CN105794841A - 抗菌复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗菌复合材料及其制造方法。抗菌复合材料包括一多孔性材料、一螯合剂以及一二价以上的金属离子。螯合剂化学键合到多孔性材料上，二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗菌复合材料及其制造方法，更特别地涉及一种具有高稳定性的抗菌复合材料及其制造方法。
背景技术
常见的抗菌材料可分为三个大类，分别为天然抗菌材料、有机抗菌材料与无机抗菌材料，其中无机抗菌材料中的银离子抗菌材料因具有广效性和安全性等优点，成为发展最快的材料。
相较于添加抗生素或添加次氯酸钠等有机物的杀菌方式，使用银离子杀菌具有对环境影响较小与不产生抗药性的优点，而高价银离子的杀菌速度效果又高于单价银离子。因此，制作具有高稳定性且具有长效抗菌效果的多价银离子的抗菌材料，已是研发抗菌材料所要追求的主要目标。
发明内容
本发明涉及一种抗菌复合材料及其制造方法。实施例的抗菌复合材料中，二价以上的金属离子可以经由螯合剂稳定地维持其高价位位特性，与多孔性材料结合后，因此可提高抗菌复合材料的抗菌时效，进一步提高抗菌复合材料的抗菌效果、稳定性及抗菌使用寿命。
根据本发明的一个实施例，提出了一种抗菌复合材料。抗菌复合材料包括一多孔性材料、一螯合剂以及一二价以上的金属离子。螯合剂化学键合到多孔性材料上，二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
根据本发明的另一个实施例，提出了一种抗菌复合材料的制造方法。抗菌复合材料的制造方法包括以下步骤：形成一氧化混合溶液，包括：混合一氧化剂和一金属离子化合物，其中金属离子化合物具有一二价以上的金属离子；化学键合一螯合剂到一多孔性材料上；以及混合具有螯合剂的多孔性材料到氧化混合溶液中，以得到抗菌复合材料，其中二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A为根据本发明的一个实施例的修饰NH2官能基之前的SBA-15的红外线(FTIR)光谱。
图1B为根据本发明的一个实施例的表面修饰NH2官能基的SBA-15的红外线(FTIR)光谱。
图2为根据本发明的一个实施例的表面键合乙二胺四乙酸(EDTA)的SBA-15的红外线(FTIR)光谱。
图3为根据本发明内容的一个实施例的表面化学键合有二价银离子的多孔性抗菌复合材料的X光光电子能谱(XPS)。
图4为根据本发明的实施例与比较例的针对大肠杆菌的时间-抑菌圈直径的关系图。
图5为根据本发明内容的实施例与比较例的针对金黄色葡萄球菌的时间-抑菌圈直径的关系图。
附图标记说明：
III-1、III-2、IV-1、IV-2：曲线
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的实施例中，抗菌复合材料中的二价以上的金属离子可以经由螯合剂稳定地维持其高价位位特性，与多孔性材料结合后，因而可以提高抗菌复合材料的抗菌时效，进一步提高抗菌复合材料的抗菌效果、稳定性及抗菌使用寿命。以下参照所附附图详细叙述本发明的实施例。实施例所提出的细部结构及步骤为举例说明之用，并非对本发明要求保护的范围做限缩。具有通常知识者应当可以依据实际实施形势的需要对这些结构及步骤加以修饰或变化。
根据本发明的实施例，以下提出一种抗菌复合材料。抗菌复合材料包括一多孔性材料、一螯合剂以及一二价以上的金属离子。其中螯合剂化学键合到多孔性材料上，二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
相较于以化合物型态存在的二价以上的金属离子，由于较易受到光及其他环境因素所影响，因此具有较差的稳定性，抗菌时效也较差；根据本发明的实施例，二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上、并更进一步化学键合到多孔性材料上，因此二价以上的金属离子可以经由螯合剂稳定地维持其高价位特性，因而可以提高抗菌复合材料的抗菌时效，进一步提高抗菌复合材料的抗菌效果、稳定性及抗菌使用寿命。并且，多孔性材料具有高表面积，可提升负载在其上的二价以上的金属离子的抗菌能力。
实施例中，螯合剂化学键合到多孔性材料上，二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。相较于以物理吸附或是氢键的方式将二价以上的金属离子设置在多孔性材料上的状况，经由化学键合方式可以使得抗菌复合材料的整个结构更加稳定，可以放置在各种环境中，而不会因为所处环境的溶剂类型而轻易地将金属离子溶出。如此一来，可以具有卓越的长效抗菌效果。
