CN104841015B

CN104841015B - 一种高比表面载银二氧化钛复合抗菌材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104841015B
Application number: CN201510264350.3A
Authority: CN
Inventors: 罗云纲; 翁升欣; 赵旭; 刘国民; 关岳锋
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: CN104841015A

Abstract

一种高比表面载银二氧化钛复合抗菌材料及其制备方法，属于抗菌材料技术领域。是以钛源、银源和沉淀剂为反应物，加入分散剂和造孔剂，通过均相沉淀法合成。该复合抗菌材料由金属Ag和TiO₂复合而成，锐钛矿结构的TiO₂为球形形貌，粒径为2～5μm，金属Ag均匀地分布于TiO₂表面，加入金属Ag粒子后Ag/TiO₂复合粉体的粒径为2～5μm。本发明制备工艺简单，重复性好，所用到的造孔剂随着反应进行及后续的产物处理即可去除，无需额外去除造孔剂的处理步骤，操作方便。抗菌材料具有354.06～363.28m²/g的高比表面积，材料与细菌的接触面积大，能有效的增加抗菌效率。

Description

一种高比表面载银二氧化钛复合抗菌材料及其制备方法

技术领域

本发明属于抗菌材料技术领域，具体涉及一种高比表面载银二氧化钛复合抗菌材料及其制备方法。

背景技术

人类与细菌的斗争自始至终从未停歇过，从两千年前古代人的防腐技术到现在的抗菌材料，随着科技的进步和人类认识水平的提高，抗菌手段不断提高。另外,随着人们健康意识的增强，对抗菌材料和抗菌产品的需求量也迅速增加。

抗菌材料的核心成分是抗菌剂。根据材料中有效的抗菌成分的差别，抗菌材料分为以银、氧化铜、氧化锌和二氧化钛为代表的无机抗菌材料和以季铵盐类和壳聚糖及其衍生物为代表的有机抗菌材料。另外，大量文献表明，将几种抗菌剂组合的复合抗菌材料，其抗菌性能均优于单一组分的性能，这也是未来抗菌材料发展的一个方向。但是考虑到作为抗菌剂的有机物对人体的毒性作用和对环境的污染，含有有机抗菌剂的抗菌材料的应用始终受到限制。而无机抗菌剂由于具有无毒、生物安全性高和环境友好等优点，在抗菌材料中应用广泛。目前，银(Ag)和二氧化钛(TiO₂)复合抗菌剂是应用较广泛的抗菌材料。

银作为抗菌材料，其使用历史已达数千年，因银类抗菌材料具有长期、高效及广谱的抗菌性能，对哺乳动物细胞的低毒性及不易产生细菌耐药性的优点，成为生物抗菌材料的研究热点。银通过破坏细菌细胞膜进入细菌细胞，与细菌的DNA作用，导致DNA高度浓缩，失去复制能力，同时银还可以与蛋白质的巯基结合，使蛋白质失活，从而发挥其抗菌作用。

TiO₂的抗菌机制在于它的光催化作用。在光的作用下，TiO₂的表面可以产生大量的·OH和·O，这些自由基具有强氧化性，在与微生物接触后可以在短时间内导致微生物的死亡。另外，由于二氧化钛是半导体材料，在金属银和半导体TiO₂中，存在肖特基势垒，具有较低的界面电压，使细菌细胞膜表面沿着呼吸链传递的电子更容易被银俘获，导致电子传递中断。而这一电子传递的过程是细菌生成能量从而维持细菌的生长和代谢所必不可少的途径，所以在不考虑TiO₂光催化作用的情况下，Ag/TiO₂复合粉体材料具有较Ag本身更好的杀菌效果。另外，随着电子的富集，Ag/TiO₂的费米能级趋向更负的状态，从而使电子的俘获更加容易，进一步促进抗菌作用。

除此之外，如果材料具备较高的比表面，Ag/TiO₂复合抗菌材料除了具有Ag和TiO₂的双重抗菌效果，较高的比表面积将会增加材料与细菌的接触面积和接触几率，进而可以拥有更高效的抗菌效果。然而目前公开的有关高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料制备方法的专利为数不多，但由于Ag/TiO₂类复合抗菌材料中，Ag常常作为抗菌剂加载于TiO₂载体，所以关于高比表面的TiO₂的制备对本发明也有一定的相关性，下面简要介绍几种与本发明密切相关的技术方法。

