CN106797954A - 一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺，主要利用极性分子中的羟基或氨基等极性官能团与纳米二氧化钛粒子表面的羟基形成分子间氢键，有效改善纳米二氧化钛在溶剂中的分散性和抗菌活性，属于材料加工技术和生物与新医药技术领域。本发明所述的环糊精、壳聚糖、纤维素等生物活性分子改性的纳米二氧化钛主要优点如下：(1)改性纳米二氧化钛在水溶液中的分散性显著提高，从而有效抑制了其易团聚特性，改善了其抗菌活性；(2)工艺流程简单，所用原料相对价廉、成本低，利于工业化放大生产。

Description

一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺
技术领域
本发明涉及一种提高纳米二氧化钛分散性能的方法，尤其涉及采用一种/多种极性分子对纳米二氧化钛实现非共价键包覆，有效改善其分散性能的方法，并涉及改性可提升修饰纳米二氧化钛抗菌综合性能的策略和方法。
背景技术
在自然界（空气、水、土壤以及各种物体表面、人体体表及与外界相通的体腔，等）均广泛存在种类繁多、数量庞大的微生物病原菌。其中，威胁人类健康的有害细菌也为数巨大,造成潜在危害乃至危及生命安全。每年因细菌传染而致死的人数高达几十万，给人类健康及家庭幸福带来重大损失。迄今为止，抗菌材料是解决这一问题的最有效手段之一。因其防霉效应好、活性高，杀菌能力强、杀菌效果迅速、热稳定性好，长期使用对人体亦无害等优点，纳米TiO2被广泛作为绿色、环境友好型的抗菌材料使用。此外，纳米TiO2多相光催化多种污染物均显示了良好的结果，因此，基于纳米TiO2的光催化也成为一种理想的环境治理策略。新型纳米TiO2抗菌材料的构建和研制已成为 21世纪材料与环境、材料与医学结合的重要研究方向之一。
金属氧化物的表面衍生作用有助于在其表面引入螯合官能团，从而影响其光催化活性。研究表明，含硫化合物、含氨基或羟基等螯合剂均可影响半导体材料如TiO2的能带位置,使导带移向更负的位置。纳米TiO2极性强、粒子表面能高，因而极易团聚,在水及有机介质中很难分散，降低了有效作用面积, 影响了纳米TiO2的光降解性能，在实际应用中受到较大限制。因此,有必要对纳米TiO2进行化学修饰,改变粉体表面可润湿性,增强其在溶剂介质中的界面相容性,从而有效改善其分散性。纳米TiO2的改性方法有：表面沉积贵金属、掺杂过渡金属离子、复合其它半导体、表面光敏化和表面整合及衍生作用等，但上述修饰方法存在操作繁琐、耗时长、成本较高等缺点。
发明内容
本发明为解决纳米TiO2的溶剂中分散性及抗菌活性关键性技术问题，拟在其表面非共价键包覆极性分子，有效解决了纳米TiO2分散性差、易团聚从而导致的抗菌活型较差等实际问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
a．称取1～1000 mg的纳米TiO2，加高纯水20～500 ml，超声分散0.5～10小时；
b．称取6～6000 mg的极性分子，包括水溶性纤维素、β-环糊精或者其衍生物、壳聚糖其中的一种或多种，再加入5～200 ml高纯水，超声分散10～30分钟使其完全溶解或分散，得极性分子水溶液或水分散液；
c．将步骤b所得极性分子水溶液转移至由步骤a制备的TiO2分散液中，然后用高纯水定容至1000 ml，再进行超声分散处理，时间为0.5～8小时。
优选地，所述水溶性纤维素为果胶或者树胶。
优选地，所述β-环糊精衍生物为羟丙基-β-环糊精或者羟乙基-β-环糊精或者羧甲基-β-环糊精。
本发明的益处在于针对纳米TiO2的非共价键包覆和抗菌性能提出了新的思路，为其抗菌活性的改善提供了一种简便、有效的方法。
具体实施方式
实施例一：
壳聚糖包覆修饰纳米TiO2的制备
取25 mg纳米TiO2于1000 ml容量瓶中，加高纯500 ml，超声分散2~4小时。
取150 mg壳聚糖于烧杯中，加入200 ml高纯水，超声20分钟使壳聚糖完全溶解得壳聚糖水溶液。
将第二步所制取的壳聚糖水溶液转移至第一步所制备的纳米TiO2分散液中，用高纯去离子水洗涤烧杯3次左右，一并转移至该容量瓶中，然后继续用高纯去离子水定容。将该容量瓶超声分散处理3小时，得浓度为25 ppm 的纳米TiO2分散液。
