL，在氮气保护下维持70℃和600r/min的搅拌速度，反应3h即得功能纳米粒子乳液。

（2）将30g质量分数为33%的三甲胺水溶液加入置于冰浴的圆底烧瓶中，再将18g浓盐酸（质量分数为36%）和15g蒸馏水的混合液在搅拌下缓慢滴入烧瓶中，在200r/min的转速下反应30min，再减压蒸馏除去其中水分，就得到13g白色晶状产物三甲胺盐酸盐。

（3）将4g三甲胺盐酸盐溶解于10mL蒸馏水中，将该溶液加入步骤（1）的功能纳米粒子乳液中，常温下搅拌1h，得到正电纳米乳液。

（4）将带正电的纳米乳液装入截留分子量为1000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液。其粒子平均粒径为165nm，表面正电荷密度为5×10^-3mmol/m²。

取1.5mL质量百分含量3%的含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液，加入装有48mL无菌水的三角瓶中，随即加入0.5mL浓度为10⁷CFU/mL的大肠杆菌菌悬液，另取一个装有49.5mL无菌水的三角瓶作为空白对照，加入与等量菌悬液，每种处理有3个重复，用烧瓶振荡法测定其抑菌率为99.5%。

实施例2

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由以下方法制备得到：

（1）在装有搅拌器、氮气入口管、回流冷凝管、温度计的250mL四口反应瓶中分别加入50g水、0.2g十二烷基硫酸钠、2g甲基丙烯酸缩水甘油酯、4g丙烯酸乙酯、8g丙烯酸甲酯、0.15g二甲基丙烯酸乙二醇酯、0.25g甲基乙基酮，以1200r/min的速度搅拌分散，用氮气鼓泡除氧。30min后升温至75℃，接着加入含0.2g过硫酸钾的水溶液5mL，在氮气保护下维持75℃和800r/min的搅拌速度，反应2h即得功能纳米粒子乳液。

（2）将10.1g三乙胺溶解于10mL水中，再将溶液加入置于冰浴的圆底烧瓶中，然后搅拌下将11g浓盐酸（质量分数为36%）和10mL蒸馏水的混合液缓慢滴入烧瓶中，在300r/min的转速下反应60min，最后减压蒸馏除去其中水分，就得到12g三乙胺盐酸盐。

（3）将2g三乙胺盐酸盐溶解于10mL蒸馏水中，将该溶液加入步骤（1）的功能纳米粒子乳液中，常温下搅拌1h，得到正电纳米乳液。

（4）将带正电的纳米乳液装入截留分子量为2000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液。其粒子平均粒径为155nm，表面正电荷密度为2×10^-3mmol/m²。

取1.5mL质量百分含量3%的含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液，加入装有48mL无菌水的三角瓶中，随即加入1mL浓度为10⁷CFU/mL的金黄色葡萄糖球菌菌悬液，另取一个装有49.5mL无菌水的三角瓶作为空白对照，加入与等量菌悬液，每种处理有3个重复，用烧瓶振荡法测定其抑菌率为97.8%。

实施例3

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由以下方法制备得到：

（1）在装有搅拌器、氮气入口管、回流冷凝管、温度计的250mL四口反应瓶中分别加入45g水、0.25g十二烷基硫酸钠、7g甲基丙烯酸缩水甘油酯、6g苯乙烯、6g甲基丙烯酸甲酯、0.15g二甲基丙烯酸丁二醇酯、1.2g正己烷，以1100r/min的速度搅拌分散，用氮气鼓泡除氧。45min后升温至80℃，接着加入含0.25g过硫酸钾的水溶液5mL，在氮气保护下维持80℃和750r/min的搅拌速度，反应2.5h即得功能纳米粒子乳液。

（2）将9.25g三丁胺加入10mL水中，再将溶液加入置于冰浴的圆底烧瓶中，然后搅拌下将5.5g浓盐酸（质量分数为36%）和10mL蒸馏水的混合液缓慢滴入烧瓶中，在250r/min的转速下反应45min，最后减压蒸馏除去其中水分，就得到11g三丁胺盐酸盐。

（3）将11g三丁胺盐酸盐溶解于15mL蒸馏水中，将该溶液加入步骤（1）的功能纳米粒子乳液中，常温下搅拌1.5h，得到正电纳米乳液。

（4）将带正电的纳米乳液装入截留分子量为3000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液。其粒子平均粒径为215nm，表面正电荷密度为7×10^-3mmol/m²。

取1.5mL质量百分含量3%的含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液，加入装有48mL无菌水的三角瓶中，随即加入0.5mL浓度为10⁷CFU/mL的白色念珠菌菌悬液，另取一个装有49.5mL无菌水的三角瓶作为空白对照，加入与等量菌悬液，每种处理有3个重复，用烧瓶振荡法测定其抑菌率为99.6%。