1.CN103896335A公开了一种高比表面积纳米多孔二氧化钛的制备方法。该发明利用偏钛酸浆料、碳酸氢铵为原料，反应过程需严格控制浆料的pH值得到的浆料进行脱水处理，之后煅烧脱去结构水；经冷却、粉碎后得到高比表面纳米多孔二氧化钛成品。该方法制备过程对pH值要求严格，不易控制，并且需要高温煅烧处理，操作不便。

2.CN102716732A公开了一种高空隙率、高比表面积TiO₂微球的合成方法。该发明利用乳化技术原理，将乙酰丙酮(ACAC)稳定的钛酸正丁酯(TBOT)作为油相液体，加入到水或十二烷基苯磺酸的水溶液中，形成水包油型乳液分散体系。经水热处理24h；反应后的产物经离心分离、水洗涤及乙醇洗涤等过程后，干燥，最后将样品于马弗炉中煅烧获得TiO₂微球催化剂。该方法制备过程复杂，反应时间长，产物需要煅烧处理，操作不便。制备原料钛源为有机酯类钛酸正丁酯，另外，因为钛醇盐水解速率很高，所以须采用乙酰丙酮络合剂对其进行络合稳定，提高了制造成本。而其产物的比表面积也只有58～68m²/g。

3.CN103170319A公开了一种大比表面积纯相TiO₂光催化剂及其制备方法和应用。该发明以LiAc·2H₂O、二甲基甲酰胺(DMF)、冰乙酸(HAc)、丙三醇与、乙醇、硫酸氧钛(TiOSO₄)、无水乙醇为原料，混合后所得前驱液移入反应釜中，在烘箱中进行醇热反应，然后经由水洗、乙醇洗涤，烘干，得到产物超大比表面积锐铁矿相TiO₂光催化剂。原料复杂，并且包含有机物，在一定程度上造成环境污染。

发明内容

本发明要解决的是Ag/TiO₂合成过程复杂、生产成本较高、生成的Ag/TiO₂比表面积较低等缺陷，从而提供一种高比表面积的Ag/TiO₂复合抗菌材料及其制备方法。

本发明提供一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料，是以钛源、银源和沉淀剂为反应物，加入分散剂和造孔剂，通过均相沉淀法合成。该复合抗菌材料由金属Ag和TiO₂复合而成，锐钛矿结构的TiO₂为球形形貌，粒径为2～4μm，金属Ag单质均匀地分布于TiO₂表面，加入金属Ag粒子后Ag/TiO₂复合粉体的粒径为2～4μm。

本发明采用的具体技术方案是：

将钛源溶于蒸馏水1得到钛源水溶液，将银源溶于蒸馏水2得到银源水溶液，将造孔剂溶于蒸馏水3得到造孔剂水溶液；将所述钛源水溶液、银源水溶液、造孔剂水溶液与分散剂及沉淀剂混合后搅拌10～30min，然后于振荡水浴中，在90～110r/min、80～100℃条件下反应4～6h，冷却至室温后抽滤，得到复合抗菌材料粗产品；复合抗菌材料粗产品再用蒸馏水洗涤去除沉淀剂、分散剂和造孔剂及杂质，直至滤液用BaCl₂检测无沉淀生成，然后于80～90℃下干燥4～8h，从而得到Ag/TiO₂复合抗菌材料；整个反应过程在避光条件下完成，其中，钛源、蒸馏水1、银源、蒸馏水2、造孔剂、蒸馏水3、分散剂和沉淀剂的用量质量比为2.88～7.44：9～50：3.4×10^-2～0.16：5.76～20.3：1.0×10^-3～4.33×10^-3：1～5：20.25～60：14.5～50.5。

所述钛源优选硫酸钛；所述银源优选硝酸银；所述分散剂优选乙二醇；所述沉淀剂优选尿素；所述造孔剂优选聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