实施例中，二价以上的金属离子与螯合剂的摩尔比为约0.5∶1～20∶1。
实施例中，二价以上的金属离子包括二价银离子(Ag2+)、三价银离子(Ag3+)、三价钴离子(Co3+)、三价镍离子(Ni3+)或上述的组合。
一实施例中，二价以上的金属离子包括二价银离子、三价银离子或上述的组合时，二价以上的金属离子与螯合剂的摩尔比为约0.5∶1～10∶1。
一实施例中，二价以上的金属离子包括三价钴离子、三价镍离子或上述的组合时，二价以上的金属离子与螯合剂的摩尔比为约1∶1～20∶1。
实施例中，二价以上的金属离子占整个抗菌复合材料的重量百分比为约10～50％。
实施例中，螯合剂和二价以上的金属离子的总和与多孔性材料的摩尔比为约0.5∶1～20∶1。换言之，也就是具有化学键合在其上的螯合剂与多孔性材料的摩尔比为约0.5∶1～20∶1。
实施例中，螯合剂包括乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraaceticacid，EDTA)、氨三乙酸(Nitrilotriaceticacid，ATA)、羟基乙叉二膦酸(1-HydroxyEthylidene-1，1-DiphosphonicAcid，HEDP)、乙二胺四亚甲基膦酸钠(EthyleneDiamineTetraMethylenePhosphonicAcidSodium，EDTMPS)或上述的任意组合。
实施例中，多孔性材料包括一含硅中孔材料(silicon-containingmesoporousmaterial)、含铝中孔材料、沸石、活性碳或上述的任意组合。一实施例中，多孔性材料可包括一氧化硅中孔材料，例如是SBA-15，其孔洞大小介于2～50纳米(nm)间。
根据本发明的实施例，以下提出一种抗菌复合材料的制造方法。在一些实施例中，抗菌复合材料的制造方法包括以下步骤。
首先，形成一氧化混合溶液，包括：混合一氧化剂和一金属离子化合物，其中金属离子化合物具有一二价以上的金属离子。实施例中，氧化剂例如是过硫酸钾(K2S2O8)，金属离子化合物例如是金属氧化物(metaloxide)、金属氢氧化物(metalhydroxide)、金属硫化物(metalsulfide)、金属卤化物(metalhalide)或硝酸盐(nitrate)。
实施例中，先形成氧化混合溶液后，再使用酸液或碱液滴定氧化混合溶液，以调整氧化混合溶液的pH值为约4-8；然后，对此氧化混合溶液进行一加热反应。一实施例中，加热反应的加热时间例如是2～6小时，加热反应的加热温度例如是60～120℃。
接着，化学键合一螯合剂到一多孔性材料上。实施例中，螯合剂化学键合到多孔性材料上之前，可化学修饰多孔性材料以形成一反应性官能基在多孔性材料上，使得螯合剂可经由此反应性官能基化学键合到多孔性材料上。实施例中，反应性官能基例如可以是NH2官能基、SH官能基或SO3H官能基。然而，反应性官能基的类型也可以视实际情况选择，并不以上述类型为限。
接着，将具有螯合剂的多孔性材料混合在氧化混合溶液中，而得到抗菌复合材料，其中二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
实施例中，混合具有螯合剂的多孔性材料与氧化混合溶液后，更可过滤、水洗与干燥此氧化混合溶液，以得到抗菌复合材料，其中，抗菌复合材料中的二价以上的金属离子化学键合到螯合剂上。
借助上述制备方法而得到的抗菌复合材料，其通过纸片扩散测试(discdiffusiontest)与稀释法药敏测试(dilutionsusceptibilitytest)进行测试。
纸片扩散测试用以测试其抗菌能力。纸片扩散测试结果显示，根据本发明的抗菌复合材料，其抑菌圈直径明显大于市售的纳米银，也明显大于不具有多孔性材料的抗菌材料。稀释法药敏测试结果显示，根据本发明的抗菌复合材料，其抑菌效果也明显大于市售的纳米银和不具有多孔性材料的抗菌材料。
以下就实施例作进一步说明。以下列出数个实施例的抗菌复合材料以及抗菌测试结果，以说明应用本发明所制得的抗菌复合材料的特性。然而以下的实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明内容实施的限制。
实施例中，具体的制作方式可包括：利用螯合剂的化学性质与高价位银离子或其他高价位金属离子组合，形成一种带有高价位离子的高价金属离子化合物；以化学修饰方式对表面具有反应性官能基的多孔性材料进行表面改性；接着将高价金属离子化合物及表面改性的多孔性材料混合并经过缩合、脱氢等步骤，以形成高价金属抗菌复合材料。本文所指的高价位离子是指二价以上的金属离子。
实施例1：制作含银离子的抗菌复合材料。实施例1的含银离子的抗菌复合材料的制作流程可分为以下三个步骤。