具体配方如下：
纳米TiO2 25mg
壳聚糖 150mg
高纯水 200ml
实施例二：
水溶性纤维素包覆修饰纳米TiO2的制备
取50 mg纳米TiO2于1000 ml容量瓶中，加高纯水500 ml，超声分散2~4小时。
取250 mg水溶性纤维素于烧杯中，加入200 ml高纯水，超声20分钟得水溶性纤维素水溶液。
将第二步所制取的水溶性纤维素水溶液转移至第一步所制备的纳米TiO2分散液中，用高纯去离子水洗涤烧杯3次左右，一并转移至该容量瓶中，然后继续用高纯去离子水定容。将该容量瓶超声分散处理3小时，得浓度为50 ppm 的纳米TiO2分散液。
具体配方如下：
纳米TiO2 50mg
水溶性纤维素 250mg
高纯水 200ml
实施例三：
羟丙基-β-环糊精包覆修饰纳米TiO2的制备
取200 mg纳米TiO2于1000 ml容量瓶中，加高纯水500 ml，超声分散2~4小时。
取500mg羟丙基-β-环糊精于烧杯中，加入200 ml高纯水，超声20分钟得羟丙基-β-环糊精水溶液。
将第二步所制取的羟丙基-β-环糊精水溶液转移至第一步所制备的纳米TiO2分散液中，用高纯去离子水洗涤烧杯3次左右，一并转移至该容量瓶中，然后继续用高纯去离子水定容。将该容量瓶超声分散处理3小时，得浓度为200 ppm 的纳米TiO2分散液。
具体配方如下：
纳米TiO2 200 mg
羟丙基-β-环糊精 500mg
高纯水 200ml
实施例四：
水溶性纤维素联合壳聚糖包覆修饰纳米TiO2的制备
取500 mg纳米TiO2于1000 ml容量瓶中，加高纯水500 ml，超声分散2~4小时。
取200mg水溶性纤维素和50mg壳聚糖于烧杯中，加入200 ml高纯水，超声20分钟得水溶性纤维素壳聚糖水溶液。
将第二步所制取的水溶性纤维素壳聚糖水溶液转移至第一步所制备的纳米TiO2分散液中，用高纯去离子水洗涤烧杯3次左右，一并转移至该容量瓶中，然后继续用高纯去离子水定容。将该容量瓶超声分散处理3小时，得浓度为500 ppm 的纳米TiO2分散液。
具体配方如下：
纳米TiO2 500 mg
水溶性纤维素 200mg
壳聚糖 50mg
高纯水 200ml
分散液抑菌实验：
通过微量肉汤稀释法确定壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物光催化抑菌效果
96孔板中每孔加入100µl用LB肉汤稀释的系列抗菌药物，浓度为25ppm的纳米二氧化钛复合物作为实验组，生理盐水作为阴性对照组。再在已加入抗菌药物的孔中每孔加10µl稀释的菌悬液，以使接种后96孔板中每孔的菌含量约为5×105 cfu/ml。将波长为365nm，功率为20w的近紫外灯作为激发光源，于（35±2）℃ CO2恒温培养箱中孵育24 h后，用微量移液器混匀孔内细菌，取5µl加入995µl生理盐水中，作200倍稀释，再从已稀释的菌悬液中取5µl加入995µl生理盐水中作200倍稀释，以此类推，必要时可做3个梯度，再分别取5µl不同稀释倍数的菌悬液加入血琼脂平板，用L型玻棒涂布均匀，于（35±2）℃ CO2恒温培养箱中孵育过夜后选取适当稀释度的细菌进行菌落计数，最终推算得出经首个24h培养箱孵育后每孔的菌含量，并取相应对数值进行统计学分析。结果发现壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌均和铜绿假单胞菌假单胞菌均有抑菌性。
壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物促动物创面愈合实验
创面制备
Wistar大鼠成功麻醉后，将其俯卧位固定于手术台上，于背部标记一直径为2cm圆形区域，背部剪毛皮肤处行碘伏消毒后，用剪刀沿着标记线剪除全层皮肤直至深筋膜，形成相应的圆形创面。再次用碘伏消毒,生理盐水冲洗，拭干。创面均用无菌凡士林覆盖，每日换药后均更换无菌敷料。创面制备后，为防止大鼠出现创面感染，每只大鼠每日均行肌注庆大霉素，连续注射3天。
创面处理