与现有技术相比，本发明提供的一种高比表面Ag/TiO₂抗菌材料及其制备方法具有以下优点：

1、本发明材料制备所需原料简单易得，价格低廉。用到的造孔剂虽为有机物，但用量较少，仅为反应物重量的8.50×10^-4～10.35×10^-4％。

2、本发明制备工艺简单，重复性好，所用到的造孔剂随着反应进行及后续的产物处理即可去除，无需额外去除造孔剂的处理步骤，操作方便。

3、本发明合成的高比表面Ag/TiO₂抗菌材料具有354.06～363.28m²/g的高比表面积，材料与细菌的接触面积大，能有效的增加抗菌效率。

4、本发明方法制备的抗菌材料中抗菌成分为Ag和TiO₂，抗菌效果好，抗菌谱广。

5、对本发明制备得到的高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料进行抗菌性检测，采用抑菌环实验，选择金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为实验对象，按照《消毒技术规范》(2002版)2.1.8.2抑菌环试验和临床实验室标准协会(ClinicalandLaboratoryStandardsInstitute，CLSI)规定利用抑菌剂不断溶解经琼脂扩散形成不同浓度梯度，以显示其抑菌作用。以抑菌圈直径的平均值定性证明材料的抗菌性。结果显示，高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的抑菌环直径大于7mm，有明显抗菌性。

6、对本发明制备的得到高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料进行细胞毒性检测，采用CCK8实验，选择MC3T3细胞为实验对象。结果显示，高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料对MC3T3细胞无细胞毒性作用。

7、本发明利用银的高效抗菌性能和对哺乳动物细胞的低毒性作用，从而在实现抗菌效果的同时保证了材料的生物安全性，可应用于骨科骨折固位钉和口腔科牙种植体的抗菌涂层材料，也可作为关节置换术中人工关节的表面涂层材料，创造有利于骨结合形成的优良环境，提高外科手术的成功率，延长外科植入物(或替代物)的使用寿命。

附图说明

图1：实施例1制备的TiO₂粉末样品A1的扫描电镜(SEM)照片。

图2：实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的扫描电镜(SEM)照片。

图3：实施例1制备的TiO₂粉末样品A1和实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料A4的X射线衍射光谱(XRD)图。

图4：实施例1制备的TiO₂粉末样品A1和实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料A4的X射线光电子能谱(XPS)图。

图5：实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)图。

图6：实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4元素表面分析(Mapping)图。

图7：实施例5所用菌种为金黄色葡萄球菌(ATCC6538)时，制备的TiO₂样品和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A1～A4的抑菌环结果图。

图8：实施例5所用菌种为大肠杆菌(ATCC25922)时，制备的TiO₂样品和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A1～A4的抑菌环结果图。

图9：实施例5所述的TiO₂样品和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A1～A4的两种菌种的抑菌环结果线形图。

图10：实施例6所述的TiO₂样品和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A1～A4的细胞毒性测试结果图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

本实施例用于制备TiO₂粉体。

将钛源溶于蒸馏水1得到钛源水溶液；将造孔剂溶于蒸馏水2得到造孔剂溶液；将所述钛源水溶液和造孔剂水溶液与分散剂及沉淀剂混合后搅拌10min，然后于振荡水浴中，在90r/min及80℃条件下反应4h，冷却至室温后抽滤，得到抗菌材料粗产品；所述抗菌材料粗产品再用蒸馏水洗涤去除沉淀剂、分散剂和造孔剂及杂质，直至滤液用BaCl₂检测无沉淀生成，于80℃干燥4h，得到TiO₂粉体材料样品A1。

钛源、蒸馏水1、造孔剂、蒸馏水2、分散剂、沉淀剂的质量比为2.88：9：1.0×10^-3：1：20.25：14.5；所述钛源为硫酸钛；所述银源为硝酸银；所述分散剂为乙二醇；所述沉淀剂为尿素；所述造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

