CN106924810B - 一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法，包括如下步骤：配制单宁酸溶液与氯化铁溶液；钛合金片制得单宁酸‑铁薄膜的制备；银氨络合溶液的配制：表面同时负载银纳米颗粒及单宁酸‑铁薄膜的钛合金片的制备。其优点是：利用单宁酸的水溶性、配位性及还原性，使得单宁酸结构中的邻苯二酚基团与钛表面的羟基具有较好的配位效应；利用钛合金片表面单宁酸的还原性，采用滴加银氨络合离子的方式在钛合金表面负载一层单分散的纳米银；方法简便，快速，环保，且在室温下进行，无需复杂的程序以及昂贵的设备，效率高、成本低廉。

Description

一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料科学与纳米材料技术领域，具体地说是一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法。
背景技术
生物医用材料指的是一种与生物系统相互接触后可以对生物体的组织、器官或功能进行诊断、治疗、可增强或可替代的材料。生物医用材料必须具有良好的耐腐蚀性，优异的力学新性能、生物相容性以及生物安全性。由于钛及钛合金具有良好的生物相容性，更好的机械性能以及优异的耐腐蚀性，所以钛及钛合金被广泛的用作骨科的固定植入材料，尤其是在负载部位具有广泛的应用。
钛植入体的外科手术中经常会引起细菌感染及相关的并发症，甚至会导致植入失败，通常采用系统的注射抗生素治疗细菌感染，但是抗生素的滥用会引起细菌抗性，甚至会诱发多种耐药性的超级细菌的出现，而且抗生素的注入会减少人体的天然免疫系统。为了改善医用钛植入体表面的抗菌能力，通常采用的方法包括(1)：直接注入抗生素，(2)：在钛植入体涂层表面负载无机抗菌剂(Ag和ZnO)以及将一些其它的具有抗菌活性的试剂装载进入基质(具有抗菌活性的聚合物，非抗生素的有机抗菌剂或者一些抵抗粘附的试剂)。
在已有的这些涂层中，钛合金表面银掺杂的涂层在控制植入体相关的感染方面十分有效，这一类涂层十分稳定，且对细菌和真菌具有光谱抗菌型，更重要的是不会产生耐药性。目前在临床和科学研究领域有许多方法将Ag纳米颗粒掺杂进入钛合金表面，比如说等离子体注入、电化学技术、等离子体喷涂以及磁控溅射。但是所有这些方法都非常耗时且需要复杂的设备，这进一步限制了它的应用。尽管原位合成的方法具有高效简便等优点，其已经被证明为非常有前景的策略，但是大多数原位形成的方法需要有毒的甚至是有害的试剂，这也进一步限制了它的应用。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明提供简便、快速、效果优异的一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法。
本发明一方面保护一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、配制浓度为10～180mg/mL的单宁酸溶液与6～20mg/mL的氯化铁溶液，备用。
S2、逐级打磨钛合金片后依次置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，再将经超声清洗的钛合金片置入盛放有去离子水的容器内，使得钛合金片淹没于去离子水中；然后将装有钛合金片的容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向容器内分别加入步骤所述步骤S1制备的单宁酸溶液、氯化铁溶液，最后将容器从磁力搅拌器上取下，调节容器内溶液PH值至8～9；
S3、重复步骤S2 10～15次，从而在钛合金片的表面制得单宁酸-铁薄膜，取出钛合金片用去离子水清洗备用；
S4、银氨络合溶液的配制：先分别配置浓度为100-300mmol/L的硝酸银溶液及10％-20％(V/V)的氨水溶液，再滴加氨水溶液于硝酸银溶液，使得硝酸银溶液经历一次浑浊、澄清后即可获得银氨络合溶液，备用；
S5、将步骤S3制备的钛合金片置入盛放有去离子水的另一容器内，再将此容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向此容器内加入步骤S4所制备的银氨络合溶液，使得钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜。
本发明第二方面保护第一方面所述方法制备的纳米抗菌涂层材料。
一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料及其制备方法，其优点是：
1、利用单宁酸的水溶性、配位性及还原性，使得单宁酸结构中的邻苯二酚基团与钛表面的羟基具有较好的配位效应，通过添加单宁酸与氯化铁的方法在钛合金片表面负载一层单宁酸-铁薄膜，且制备的此薄膜薄而平整；
2、利用钛合金片表面单宁酸的还原性，采用滴加银氨络合离子的方式在钛合金表面负载一层单分散的纳米银。通过纳米银的金属离子析出抗菌与单宁酸的配位保护性，得到了具有良好抗菌性能且生物相容性优良的有机-无机纳米抗菌涂层。
3、通过本发明方法简便，快速，环保，且在室温下进行，无需复杂的程序以及昂贵的设备，效率高、成本低廉。
附图说明