步骤1：制作中孔材料，例如是氧化硅中孔洞分子筛(SBA-15)，其孔洞大小约8-9纳米(nm)。
步骤2：将氧化硅中孔材料SBA-15与表面活性剂混合，在酸性环境下加入胺基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在上述混合溶液中，将此混合溶液加热到40℃并持续搅拌20小时，接着加热到100℃并静置20小时，然后冷却自然风干20小时后，以乙醇大量淋洗产物以去除表面活性剂，而可以得到表面修饰NH2官能基的SBA-15。
图1A为根据本发明的一个实施例的修饰NH2官能基之前的SBA-15的红外线(FTIR)光谱(也就是步骤1的样品)，图1B为根据本发明的一个实施例的表面修饰NH2官能基的SBA-15的红外线(FTIR)光谱(也就是步骤2的样品)。如图1A所示，波数为3430cm-1(υ＝3430cm-1)的特性峰表示氢氧(OH)官能基的存在，波数为1080cm-1(υ＝1080cm-1)的特性峰表示硅氧键合(Si-O-Si)的存在，此两者均为二氧化硅(中孔材料)材料的特性峰，其强度随着修饰程度及化学阶段取代次数增加而降低。如图1B所示，波数为1558cm-1(υ＝1558cm-1)的特性峰表示氨基(aminogroup)的存在，搭配二氧化硅材料(中孔材料)的特性峰，这表示NH2的官能基已经修饰在SBA-15的表面上。
步骤3：将乙二胺四乙酸(EDTA)与表面修饰NH2官能基的SBA-15加入水中，并在室温下搅拌2小时。之后，过滤此混合溶液而得到产物，并反复以二氯甲烷(DCM)、丙酮、碳酸氢钠(NaHCO3)及去离子水清洗此过滤的产物，而可以得到表面键合乙二胺四乙酸(EDTA)的SBA-15。将过硫酸钾(K2S2O8)和硝酸银(AgNO3)溶入水中以形成混合溶液，以酸液或碱液滴定此混合溶液，直至其pH值为约4～8，并加热到85℃。接着，将前述表面键合乙二胺四乙酸(EDTA)的中孔材料SBA-15加入到此混合溶液中进行脱氢反应，则可得到表面化学键合有二价银离子的多孔性抗菌复合材料。至此，制作出实施例1的抗菌复合材料。
图2为根据本发明的一个实施例的表面键合乙二胺四乙酸(EDTA)的SBA-15的红外线(FTIR)光谱。如图2所示，波数为3000cm-1(υ＝3000cm-1)(CH)、1645cm-1(υ＝1645cm-1)(CONH2官能基)、1732cm-1(υ＝1732cm-1)(COOH官能基)及1300cm-1～1000cm-1(υ＝1300cm-1～1000cm-1)(CN和CO)的特性峰属于乙二胺四乙酸(EDTA)特有的特性峰，因此可以充分证明SBA-15的表面已经键合了乙二胺四乙酸(EDTA)。
图3为根据本发明的一个实施例的表面化学键合有二价银离子的多孔性抗菌复合材料的X光光电子能谱(XPS)。如图3所示，波形及波峰位置证明二价银离子的存在，而银离子和乙二胺四乙酸(EDTA)键合才会发生价数的改变而产生二价银离子，因此可以充分证明SBA-15表面的乙二胺四乙酸(EDTA)已键合二价银离子。其次，根据Ag3d5的图谱经过波峰面积运算后的结果可得到，复合材料表面的零价银离子∶一价银离子∶二价银离子的原子比例(atomicratio)为17.1∶71.6∶11.3。
比较例1为仅使用纳米银作为抗菌材料，比较例2为仅使用中孔材料SBA-15作为抗菌材料，比较例3为仅使用抗生素庆大霉素(Gentamicin)作为抗菌材料，比较例4为仅使用抗生素氨苄西林(Ampicillin)作为抗菌材料。
比较例5和比较例6的制作方式如下：
将8克的过硫酸钾(K2S2O8)和0.5M的硝酸银(AgNO3)溶入水中以形成混合溶液，以酸液或碱液滴定此混合溶液，直至具pH值为约4～8，并加热到85℃。接着，将1.0M的乙二胺四乙酸(EDTA)缓慢滴入上述混合溶液中，搅拌后冷却，静置后，以过滤方式将固体与液体分离。其中分离后的液体为比较例5，固体则为比较例6。
各实施例的抗菌复合材料及比较例的抗菌材料的抗菌测试结果如表1及图2～3，表1的比较例5为悬浮液态的高价金属离子，比较例6及实施例1分别是固态的高价银离子和与中孔洞材料结合的高价银抗菌复合材料。
纸片扩散测试(discdiffusiontest)
使用纸片扩散测试进行抗菌能力评估，评估对象包括实施例及比较例的样品。菌液的调配标准为浓度1.5x108CFU/mL，无菌纸片的直径为D0＝6mm并贴在平盘上。无菌纸片上会加入5μL的不同待测样品。阳性对照组为5μL的2mg/mL的氨苄西林或2μg/mL的庆大霉素，使其在纸片上的量为10μg的氨苄西林或10μg的庆大霉素。令待测样品在37℃下培养18-20小时后，观察纸片旁抑菌圈直径(zoneofinhibition)生成情形并测量抑菌圈直径。其评判方式为观察抑菌圈直径的大小，抑制圈直径愈大代表抑菌效果愈佳。