每日上午9点至10点，对每只大鼠进行创面换药及给药处理。采用20ml无菌注射器向创面滴注的方式，对3组大鼠分别予以壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组（浓度为25ppm），壳聚糖组，生理盐水对照组进行滴注，使药物浸润整个创面为宜，量约0.25ml每个创面。并采用3x3cm无菌纱布小块充分润湿，覆盖于创面，外用无菌辅料包扎，胶布固定。
观察指标
观察创面的肉芽颜色、有/无水肿发白、分泌物的量、有/无化脓。痊愈：创面全部愈合，无痂下积脓等假性愈合现象。显效：创面面积缩小范围>75%，无脓性分泌物，肉芽组织新鲜，颜色鲜红；有效：创面面积缩小范围>25 %，无脓性分泌物或脓性分泌物明显减少，肉芽组织色红；无效：创面面积缩小范围< 25 % ，创面脓性分泌物无明显减少，肉芽组织色暗,创面无明显缩小趋势。创面痊愈时间，是指创面达95％以上愈合的天数。创面愈合率＝（ 原始面积—未愈合面积）/原始面积x100％。分别于伤后第3天，第7天和第13天观察创面情况并照相，用计算机图像分析系统（CAD软件）计算创面未愈合面积，然后计算各创面愈合率。
实验结果
创面痊愈时间：壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组及壳聚糖组平均创面痊愈时间较生理盐水组缩短（差异存在统计学意义，P＜0.05）。壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组平均创面痊愈时间较生理盐水组明显缩短（差异存在统计学意义，P＜0.01）。壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组平均愈合时间较壳聚糖组缩短（差异无统计学意义，P＞0.05）。
创面愈合率：各组于伤后第3、7、13天进行创面愈合率比较，其中第3天、7天、13天壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组及壳聚糖组创面愈合率大于生理盐水组，其中以壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组最大（差异存在统计学意义，P＜0.05）。壳聚糖包覆修饰纳米二氧化钛复合物组创面愈合率大于壳聚糖组（差异无统计学意义，P＞0.05）。
本发明不限于实施例的范围，凡是能够非共价键包覆修饰纳米二氧化钛的工艺，均在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺，其特征在于，包括三个步骤，第一步为纳米TiO2分散液的制备，第二步为极性分子水溶液的制备，以及第三步为TiO2-极性分子分散液的制备。
2.根据权利要求1的一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺，其特征在于：所述的第一步纳米TiO2分散液的制备，即称取一定量纳米TiO2（1 ~1000 mg）于1000 ml容量瓶中，加高纯水20-500 ml，超声分散0.5~10小时。
3.根据权利要求1的一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺，其特征在于：所述的第二步极性分子水溶液的制备，称取一定量（6~6000 mg）的极性分子于烧杯中，包括水溶性纤维素（果胶、树胶）、β-环糊精及其衍生物（羟丙基-β-环糊精、羟乙基-β-环糊精、羧甲基-β-环糊精）、壳聚糖其中的一种或多种，分别加入5-200 ml高纯水，超声10-30分钟使其完全溶解或分散，得极性分子水溶液或水分散液。
4.根据权利要求1的一种非共价键包覆修饰纳米二氧化钛工艺，其特征在于：所述的第三步TiO2-极性分子分散液的制备，将第二步所得极性分子水溶液分别转移至第一步制备的TiO2分散液中，同时以高纯水洗涤烧杯3次以上并转移至该容量瓶中，然后用高纯水定容至1000 ml，再将容量瓶进行超声分散处理，时间为0.5-8小时，不同浓度极性分子非共价包覆修饰的TiO2分散液，容量瓶置于暗处备用。
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