图1-1、1-2分别为实施例一中经打磨后的钛合金片的SEM图、接触角测试图；
图1-3、1-4、1-5分别为实施例一获得的样品的SEM图、接触角测试图、EDS图；
图1-6为实施例一、二中钛合金片表面负载有单宁酸-铁薄膜的SEM图；
图1-7为实施例一中钛合金片表面负载有单宁酸-铁薄膜的接触角测试图；
图2-1、2-2、2-3分别为实施例二中获得的样品的SEM图、接触角测试图、EDS图；
图3-1、3-2分别为实施例三中钛合金片表面负载有单宁酸-铁薄膜的SEM图、接触角测试图；
图3-3为实施例三中样品的SEM图；
图4-1为实施例一至实施例三制备的样品的抗菌率的测试图；
图4-2为实施例一经打磨后的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图；
图4-3为实施例一表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图；
图4-4为实施例三所制备表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图；
图4-5、4-6、4-7分别为实施例一、实施例二、实施例三所制备的样品表面大肠杆菌的SEM图；
图4-8为实施例一至实施例三经打磨后的钛合金片表面金黄色葡萄球菌的SEM图；
图4-9为实施例一至实施例二表面负载有单宁酸-铁薄膜的样品表面金黄色葡萄球菌的SEM图；
图4-10为实施例三表面负载有单宁酸-铁薄膜的样品表面金黄色葡萄球菌的SEM图；
图4-11、4-12、4-13分别为实施例一、实施例二、实施例三所制备的样品表面金黄色葡萄球菌的SEM图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步地详细说明：
一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、配制浓度为10～180mg/mL的单宁酸溶液与6～20mg/mL的氯化铁溶液，备用。
S2、逐级打磨钛合金片后依次置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，再将经超声清洗的钛合金片置入盛放有去离子水的容器内，使得钛合金片淹没于去离子水中；然后将装有钛合金片的容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向容器内分别加入步骤所述步骤S1制备的单宁酸溶液、氯化铁溶液，最后将容器从磁力搅拌器上取下，调节容器内溶液PH值至8～9；
优选地，步骤S2中，钛合金片置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗所需功率均为50～100W，超声清洗时间均为30～40min；
优选地，步骤S2中，容器内加入单宁酸溶液与氯化铁溶液的体积比为1:1；
优选地，步骤S2中，具体地，搅拌同时向容器内加入所述步骤S1制备的单宁酸溶液，搅拌时间为15s～1min，搅拌速度为150～250rpm；再将步骤S1制备的氯化铁溶液滴加于容器内，搅拌时间为3～15s，搅拌速度为150～250rpm；
优选地，步骤S2中，使用浓度为0.5～2mol/L的NaOH调节溶液PH值至8～9；
S3、重复步骤S2 10～15次，从而在钛合金片的表面制得单宁酸-铁薄膜，取出钛合金片用去离子水清洗备用；
S4、银氨络合溶液的配制：先分别配置浓度为100-300mmol/L的硝酸银溶液及10％-20％(V/V)的氨水溶液，再滴加氨水溶液于硝酸银溶液，使得硝酸银溶液经历一次浑浊、澄清后即可，即获得银氨络合溶液，备用；
S5、将步骤S3制备的钛合金片置入盛放有去离子水的另一容器内，再将此容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向此容器内加入100～800μL步骤S4所制备的银氨络合溶液，使得钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜。
优选地，步骤S5中，搅拌时间为1～15min，搅拌速度为100～300rpm。
步骤S5中，银氨络合溶液的添加量与步骤S2中单宁酸溶液的添加量相同。
实施例一：
S1、配制浓度为40mg/mL的单宁酸溶液以及6mg/mL的氯化铁溶液，备用。
S2、将合金片分别用规格为240#、400#、600#、800#的砂纸在抛光研磨机上打磨至光滑镜面，再将经打磨后的钛合金片(如图1-1、1-2分别为对其检测的SEM图、接触角测试图)依次置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，(钛合金片置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗所需功率均为100W，超声清洗时间均为30min)，再将经超声清洗的钛合金片置入盛放有去离子水的烧杯内，使得钛合金片淹没于去离子水中；然后将装有钛合金片的容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向容器内加入200μL所述步骤S1制备的单宁酸溶液，搅拌时间为30s，搅拌速度为200rpm；再将步骤S1制备的氯化铁溶液滴加于容器内，氯化铁溶液的加入量为200μL，搅拌时间为10s，搅拌速度为200rpm；最后将容器从磁力搅拌器上取下，使用浓度为1mol/L的NaOH调节容器内溶液PH值至8.5；