表1
如表1所示，实验数据显示高价金属离子在低含量可得到与氨苄西林(Ampicillin)及庆大霉素(Gentamicin)相同的抑制效果。如表1所示，实施例1的高价金属离子化合物与中孔材料混合形成的高价金属离子抗菌复合材料，其抗菌效果与比较例6的样品的抗菌效果相当，表示添加中孔材料并不会对抗菌效果有不良的影响，甚至所需要的高价金属离子含量也相对更低。举例而言，实施例1的抗菌复合材料仅需要远低于比较例6的样品的高价金属离子含量，便可达到相当的抗菌效果。换言之，将高价金属离子以化学键合方式担载在中孔材料上，尚能降低抗菌材料的高价金属离子的使用量。
此外，如表1所示，实验数据显示氨苄西林(Ampicillin)对金黄色葡萄球菌(S.Aureus)的抑菌圈为31.3mm；而庆大霉素(Gentamicin)对金黄色葡萄球菌(S.Aureus)的抑菌圈为16.5mm，中孔材料SBA-15对所有菌珠均无抑制作用，代表实验结果可信。
稀释法药敏测试(dilutionsusceptibilitytest)
以稀释法药敏测试(dilutionsusceptibilitytest)测试可抑制特定微生物生长的最低抗菌剂浓度。此实验以大肠杆菌(E.coli)与金黄色葡萄球菌(S.Aureus)为测体，借着抑制不同比率的细菌数所需要的最低抑菌浓度，评估实施例与比较例的样品的抗菌能力。各个浓度的评估对象取50μL与100μL标准浓度(1.5x108CFU/mL)的金黄色葡萄球菌或大肠杆菌混合后放入无菌的96孔盘中培养。在定温环境下进行培养16小时后，利用微孔盘读取仪测量OD600以决定每孔细菌生长的状况，并计算评估对象抑制50％细菌(MIC50)、90％细菌(MIC90)及99％细菌(MIC99)的抑菌效果的最低浓度，同时推估每次测试所得到的抑菌浓度下所代表的实际金属离子含量(最低抑菌金属离子含量)。
表2中，实施例的细菌菌数为1.5x108CFU/mL。
表2
比较例7～10
分别提供不同形态的二氧化硅固体材料，并以如表3的设置模式将银设置于二氧化硅固体材料上。请参照表3，其中列出比较例7～10中二氧化硅固体材料的结构种类、银设置于二氧化硅固体材料的模式，以及各个样品针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度测试结果。
表3
-表示未执行该菌种测试
比较例7：J.Phys.Chem.C2007，111，3629-3635
比较例8ColloidsandSurfacesA：Physicochem.Eng.Aspects387(2011)57-64
比较例9：Adv.Mater.2009，21，1684-1689
比较例10：ACSAppl.Mater.Interfaces2014，6，12038-12045
如表2所示，对于抑制99％的大肠杆菌，比较例6与实施例1所需的最低抑菌浓度的实际含银量皆为0.4μg；对于抑制99％的金黄色葡萄球菌，比较例6与实施例1所需的最低抑菌浓度的实际含银量分别为0.5μg及0.7μg，比较例6略低于实施例1。
其次，如表3所示，根据本发明的实施例所制作的抗菌复合材料抑制99％的大肠杆菌与金黄色葡萄球菌所需的最低抑菌浓度较其他类型的纳米银-二氧化硅复合材料(比较例7～10)来的低。
抗菌衰退率(ratioofdecade)
图4为根据本发明的实施例针对大肠杆菌的时间-抑菌圈直径的关系图，图5为根据本发明的实施例针对金黄色葡萄球菌的时间-抑制圈直径的关系图。图4中，曲线III-1为实施例1的抗菌复合材料，曲线III-2为比较例6的抗菌材料。图5中，曲线IV-1为实施例1的抗菌复合材料，曲线IV-2为比较例6的抗菌材料。
如图4～5所示，比较例6及实施例1的抗菌衰退率是依据不同时间的纸片扩散测试结果，时间最长为210天。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌两者来说，比较例6的抗菌效果衰退曲线呈现急遽下滑表现，而实施例1的衰退曲线呈现缓慢逐步衰减。实施例1的抗菌复合材料在210天时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌来说，其抑菌效果可维持约60％；比较例6的抗菌材料在210天时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌来说，其抑菌效果仅可维持在40％。换言之，根据本发明内容的实施例的抗菌复合材料具有较高的稳定性及抗菌使用寿命。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种抗菌复合材料，包括：
一多孔性材料；
一螯合剂，该螯合剂化学键合到该多孔性材料上；以及
