CN107018991B - 一种银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种银‑溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，属于抗菌材料领域。该抗菌薄膜是在基底材料表面首先修饰一层聚多巴胺，然后通过戊二醛将银/溶菌酶纳米簇交联到多巴胺表面，得到一种高效广谱抗菌的薄膜材料。根据银离子含量的不同，该抗菌薄膜对沙门氏菌的抑菌率在51.7～100％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率在69.5～100％。该抗菌薄膜以银/溶菌酶纳米簇修饰基底，溶菌酶的加入不仅提高了纳米银的稳定性也大幅减少银的用量，既降低了毒性，又控制了成本，还提高了薄膜的重复利用率。本发明可用于食品包装材料及医用抗菌器材表面抗菌薄膜的制备。

Description

一种银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜
技术领域
本发明涉及一种银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，属于抗菌材料领域。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们越来越关注自身生存环境的健康状况，而由病原微生物所致的传染病一直是人类健康的主要威胁之一。抗菌薄膜材料是指在包装材料的内部或者表面组装不同的抗菌剂，从而使材料自身具有抑制微生物生长繁殖的性能。它不但具有卫生自洁功能，而且能够有效防止细菌交叉感染，因此，抗菌薄膜在食品包装、容器内表面、抗菌贴膜以及生物材料、医疗器材表面等包装行业中具有广泛的开发应用前景，可极大降低人们感染细菌的几率，提高生存环境的质量。
抗菌薄膜不仅要具备良好的稳定性、力学强度和加工性能等，也要有良好的抗菌功能。按加入抗菌剂的不同，抗菌薄膜可以分为无机抗菌薄膜、有机抗菌薄膜、天然抗菌薄膜、高分子抗菌薄膜。与有机抗菌材料相比，无机抗菌材料具有光谱、耐久、安全的特点，其中银系抗菌材料已成为目前研究最为广泛的无机抗菌材料。
银纳米簇是指由几个到几十个银原子所组成的团簇，其粒径一般为几纳米，尺寸接近银电子的费米波长，被认为是连接金属原子和纳米粒子(2～100nm)的桥梁。由于银纳米簇的表面效应和量子尺寸效应，其抗菌作用具有强度大、速度快和渗透力强等特点，且银纳米簇的渗透力很强，具有普通银系抗菌材料无法比拟的效果。银纳米簇可在几分钟内迅速消灭与它接触的650多种细菌，在超低浓度下也能有效的杀死细菌。银纳米簇通常以蛋白质作为稳定剂，在抗菌材料领域具有非常广阔的应用前景。溶菌酶是一种常见的蛋白质，在医学上可作为一种天然抗感染物质，具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。溶菌酶主要通过破坏细胞壁上的β-1,4-糖苷键，使细胞壁水解可起到强力的杀菌作用。此外，溶菌酶还可以直接与带负电荷的病毒蛋白直接进行结合，从而使病毒失活。因此，溶菌酶能有效地治疗并且预防炎症的发生，对人体的健康发挥着很大作用。
目前，基于银纳米簇的抗菌薄膜材料的制备形式主要有以下两种方法：一种是将纳米银抗菌剂与树脂一起，经过塑料的成型工艺而成型，此种方法存在对抗菌剂的热稳定性要求较高，且抗菌剂用量较大的缺点，特别是对于银抗菌剂来说，需要考虑其成本问题；另外一种是采用涂覆、喷涂等方法在已经成型的薄膜上固定一层银抗菌层，此种方法需要解决的主要问题是抗菌剂和基体材料的亲合力较低，从而会造成抗菌剂的吸附效率低，易从载体表面脱落等问题。多巴胺是一种生物神经递质，在水溶液中，它可以在溶解氧存在的条件下发生氧化交联反应，从而形成聚多巴胺复合薄层紧紧附着在材料表面。聚多巴胺表面携带丰富的氨基基团，从而可以通过交联剂实现与抗菌材料的交联，形成单层的抗菌薄膜，可极大的提高抗菌剂和载体材料的亲和力，并有效降低抗菌薄膜成本。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种银-溶菌酶纳米簇，并按如下方法制备：以溶菌酶作为稳定剂，以AgNO3作为银源，以NaBH4作为还原剂，在室温下反应一定时间获得。
在本发明的一种实施方式中，所述银-溶菌酶纳米簇按如下方法制备：每20～100mg的溶菌酶溶液中加入0.01～0.1mmol AgNO3，边搅拌边调节溶液pH至8～12，加入与AgNO3摩尔比为0.005～0.15：1的NaBH4溶液50～200μL，室温反应1～5h。
本发明的第二个目的是提供一种银-溶菌酶纳米簇的制备方法，所述方法是向溶菌酶溶液中加入AgNO3，调节溶液pH，随后加入NaBH4溶液，室温反应一定时间。
在本发明的一种实施方式中，所述方法以10～100:0.5～9的质量比向溶菌酶溶液中加入AgNO3，边搅拌边加入NaOH调节溶液pH至8～12，再逐滴加入NaBH4(0.01mol/L)溶液50～200μL，室温反应1～5h。
在本发明的一种实施方式中，所述方法是向10mL 2～10g/L溶菌酶中加入0.01～0.1mmol AgNO3，在500～1000rpm搅拌条件下加入NaOH溶液调节溶液pH值为8.0～12.0，随后逐滴加入NaBH4(0.01mol/L)溶液50～200μL，在室温下反应1～5小时。
本发明的第三个目的是提供一种银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，是按如下步骤制备获得：(1)将基底材料浸泡于多巴胺的缓冲液中反应一定时间得到多巴胺修饰的薄膜材料；(2)将经步骤(1)处理后的薄膜材料浸泡于戊二醛溶液中反应一定时间，得到戊二醛修饰的薄膜材料；(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜所述浸入银-溶菌酶纳米簇溶液中吸附一定时间。
在本发明的一种实施方式中，所述基底材料包括食品包装材料。