实施例4

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由以下方法制备得到：

（1）在装有搅拌器、氮气入口管、回流冷凝管、温度计的250mL四口反应瓶中分别加入50g水、0.15g十二烷基磺酸钠、2g甲基丙烯酸缩水甘油酯、13g醋酸乙烯酯、0.15g亚甲基双丙烯酰胺、1.5g环己烷，以1000r/min的速度搅拌分散，用氮气鼓泡除氧。45min后升温至60℃，接着加入含0.05g过硫酸钾的水溶液5mL，在氮气保护下维持60℃和700r/min的搅拌速度，反应3h即得功能纳米粒子乳液。

（2）将15g质量分数为33%的三甲胺水溶液加入置于冰浴的圆底烧瓶中，再将9g浓盐酸（质量分数为36%）和10mL蒸馏水的混合液在搅拌下缓慢滴入烧瓶中，在200r/min的转速下反应30min，再减压蒸馏除去其中水分，就得到6.5g三甲胺盐酸盐。

（3）将1g三甲胺盐酸盐溶解于5mL蒸馏水中，将该溶液加入步骤（1）的功能纳米粒子乳液中，常温下搅拌1h，得到正电纳米乳液。

（4）将带正电的纳米乳液装入截留分子量为1000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液。其粒子平均粒径为115nm，表面正电荷密度为1.3×10^-3mmol/m²。

取1g质量百分含量为2%的含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液，加入固含量为25%的40g内墙涂料中，搅拌后均匀涂抹在10cm×5cm的玻璃板上，干燥后进行无菌处理；在另外的玻璃板上均匀涂抹未加含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液的涂料作对照，每种处理有3个重复。随即在每块玻璃板上均匀涂抹1.5mL浓度为10⁷CFU/mL的大肠杆菌菌悬液，经培养、洗脱、稀释、接种、再培养等操作，用菌落计数法测定得出含0.2%正电纳米涂料的抑菌率为96.4%。

实施例5

一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，由以下方法制备得到：

（1）在装有搅拌器、氮气入口管、回流冷凝管、温度计的250mL四口反应瓶中分别加入70g水、0.1g十二烷基硫酸钠、4g甲基丙烯酸缩水甘油酯、10g甲基丙烯酸甲酯、0.15g二甲基丙烯酸丁二醇酯、0.5g甲基乙基酮，以1000r/min的速度搅拌分散，用氮气鼓泡除氧。30min后升温至65℃，接着加入含0.1g偶氮二异丁基脒盐酸盐的水溶液5mL，在氮气保护下维持65℃和600r/min的搅拌速度，反应3h即得功能纳米粒子乳液。

（2）将10.1g三乙胺溶解于10mL水中，再将溶液加入置于冰浴的圆底烧瓶中，然后搅拌下将11g浓盐酸（质量分数为36%）和10mL蒸馏水的混合液缓慢滴入烧瓶中，在250r/min的转速下反应45min，最后减压蒸馏除去其中水分，就得到11.5g三乙胺盐酸盐。

（3）将3g三乙胺盐酸盐溶解于6mL蒸馏水中，将该溶液加入步骤（1）的功能纳米粒子乳液中，常温下搅拌0.5h，得到正电纳米乳液。

（4）将带正电的纳米乳液装入截留分子量为1000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液。其粒子平均粒径为133nm，表面正电荷密度为2.6×10^-3mmol/m²。

取1g质量百分含量为2%的含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液，加入固含量为25%的80g内墙涂料中，搅拌后均匀涂抹在10cm×5cm的玻璃板上，干燥后进行无菌处理；在另外的玻璃板上均匀涂抹未加含N⁺的有机纳米抗菌剂乳液的涂料作对照，每种处理有3个重复。随即在每块玻璃板上均匀涂抹1.5mL浓度为10⁷CFU/mL的金黄色葡萄球菌菌悬液，经培养、洗脱、稀释、接种、再培养等操作，用菌落计数法测定得出含0.1%的正电纳米涂料的抑菌率为95.7%。

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

1.一种含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（2）在带功能基团的有机纳米产物中加入叔胺盐酸盐，搅拌反应0.5~1.5h，得到阳离子化产物；将阳离子化产物装入截留分子量为1000~3000的透析袋中，用去离子水透析至水体中不能检出氯离子为止，即得到含N⁺的有机纳米抗菌剂的乳液；蒸发掉乳液中的水，即得到含N⁺的有机纳米抗菌剂；

在步骤（1）中，水与两种单体的质量比为(1.5-5.7):1；两种单体是指单体和含环氧结构的功能单体；

所述的有机化合物是三甲胺、三乙胺、三丙胺或三丁胺中的一种。

2.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述乳化剂的用量占两种单体质量的0.5~2%。

3.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述助剂的用量占两种单体质量的1~10%。

4.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述引发剂的用量占两种单体质量的0.1~2%。

5.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述的乳化剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、丁基萘磺酸钠或软脂酸钠中的一种。

6.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述的助剂为环己烷、正己烷、乙酸丁酯、甲基乙基酮或正丁醚中的一种。

7.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或偶氮二异丁基脒盐酸盐中的一种。

8.根据权利要求1所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的惰性气体为氮气或氩气。

9.一种含N⁺的有机纳米抗菌剂，其特征在于是由权利要求1~8任一项所述的方法制备得到。

10.权利要求9所述的含N⁺的有机纳米抗菌剂在抗菌材料中的应用。