实施例2～4

一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料制备方法，包括以下步骤：

反应过程在避光条件下完成：将钛源溶于蒸馏水1得到钛源水溶液，将银源溶于蒸馏水2得到银源水溶液，将造孔剂溶于蒸馏水3得到造孔剂水溶液；将所述钛源水溶液、银源水溶液、造孔剂水溶液与分散剂及沉淀剂混合后搅拌20min，然后于振荡水浴中，在100r/min、90℃条件下反应5h，冷却至室温后抽滤，得到复合抗菌材料粗产品；复合抗菌材料粗产品再用蒸馏水洗涤去除沉淀剂、分散剂和造孔剂及杂质，直至滤液用BaCl₂检测无沉淀生成，然后于85℃干燥6h，从而得到Ag/TiO₂复合抗菌材料样品，依次记为A2、A3、A4。

表1：高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料实施例2～4的配比数据

表2：Ag/TiO₂复合抗菌材料的比表面积

实施例	对应样品	比表面积值(m²/g)
			1	TiO₂	359.98
2	A2	359.17
			3	A3	354.06
4	A4	362.80

由表2可见，采用本发明所述方法制备的TiO₂和Ag/TiO₂复合抗菌材料均具有远远高于现有技术中所述方法制备的TiO₂的比表面积(58～68m²/g)，因此在材料的抗菌性方面表现出更加优良的效果。

所述钛源为硫酸钛，所述银源为硝酸银，所述分散剂为乙二醇，所述沉淀剂为尿素，所述造孔剂优选聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

由图1可见，该方法制备的TiO₂粒子平均直径约为2～4μm，为球形形貌，并且粒子表面分散均匀。

由图2可见，加入Ag后并未改变TiO₂的形貌，复合粒子的平均直径也并未改变，仍然约2～4μm，Ag粒子均匀分散在TiO₂表面。

图3是TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的X射线衍射光谱(XRD)图。其中谱线a为TiO₂样品A1的谱线，谱线b为Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的谱线。通过对比谱线a和b比较可以看出，谱线a和b中出现的均为TiO₂的衍射特征峰，并且2θ＝25.3°(101)、37.8°(004)、48.0°(200)、55.1°(211)为锐钛矿型TiO₂的衍射特征峰，两者衍射峰位置相同、形状相近、强度相似。由于Ag的衍射峰位置与TiO₂接近，而且考虑到Ag含量较少，所以在XRD结果图b中Ag的衍射峰被TiO₂掩盖。

图4是TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的X射线光电子能谱(XPS)图。其中谱线a为TiO₂样品A1的谱线，谱线b为Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的谱线。通过对比谱线a和b比较可以看出，谱线a和b中的峰位均与Ti2p、C1s和O1s的结合能一致。其中C为测试中材料本身中的污染或者为了标定仪器自身引入C。另外谱线b的367.71eV峰与Ag 3d的结合能一致，进一步证明了材料的化学组成。

图5是Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)图。367.71eV和373.80eV处的峰与Ag⁰的Ag 3d_5/2和Ag 3d_3/2结合能相一致，证明了材料中Ag的存在状态为金属银单质

图6是实施例4制备的Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A4元素表面分析(Mapping)图。结果可知，Ag与Ti、O的元素分布一致，Ag均匀分布于TiO₂之中。

实施例5

本实施例用于说明本发明提供的复合抗菌涂层材料的抗菌性能。

采用抑菌环实验，依据《消毒技术规范》(2002版)2.1.8.2抑菌环试验和临床实验室标准协会(ClinicalandLaboratoryStandardsInstitute，CLSI)规定利用抑菌剂不断溶解经琼脂扩散形成不同浓度梯度，以显示其抑菌作用。该方法是将实施例1的TiO₂粉末A1和实施例2～4中Ag/TiO₂复合抗菌材料A2～A4分别溶于水后吸附于直径为6mm滤纸上。将滤纸片放于细菌浓度为38.5CFU/mL的琼脂平板上，37℃恒温培养18h后，测量抑菌环直径。以抑菌圈直径的平均值定性证明材料的抗菌性。