S3、重复步骤S2 10次，从而在钛合金片的表面制得单宁酸-铁的聚薄膜，取出钛合金片用去离子水清洗备用(如图1-6、1-7所示，分别为表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片SEM图、接触角测试图)；
S4、银氨络合溶液的配制：先分别配置浓度为250mmol/L的硝酸银溶液及20％(V/V)的氨水溶液，再滴加氨水溶液于硝酸银溶液，使得硝酸银溶液经历一次浑浊、澄清后即可，即获得银氨络合溶液，备用；
S5、将步骤S3制备的钛合金片置入盛放有去离子水的另一容器内，使得钛合金片淹没于去离子水中，再将此容器置入磁力搅拌器上进行搅拌，搅拌的同时向此容器内加入200μL步骤S4所制备的银氨络合溶液，搅拌时间为10min，搅拌速度为200rpm，使得钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜(如图1-3、1-4、1-5所示，分别为钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜的SEM图、接触角测试图、EDS图)。
观察图1-6、1-7所示，可知负载于钛合金片表面的单宁酸-铁薄膜平整，未改变钛合金片的表面形貌；
再观察图1-3、1-4、1-5所示，可知钛合金片表面负载的纳米呈球形，单分散性好；且在负载有纳米银后其表面接触角有所提高，亲水性有所降低。
实施例二：
S1至S4步骤同实施例1；
S5、将步骤S3制备的钛合金片置入盛放有去离子水的另一容器内，使得钛合金片淹没于去离子水中，再将此容器置入磁力搅拌器上进行搅拌，搅拌的同时向此容器内加入400μL步骤S4所制备的银氨络合溶液，搅拌时间为10min，搅拌速度为200rpm，使得钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜(如图2-1、2-2、2-3所示，分别为钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜的SEM图、接触角测试图、EDS图)。
观察图2-1、2-2、2-3所示，可知钛合金片表面负载的纳米呈球形，单分散性好。
实施例三：
S1、S2步骤同实施例1；
S3、重复步骤S2 15次，从而在钛合金片的表面制得单宁酸-铁薄膜，取出钛合金片用去离子水清洗备用(如图3-1、3-2所示，分别为钛合金片表面负载有单宁酸-铁薄膜的SEM图、接触角测试图)；
S4步骤同实施例1；
S5步骤同实施例2(如图3-3所示，为钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜的SEM图)。
观察图3-1、3-3、3-2所示，可知钛合金片表面负载的纳米呈球形，单分散性好；
将实施例一至三制备的样品进行如下性能检测：
(1)、设置两个试验组，一组用来测量大肠杆菌、另一组用来测量金黄色葡萄球菌，且每个试验组均制备五个浓度相同的稀菌液(1×106CFU/mL)置入五个器皿内，再将实施例一至实施例三制备的三个样品分别置于盛放有稀菌液的三个器皿内，另外两个器皿分别盛放经打磨后的钛合金片、表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片(实施例一中由步骤S3获得的钛合金片)；最后将五个器皿均放置于37℃条件下共培养；
将测量大肠杆菌的一组共培养12小时，金黄色葡萄球菌的一组共培养24小时后，测量每个器皿内菌液的光密度值，根据光密度值计算其抗菌率(如图4-1所示)；
检测结果：实施例一至实施例三获得的表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜的钛合金片的抗菌活性均高于钛合金片、表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片的抗菌活性，且对大肠杆菌的抗菌活性高于金黄色葡萄球菌的抗菌活性。
(2)设置两个试验组，一组用来测量大肠杆菌、另一组用来测量金黄色葡萄球菌，且每个试验组均制备六个浓度相同的稀菌液(1×106CFU/mL)液置入六个器皿内，再将制备实施例一至实施例三制备的三个样品分别置于盛放有稀菌液的三个器皿内，另外三个器皿分别盛放经打磨后的钛合金片(实施例一中步骤S1经打磨后的钛合金片)、表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片(实施例一中由步骤S3获得的钛合金片)、表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片(实施例三中由步骤S3获得的钛合金片)；最后将六个器皿均放置于37℃条件下共培养；
将测量大肠杆菌的一组共培养12小时，金黄色葡萄球菌的一组共培养24小时后，再将培养细菌后的钛合金片的细菌固定(固定方法为首先吸出各钛合金片上的菌液，用pH＝7.4的PBS清洗后，再加入2.5％的戊二醛固定30min，再依次用10％，30％，50％，70％以及100％的乙醇溶液梯度脱水15min)，在扫描电子显微镜下观察细菌的形貌；
图4-2为实施例一经打磨后的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图；(实施例二至实施例三经打磨后的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图与其相同)；图4-3为实施例一表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图(实施例二表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图与其相同)；图4-4为实施例三所制备表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面大肠杆菌的SEM图；
如图4-5、4-6、4-7所示，分别为实施例一至实施例三样品表面大肠杆菌的SEM图；
如图4-8、4-9、4-10所示，分别为实施例一中经打磨后的钛合金片表面金黄色葡萄球菌的SEM图、实施例一中表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面金黄色葡萄球菌的SEM图、实施例三中表面负载有单宁酸-铁薄膜的钛合金片表面金黄色葡萄球菌的SEM图；
图4-11、4-12、4-13所示，分别为实施例一至实施例三样品表面金黄色葡萄球菌的SEM图；
由上述各图比对可知：
没有经过表面改性的钛金属圆片表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞膜均完整，表现出细菌生长没有受到抑制；
负载有单宁酸-铁薄膜的样品表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞膜均完整，特别循环滴定次数增加时，结果亦是如此，表现出细菌生长没有受到单宁酸-铁薄膜的抑制；
而负载有纳米银的样品表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞膜均受到不同程度的损伤，包括细胞膜皱缩，甚至会观察到细胞膜的完全破损，说明细菌的形成在纳米银颗粒表面受到明显的抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤
S1、配制浓度为10～180mg/mL的单宁酸溶液与6～20mg/mL的氯化铁溶液，备用。
S2、逐级打磨钛合金片后依次置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，再将经超声清洗的钛合金片置入盛放有去离子水的容器内，使得钛合金片淹没于去离子水中；然后将装有钛合金片的容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向容器内分别加入所述步骤S1制备的单宁酸溶液、氯化铁溶液，最后将容器从磁力搅拌器上取下，调节容器内溶液PH值至8～9；
S3、重复步骤S2 10～15次，从而在钛合金片的表面制得单宁酸-铁薄膜，取出钛合金片用去离子水清洗备用；
S4、银氨络合溶液的配制：先分别配置浓度为100～300mmol/L的硝酸银溶液及10％～20％(V/V)的氨水溶液，再滴加氨水溶液于硝酸银溶液，使得硝酸银溶液经历一次浑浊、澄清后即可获得银氨络合溶液，备用；
S5、将步骤S3制备的钛合金片置入盛放有去离子水的另一容器内，再将此容器置入磁力搅拌器上，搅拌的同时向此容器内加入步骤S4所制备的银氨络合溶液，使得钛合金片表面同时负载有银纳米颗粒及单宁酸-铁薄膜。
2.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，钛合金片置入丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗所需功率均为50～100W，超声清洗时间均为30～40min。
3.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，具体地，搅拌同时向容器内加入所述步骤S1制备的单宁酸溶液，搅拌时间为15s～1min，搅拌速度为150～250rpm；再将步骤S1制备的氯化铁溶液滴加于容器内，搅拌时间为3～15s，搅拌速度为150～250rpm。
4.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，容器内加入单宁酸溶液与氯化铁溶液的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，使用浓度为0.5～2mol/L的NaOH调节溶液PH值至8～9。
6.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S5中，搅拌时间为1～15min，搅拌速度为100～300rpm。
7.根据权利要求1所述一种基于纳米银颗粒的纳米抗菌涂层材料的制备方法，其特征在于：步骤S5中，银氨络合溶液的添加量与步骤S2中单宁酸溶液的添加量相同。
8.如权利要求1至7任一所述方法制备的纳米抗菌涂层材料。
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