一二价以上的金属离子，该二价以上的金属离子化学键合到该螯合剂上。
2.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该二价以上的金属离子与该螯合剂的摩尔比为0.5∶1～20∶1。
3.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该二价以上的金属离子包括二价银离子(Ag2+)、三价银离子(Ag3+)、三价钴离子(Co3+)、三价镍离子(Ni3+)或上述的组合。
4.如权利要求3所述的抗菌复合材料，其中该二价银离子、该三价银离子或上述的组合与该螯合剂的摩尔比为0.5∶1～10∶1。
5.如权利要求3所述的抗菌复合材料，其中该三价钴离子、该三价镍离子或上述的组合与该螯合剂的摩尔比为1∶1～20∶1。
6.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该二价以上的金属离子占该抗菌复合材料的重量百分比为10～50％。
7.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该螯合剂和该二价以上的金属离子的总和与该多孔性材料的摩尔比为0.5∶1～10∶1。
8.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该螯合剂包括乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraaceticacid，EDTA)、氨三乙酸(Nitrilotriaceticacid，ATA)、羟基乙叉二膦酸(1-HydroxyEthylidene-1，1-DiphosphonicAcid，HEDP)、乙二胺四亚甲基膦酸钠(EthyleneDiamineTetraMethylenePhosphonicAcidSodium，EDTMPS)或上述的组合。
9.如权利要求1所述的抗菌复合材料，其中该多孔性材料包括一含硅中孔材料(silicon-containingmesoporousmaterial)、含铝中孔材料、沸石、活性碳或上述的组合。
10.一种抗菌复合材料的制造方法，包括：
形成一氧化混合溶液，包括：
混合一氧化剂和一金属离子化合物，其中该金属离子化合物具有一二价以上的金属离子；
化学键合一螯合剂到一多孔性材料上；以及
混合具有该螯合剂的该多孔性材料与该氧化混合溶液，得到该抗菌复合材料，其中该二价以上的金属离子化学键合到该螯合剂上。
11.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中形成该氧化混合溶液还包括：
以一酸液或一碱液滴定该氧化混合溶液，其中该氧化混合溶液的pH值为约4-8；以及
对该氧化混合溶液进行一加热反应。
12.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该氧化剂包括过硫酸钾(K2S2O8)、双氧水(H2O2)、臭氧(O3)、高锰酸钾(KMnO4)或上述的组合。
13.如权利要求11所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该加热反应的加热时间为2～6小时，该加热反应的加热温度为60～120℃。
14.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中化学键合该螯合剂到该多孔性材料上之前，还包括：
化学修饰该多孔性材料以形成一反应性官能基在该多孔性材料上，其中该螯合剂经由该反应性官能基化学键合到该多孔性材料上。
15.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该二价以上的金属离子包括二价银离子(Ag2+)、三价银离子(Ag3+)、三价钴离子(Co3+)、三价镍离子(Ni3+)或上述的组合。
16.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该螯合剂包括乙二胺四乙酸(EDTA)、氨三乙酸(ATA)、羟基乙叉二膦酸(HEDP)、乙二胺四亚甲基膦酸钠(EDTMPS)或上述的组合。
17.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该螯合剂和该二价以上的金属离子的总和与该多孔性材料的摩尔比为约0.5∶1～20∶1。
18.如权利要求10所述的抗菌复合材料的制造方法，其中该多孔性材料包括一含硅中孔材料、含铝中孔材料、沸石、活性碳或上述的组合。
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