该方法选择金黄色葡萄球菌(ATCC6538)和大肠杆菌(ATCC25922)为实验对象，所用菌种为金黄色葡萄球菌(ATCC6538)时，抑菌环结果图片如图7，所用菌种为大肠杆菌(ATCC25922)时，抑菌环结果图片如图8，样品A1～A4对两种菌种作用的抑菌环结果线形图如图9。所有样品均为三次重复实验。

图7是TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A2～A4以金黄色葡萄球菌(ATCC6538)为目标菌时的抑菌环结果图。抗菌结果表明Ag/TiO₂复合抗菌材料对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)具有良好的抗菌性能。未加Ag时，纯TiO₂不具有抗菌性，是由于实验过程在避光条件下进行，而TiO₂的抗菌作用依赖于光催化作用，因此在避光条件下单纯的TiO₂没有表现出抗菌作用。

图8是TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A2～A4以大肠杆菌(ATCC25922)为目标菌时的抑菌环结果图。抗菌结果表明样品A2、A3、A4复合粉体对大肠杆菌有良好的抗菌性能。未加Ag时的纯TiO₂不具有抗菌性，是由于实验过程在避光条件下进行，而TiO₂的抗菌作用依赖于光催化作用，因此在避光条件下TiO₂没有表现出抗菌作用。

图9是TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A2～A4分别以金黄色葡萄球菌(ATCC6538)和大肠杆菌(ATCC25922)为目标菌时对两种菌种作用的抑菌环结果线形图。结果表明，Ag/TiO₂复合抗菌材料对金黄色葡萄球菌的抗菌作用强于对大肠杆菌的作用，而这种差别是由于两种细菌的结构不同所决定。

实施例6

本实施例用于说明本发明提供的复合抗菌涂层材料的细胞毒性。

采用CCK8实验。该方法是将实施例1中TiO₂粉体样品A1和实施例2～4中Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A2、A3、A4分别加入24孔板中，体积分数5％的CO₂，37℃条件下与细胞共培养，于培养的第1天、第3天、第5天和第7天时，处理含细胞培养液，测定OD值。以OD值与对照组比较评估材料的细胞毒性。OD值越高，材料的细胞毒性越小。

该方法选择小鼠胚胎成骨细胞(MC3T3-E1)为实验对象，以同条件下不添加抗菌材料培养的细胞为对照组，CCK8实验结果如图10。所有样品均为三次重复实验。

图10为TiO₂样品A1和Ag/TiO₂复合抗菌材料样品A2、A3、A4的CCK8实验结果线形图，C为对照组结果。其中样品A1、A2、A3的OD值均大于对照组，样品A4的OD值与对照组持平，说明Ag/TiO₂复合抗菌材料在该浓度范围内对MC3T3-E1细胞无毒性作用，具有一定的生物安全性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：将钛源溶于蒸馏水1得到钛源水溶液，将银源溶于蒸馏水2得到银源水溶液，将造孔剂溶于蒸馏水3得到造孔剂水溶液；将所述钛源水溶液、银源水溶液、造孔剂水溶液与分散剂及沉淀剂混合后搅拌10～30min，然后于振荡水浴中，在90～110r/min、80～100℃条件下反应4～6h，冷却至室温后抽滤，得到复合抗菌材料粗产品；复合抗菌材料粗产品再用蒸馏水洗涤去除沉淀剂、分散剂和造孔剂及杂质，直至滤液用BaCl₂检测无沉淀生成，然后于80～90℃下干燥4～8h，从而得到Ag/TiO₂复合抗菌材料；整个反应过程在避光条件下完成，其中，钛源、蒸馏水1、银源、蒸馏水2、造孔剂、蒸馏水3、分散剂和沉淀剂的用量质量比为2.88～7.44：9～50：3.4×10^-2～0.16：5.76～20.3：1.0×10^-3～4.33×10^-3：1～5：20.25～60：14.5～50.5。

2.如权利要求1所述的一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：所述钛源为硫酸钛。

3.如权利要求1所述的一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：所述银源为硝酸银。

4.如权利要求1所述的一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂为乙二醇。

5.如权利要求1所述的一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：所述沉淀剂为尿素。

6.如权利要求1所述的一种高比表面Ag/TiO₂复合抗菌材料的制备方法，其特征在于：所述造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮。