CN105284812A - 一种广谱抗菌两亲生物碳材料及其制法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广谱抗菌两亲生物碳材料及其制备方法和用途。本发明通过共价偶联方法以及蒸馏沉淀聚合方法，将广谱抗菌剂季铵盐均匀地固定于两亲生物碳材料的表面，得到季铵盐固定的两亲生物碳材料，即为广谱抗菌两亲生物碳材料。本发明的广谱抗菌两亲生物碳材料具有广谱抗菌性、抗菌持久稳定性和重复利用性等优点，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有较强的抗菌效果。本发明公开了其制法。

Description

一种广谱抗菌两亲生物碳材料及其制法和用途

技术领域

本发明涉及一种广谱抗菌两亲生物碳材料及其制备以及在抗菌涂层材料中的应用。

背景技术

蛋白质/细菌的表面非特异性吸附/粘附是表面形成生物污垢的重要原因。生物污垢对于芯片、纺织、食品包装与传输等领域的应用具有严重的危害。例如：芯片表面的生物污垢会降低其检测灵敏度；生化分离膜、水处理膜表面的生物污垢会阻塞膜孔道，降低膜分离或净化效率。

鉴于生物污垢的危害，为了从根本上解决污损问题，国内外专家学者做了大量的研究工作。如人们设计了具有蛋白质酶解活性的抗污表面，从而防止蛋白质在材料表面吸附、沉淀；利用物理或化学吸附、仿生技术等手段对材料表面进行处理。但这些技术都存在缺陷，表面涂层的耐久性及稳定性极差，对材料基体表面容易造成破坏；而且大部分都只能应对单一类型生物污染物。而在实际应用中，材料表面可能同时面临蛋白质和细菌的双重污染。

通常，蛋白质将首先非特异吸附在材料表面形成条件层，进而引起细菌的黏附、繁殖、以及最终形成生物膜。在该研究领域，人们目前主要采用表面接枝亲水聚合物的策略应对蛋白质和细菌的双重挑战，这些亲水聚合物包括聚乙二醇/聚氧乙烯类、聚羟乙基甲基丙烯酸酯和聚N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰、羧酸甜菜碱两性离子共聚物等。尽管这些亲水聚合物表面可以通过亲水聚合物与水之间的强烈氢键或离子作用，诱导表面形成水化膜以阻止/排斥蛋白质的抵近和细菌的贴壁，但是，亲水聚合物的抗污性能高度依赖表面水化，高度依赖表面的物理化学性质(材料表面的性质、粗糙度，亲水聚合物在材料表面的接枝密度和厚度等)，导致其表面修饰过程复杂而繁冗。其次，任何影响表面水化的外界因素都会影响亲水聚合物的抗污性能。例如，聚乙二醇在过渡金属离子存在或有氧条件下会逐渐氧化降解。此外，对于导尿管、植入性医用装置等生物材料，人们不仅希望其表面具有低污或非污特性，还希望其表面具有根除蛋白质/细菌污垢的作用(降解表面吸附的蛋白质或杀灭粘附的细菌)。

因此，如何通过简单而有效的途径去除蛋白质/细菌污垢，减少表面生物污染，仍然是当今生化分离、食品包装材料等领域的研究热点和难点。探索广谱、高效的抗菌材料依然是科学家们研究的热点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种广谱抗菌两亲生物碳材料，可以持久稳定地有效抑制细菌生长。通过共价偶联方法以及蒸馏沉淀聚合方法，在两亲生物碳材料表面固定季铵盐广普抗菌剂。本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料具有广谱抗菌性、抗菌持久稳定性和重复利用性等优点，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有较强的抗菌效果。

本发明的技术方案如下：

一种广谱抗菌两亲生物碳材料，它是以两亲生物碳材料为载体，在两亲生物碳材料表面通过共价键修饰有N-烷基吡啶的季铵盐抗菌剂的广谱抗菌两亲生物碳材料，其结构似图1所示。

上述的广谱抗菌两亲生物碳材料，所述的两亲生物碳材料是按以下方法制备的：将大肠杆菌或酵母菌震摇分散，取其上层灰白色菌悬液离心，弃去废液，然后加入丙酮，震摇5-20min，离心，弃去丙酮，同法重复操作3-5次，将底物用2％的戊二醛水溶液分散，倒入高温高压反应釜中后放入烘箱，于150-200℃下反应8-10h，反应结束后，冷至室温，倒掉上层溶液，将下层沉淀用蒸馏水反复超声洗涤，最后置于烘箱中干燥即得两亲生物碳材料，该两亲生物碳材料表面富含羧基。

上述的广谱抗菌两亲生物碳材料，所述的N-烷基吡啶中的烷基为C₁～C₁₈的直链烷基。

本发明利用两亲生物碳材料表面富含羧基的结构特性，以其为载体，在其表面进行结构修饰，通过共价偶联方法以及蒸馏沉淀聚合方法将季铵盐抗菌剂固定到两亲生物碳材料的表面，得到广谱抗菌两亲生物碳材料。

一种上述的广谱抗菌两亲生物碳材料的制法，它包括下列步骤：

步骤1.用烯丙胺修饰两亲生物碳材料表面

将干燥后的两亲生物碳材料分散于PB缓冲液(pH5.5)中，依次加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐，然后放置于摇床上充分活化12h，反应结束后离心，弃去上清液，再用蒸馏水超声洗涤、离心，反复数次之后，于30～70℃下鼓风干燥5～12h；

步骤2.两亲生物碳材料表面接枝聚4-乙烯基吡啶

将N,N-亚甲基双丙烯酰胺超声溶解于乙腈中，另取少量偶氮二异丁腈溶解于乙腈中，将上述二溶液合并，然后加入异丙醇、4-乙烯基吡啶以及步骤1得到的用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料，超声分散，在15～25min之内将反应体系由室温加热至沸腾，维持沸腾20～30min，在40min之内蒸出一半溶剂，待反应体系自然冷却，离心，弃上清液，依次用甲醇洗涤数次、去离子水洗涤数次，于50～80℃下鼓风干燥4～10h；

步骤3.广谱抗菌两亲生物碳材料的制备

将步骤2中所得反应产物用N-N二甲基甲酰胺、甲醇和乙二醇组成的混合溶剂分散，加入卤代烷，倒入恒温磁力搅拌器中，70℃-80℃下反应6～10h，反应结束后离心弃去上清液，甲醇洗涤离心数次，蒸馏水洗涤离心数次，烘干即得广谱抗菌两亲生物碳材料，即季铵盐抗菌两亲生物碳材料。

其中的卤代烷的结构式为CH₃(CH₂)nR，式中R＝Cl、Br、I；n＝0～17。

上述的制法，步骤(1)所述的两亲生物碳材料与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐的质量比为1:1～4:1～4:1～3。

上述的制法，步骤(2)所述的用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料与异丙醇、4-乙烯基吡啶、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙腈的质量比为1:55～70:15～30:1.5～4:400～500，偶氮二异丁腈的使用量为N,N-亚甲基双丙烯酰胺的2wt％。

上述的制法，步骤(3)所述的混合溶剂中N-N二甲基甲酰胺与甲醇、乙二醇的体积比为1:0.3～1:0.3～1，步骤(2)中的反应产物与卤代烷、混合溶剂的质量比为1:25～35:200～300。

本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料，其粒度分布均匀，单分散性较好，表面光滑、带有很强的负电荷，易于涂布。另外，该材料既具有亲水性，又具有亲油性，是很好的两亲性材料。

本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料可以有效根除蛋白质/细菌污垢，减少生物污染。本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料具有广谱抗菌性、抗菌持久稳定性和重复利用性等优点，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌等均有较强的抗菌效果。

本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料可充当抗菌涂层，应用于油漆、口罩、防毒面具中。

本发明中的季铵盐抗菌两亲生物碳材料可以与有机高分子材料结合制成抗菌复合膜。

本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料有着非常广泛的应用领域。

本发明的季铵盐抗菌两亲生物碳材料可以与树脂结合，应用于油漆涂料中；可以与塑料、高分子树脂结合，应用于过滤网、电器的外壳、食品包材与传输、反渗透膜、微滤膜、超滤膜、纳滤膜中；可以与硅橡胶、乳胶结合，应用于介入导管(如心脑血管介入导管、导尿管)、植入性导管中；还可以与橡胶、纤维结合，应用于鞋服、口罩中。

附图说明

图1为季铵盐抗菌两亲生物碳材料的结构示意图，其中：1为两亲生物碳渣材料；2为共价键连接；3为季铵盐抗菌剂。

图2为两亲生物碳材料和季铵盐抗菌两亲生物碳材料的红外光谱分析图。

图3为季铵盐抗菌两亲生物碳材料及其原料和中间产物的热重分析图。

图4为两亲生物碳材料和季铵盐抗菌两亲生物碳材料颗粒粒径分布图。

图5为两亲生物碳材料和季铵盐抗菌两亲生物碳材料电位图。

图6为两亲生物碳材料的扫描电镜图片。

图7为季铵盐抗菌两亲生物碳材料的抗菌效果图。

图8为三种不同膜的接触角图片。其中，a为醋酸纤维素膜、b为含有两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜、c为含有季铵盐抗菌两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜。

图9为三种膜对大肠杆菌的抗菌效果图片。其中，a为醋酸纤维素膜、b为含有两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜、c为含有季铵盐抗菌两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜、d为c放置40天后的抗菌效果图片。

图10为三种膜对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图片。其中，a为醋酸纤维素膜、b为含有两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜、c为含有季铵盐抗菌两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜、d为c放置40天后的抗菌效果图片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明作详细描述：

实施例1以酵母菌为原料制备两亲生物碳材料

称取干燥的啤酒酵母10g于烧杯中，加入100mL蒸馏水震摇分散，转移上层灰白色菌悬液置另一烧杯中，以8000r/min的转速离心5min，弃去废液，用30ml丙酮离心洗涤5次(每次离心前震摇10min)，然后将底物分散于2％的戊二醛水溶液中，倒入高温高压反应釜中，于160℃条件下反应10h，反应结束后，除去黑褐色不溶膜，倒掉上层黄褐色溶液，将下层沉淀用蒸馏水分散，反复超声洗涤，最后放置于烘箱中干燥。

实施例2以大肠杆菌为原料制备两亲生物碳材料

将含有大肠杆菌的菌液离心处理，然后用丙酮离心洗涤3次(每次离心前震摇15min)，再将底物分散于2％的戊二醛水溶液中，倒入高温高压反应釜中，于180℃条件下反应8h，反应结束后，除去黑褐色不溶膜，倒掉上层黄褐色溶液，将下层沉淀用蒸馏水分散，反复超声洗涤，最后放置于烘箱中干燥。

实施例3制备季铵盐抗菌两亲生物碳材料

(1)用烯丙胺修饰的两亲生物碳材料(ACPs-AM)

称取150mg的干燥后的两亲生物碳材料分散于25mLPB缓冲液(pH5.5)中，依次加入各75mg的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐，放置摇床充分活化12h。反应结束后离心，弃去上清液，加入蒸馏水超声反复离心洗涤数次，于30℃下鼓风干燥12h。

(2)两亲生物碳材料表面继续枝接聚4-乙烯基吡啶(ACPs-AM-P4VP)

取150mgN,N-亚甲基双丙烯酰胺超声溶解于，20mL乙腈中，另取少量引发剂偶氮二异丁腈用5mL乙腈溶解，将两溶液合并，加入6mL异丙醇、1.5mL4-乙烯基吡啶和70mg用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料，超声分散，随后在20min之内由室温加热至沸腾，维持沸腾20min换装置，在40min之内蒸出一半溶剂，待反应体系自然冷却，离心，弃去上清液，用甲醇洗涤4次，去离子水洗涤4次，于50℃鼓风干燥10h。

(3)季铵盐抗菌两亲生物碳材料(ACPs-QAS)的制备

取上述反应产物70mg，用混合溶剂[10mLN-N二甲基甲酰胺、5mL甲醇和5mL乙二醇]分散，加入2mL溴己烷，倒入恒温磁力搅拌器中，转速为300r/min，70℃反应10h，反应结束后离心弃去上清液，甲醇离心洗涤数次，蒸馏水离心洗涤数次。烘干即得季铵盐抗菌两亲生物碳材料。

对于上述实验结果，本发明分别通过测定颗粒粒径大小、电位法、热重分析法、红外光谱等方法对其进行了验证。

如图2所示，为两亲生物碳材料(图中a)和季铵盐抗菌两亲生物碳材料(图中b)的红外光谱分析图。b出现了由于吡啶环中C＝N的对称伸缩振动和不对称伸缩振动造成的1600cm^-1和1557cm^-1处较强的吸收峰。

图3为上述各步反应结果的热重分析图，其中a为两亲生物碳材料(ACPs)，b为接枝烯丙胺后的两亲生物碳材料(ACPs-AM)，c为b继续接枝聚4-乙烯基吡啶后的两亲生物碳材料(ACPs-AM-P4VP)，d为季铵盐抗菌两亲生物碳材料(ACPs-QAS)。各物质间的失重情况见下表：

热重分析

如图4所示，为两亲生物碳材料和季铵盐抗菌两亲生物碳材料的颗粒粒径分布图，图5为两亲生物碳材料和季铵盐抗菌两亲生物碳材料的电位图。结果如下表：

如图6所示，为两亲生物碳材料颗粒的扫描电镜图片，图7为实施例所得季铵盐抗菌两亲生物碳材料对革兰氏阴性菌和对革兰氏阳性菌液体抗菌对比图。由图可知，季铵盐抗菌涂层材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.colis)的最低抑菌浓度(MIC)为1.0mg/ml左右，对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)的最低抑菌浓度(MIC)为2.5mg/ml左右。

实施例4制备季铵盐抗菌两亲生物碳材料

(1)用烯丙胺修饰的两亲生物碳材料(ACPs-AM)

称取150mg的干燥后的两亲生物碳材料分散于30mLPB缓冲液(pH5.5)中，依次加入各80mg的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐，放置摇床充分活化12h。反应结束后离心，弃去上清液，加入蒸馏水超声反复离心洗涤数次，于50℃下鼓风干燥10h。

(2)两亲生物碳材料表面继续枝接聚4-乙烯基吡啶(ACPs-AM-P4VP)

取180mgN,N-亚甲基双丙烯酰胺超声溶解于，25mL乙腈中，另取少量引发剂偶氮二异丁腈用5mL乙腈溶解，将两溶液合并，加入8mL异丙醇、2mL4-乙烯基吡啶和70mg用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料，超声分散，随后在20min之内由室温加热至沸腾，维持沸腾25min换装置，在40min之内蒸出一半溶剂，待反应体系自然冷却，离心，弃去上清液，用甲醇洗涤4次，去离子水洗涤4次，于70℃鼓风干燥8h。

(3)季铵盐抗菌两亲生物碳材料(ACPs-QAS)的制备

取上述反应产物70mg，用混合溶剂[10mLN-N二甲基甲酰胺、10mL甲醇和10mL乙二醇]分散，加入0.9mL碘甲烷，倒入恒温磁力搅拌器中，转速为300r/min，75℃反应8h，反应结束后离心弃去上清液，甲醇离心洗涤数次，蒸馏水离心洗涤数次。烘干即得季铵盐抗菌两亲生物碳材料。

实施例5制备季铵盐抗菌两亲生物碳材料

(1)用烯丙胺修饰的两亲生物碳材料(ACPs-AM)

称取150mg的干燥后的两亲生物碳材料分散于20mLPB缓冲液(pH5.5)中，依次加入各85mg的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐，放置摇床充分活化12h。反应结束后离心，弃去上清液，加入蒸馏水超声反复离心洗涤数次，于70℃下鼓风干燥5h。

(2)两亲生物碳材料表面继续枝接聚4-乙烯基吡啶(ACPs-AM-P4VP)

取200mgN,N-亚甲基双丙烯酰胺超声溶解于，30mL乙腈中，另取少量引发剂偶氮二异丁腈用5mL乙腈溶解，将两溶液合并，加入10mL异丙醇、2.5mL4-乙烯基吡啶和70mg用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料，超声分散，随后在20min之内由室温加热至沸腾，维持沸腾30min换装置，在40min之内蒸出一半溶剂，待反应体系自然冷却，离心，弃去上清液，用甲醇洗涤4次，去离子水洗涤4次，于80℃鼓风干燥5h。

(3)季铵盐抗菌两亲生物碳材料(ACPs-QAS)的制备

取上述反应产物70mg，用混合溶剂[10mLN-N二甲基甲酰胺、8mL甲醇和8mL乙二醇]分散，加入0.9mL碘甲烷，倒入恒温磁力搅拌器中，转速为300r/min，80℃反应6h，反应结束后离心弃去上清液，甲醇离心洗涤数次，蒸馏水离心洗涤数次。烘干即得季铵盐抗菌两亲生物碳材料。

实施例6制备季铵盐抗菌两亲生物碳材料与有机高聚物的复合抗菌膜

将5.0g的季铵盐抗菌两亲生物碳材料颗粒溶解于2mL有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，使季铵盐抗菌两亲生物碳材料完全分散开，然后将其倒入含有10mLN,N-二甲基甲酰胺的锥形瓶中，密封瓶口后放在恒温加热磁力搅拌器上保持50℃、500r/min持续搅拌4h，待溶液均匀之后称取2.0g的醋酸纤维素于上述锥形瓶中，保持50℃、500r/min持续搅拌8h，获得均匀的混合溶液。将得到的溶液放在台式匀胶机上铺成一层均匀的膜，将此膜于40°下真空干燥24h，待有机溶剂蒸发完之后取出，倒入去离子水制得抗菌复合膜。

本实施例中采用强度检测仪对上述季铵盐抗菌复合膜进行拉伸强度、撕裂强度及断裂伸长率的测定，结果如下：

本实施例中，采用接触角测定仪测定了三种膜(a为醋酸纤维素膜，b为含有两亲生物碳材料的醋酸纤维素膜，c为含有季铵盐抗菌两亲生物碳材料的抗菌复合膜)的接触角大小，分别为θa＝67.3°，θb＝86°，θc＝75°。(抗菌效果图见附图9、附图10)

实施例7利用季铵盐抗菌两亲生物碳材料制备抗菌涂料

将季铵盐抗菌两亲生物碳材料粉末状原料研磨后过200目～500目标准筛，备用。采用聚丙烯油漆为基体，将备好的季铵盐抗菌两亲生物碳材料添加到聚氨酯树脂中，根据抗菌需求添加比例可以为0.1％～1.0％。将混合物放在球磨机上球磨25～35h，即得成品。

Claims (9)

1.一种广谱抗菌两亲生物碳材料，其特征是：它是以两亲生物碳材料为载体，在两亲生物碳材料表面通过共价键修饰有N-烷基吡啶的季铵盐抗菌剂的广谱抗菌两亲生物碳材料。

2.根据权利要求1所述的广谱抗菌两亲生物碳材料，其特征是：所述的两亲生物碳材料是按以下方法制备的：将大肠杆菌或酵母菌震摇分散，取其上层灰白色菌悬液离心，弃去废液，然后加入丙酮，震摇5-20min，离心，弃去丙酮，同法重复操作3-5次，将底物用2％的戊二醛水溶液分散，倒入高温高压反应釜中后放入烘箱，于150-200℃下反应8-10h，反应结束后，冷至室温，倒掉上层溶液，将下层沉淀用蒸馏水反复超声洗涤，最后置于烘箱中干燥即得两亲生物碳材料，该两亲生物碳材料表面富含羧基。

3.根据权利要求1所述的广谱抗菌两亲生物碳材料，其特征是：所述的N-烷基吡啶中的烷基为C₁～C₁₈的直链烷基。

4.一种权利要求1所述的广谱抗菌两亲生物碳材料的制法，其特征是它包括下列步骤：

步骤1.用烯丙胺修饰两亲生物碳材料表面

将干燥后的两亲生物碳材料分散于pH5.5的PB缓冲液中，依次加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺和烯丙胺盐酸盐，然后放置于摇床上充分活化12h，反应结束后离心，弃去上清液，再用蒸馏水超声洗涤、离心，反复数次之后，于30～70℃下鼓风干燥5～12h；

步骤2.两亲生物碳材料表面接枝聚4-乙烯基吡啶

将N,N-亚甲基双丙烯酰胺超声溶解于乙腈中，另取少量偶氮二异丁腈溶解于乙腈中，将上述二溶液合并，然后加入异丙醇、4-乙烯基吡啶以及步骤1得到的用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料，超声分散，在15～25min之内将反应体系由室温加热至沸腾，维持沸腾20～30min，在40min之内蒸出一半溶剂，待反应体系自然冷却，离心，弃去上清液，依次用甲醇洗涤数次、去离子水洗涤数次，于50～80℃下鼓风干燥4～10h；

步骤3.广谱抗菌两亲生物碳材料的制备

将步骤2中所得反应产物用N-N二甲基甲酰胺、甲醇和乙二醇组成的混合溶剂分散，加入卤代烷，倒入恒温磁力搅拌器中，70℃-80℃下反应6～10h，反应结束后离心弃去上清液，甲醇洗涤离心数次，蒸馏水洗涤离心数次，烘干即得广谱抗菌两亲生物碳材料，即季铵盐抗菌两亲生物碳材料。

其中的卤代烷的结构式为CH₃(CH₂)nX，式中X＝Cl、Br或I；n＝0～17。

5.根据权利要求4所述的制法，其特征是：步骤(1)所述的两亲生物碳材料与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、烯丙胺盐酸盐的质量比为1:05～4:0.5～4:1～3。

6.根据权利要求4所述的制法，其特征是：步骤(2)所述的用烯丙胺修饰过的两亲生物碳材料与异丙醇、4-乙烯基吡啶、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙腈的质量比为1:55～70:15～30:1.5～4:400～500，偶氮二异丁腈的使用量为N,N-亚甲基双丙烯酰胺的2wt％。

7.根据权利要求4所述的制法，其特征是：步骤(3)所述的混合溶剂中N-N二甲基甲酰胺与甲醇、乙二醇的体积比为1:0.3～1:0.3～1，步骤(2)中的反应产物与卤代烷、混合溶剂的质量比为1:25～35:200～300。

8.根据权利要求1所述的广谱抗菌两亲生物碳材料在制备抗菌材料或抗菌器具中的应用。

9.根据权利要求1所述的广谱抗菌两亲生物碳材料在制备有机高聚物的复合抗菌膜中的应用。