在本发明的一种实施方式中，所述基底材料包括聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚乳酸PLA。
本发明的第四个目的是克服现有抗菌薄膜制备技术的不足，提供所述银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将基底材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含0.1～10mg/mL多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌1～20小时，取出后用去离子水冲洗后烘干，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜；
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于1～50g/L的戊二醛溶液中，搅拌1～10小时，使戊二醛其中一个羰基与多巴胺的氨基相结合，取出后用去离子水冲洗后烘干，得到戊二醛修饰的薄膜材料；
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入银-溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1～5小时后取出，用去离子水冲洗后烘干，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
在本发明的一种实施方式中，Tris-HCl缓冲溶液浓度为0.01～0.5mol/L，pH值为8.0～10.0。
本发明还提供所述银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜的应用，所述应用包括：用于抗菌食品包装，容器内表面、生物材料表面、医疗器材表面材料的制备及抗菌贴膜方面的应用。
有益效果：本发明所制备的银/溶菌酶纳米簇修饰的高效广谱抗菌薄膜相比于单独使用银或溶菌酶修饰的抗菌薄膜，能够产生协同作用，抑菌性能显著提高，沙门氏菌的抑菌率在51.7～100.0％；金黄色葡萄球菌的抑菌率在69.5～100.0％。
附图说明
图1为银-溶菌酶纳米簇的荧光光谱测定结果；自下向上依次为添加50μL，75μL，100μL，125μL，150μL NaBH4对应的荧光光谱测定结果；
图2为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制沙门氏菌生长的效果；
图3为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制金黄色葡萄球菌生长的效果；
图4为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制沙门氏菌生长的效果；
图5为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制金黄色葡萄球菌生长的效果。
图6为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制沙门氏菌生长的效果；
图7为不同抗菌膜在抑菌时间24小时下抑制金黄色葡萄球菌生长的效果。
具体实施方式
沙门氏菌抑菌效果检测：
取BPY液体培养基，活化沙门氏菌(10小时)。活化完成后，将菌悬液生理盐水进行稀释，得到10-1-10-8浓度的菌悬液，将一定浓度的菌悬液加入一次性培养皿(本实验中所有培养皿均在无菌条件下进行处理)中，每个培养皿倾倒10mL左右固体培养基，等培养基冷却凝固后，放入培养箱储藏。24小时后进行平板计数，比较不同条件制备材料的抗菌能力。
抑菌率的计算公式为：
Figure BDA0001279334480000031
金黄色葡萄球菌抑菌效果检测：
取7.5％肉汤培养基，活化金黄色葡萄球菌(20小时)。活化完成后，将菌悬液用生理盐水进行稀释，得到10-1-10-8浓度的菌悬液，将一定浓度的菌悬液加入一次性培养皿(本实验中所有培养皿均在无菌条件下进行处理)中，每个培养皿倾倒10mL左右固体培养基，等培养基冷却凝固后，放入培养箱储藏。24小时后进行平板计数，比较不同条件制备材料的抗菌能力。
抑菌率的计算公式为：
Figure BDA0001279334480000041
实施例1
银-溶菌酶纳米簇的制备方法步骤如下：将溶菌酶溶解于10mL水中，浓度为2～10mg/mL,随后加入0.01～0.1mmol AgNO3，在500～1000rpm搅拌条件下加入NaOH溶液调节溶液pH值为8.0～12.0，再分别加入0.01mol/L的NaBH4溶液50μL、75μL、100μL、125μL及150μL，于相同条件下室温反应1小时。选定波长为450nm作为激发光来研究溶菌酶包覆的银纳米簇的荧光特性，发射波长从500nm到700nm，激发和发射狭缝为5nm，电压为高压。银纳米簇的荧光光谱测定结果如图1所示，反应1小时后，样品荧光发射峰位于650nm，表明了银纳米簇的生成。随着NaBH4加入量的增加，样品荧光强度逐渐增强，且逐滴加入更适宜纳米簇的稳定生成。
实施例2
一种高效广谱银/溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜制备方法，具体实施的步骤如下：
(1)将聚偏二氯乙烯保鲜膜材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含有1mg/mL多巴胺的pH＝8.5的0.05M Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌18小时，取出后用去离子水冲洗2分钟后烘干，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜。
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于10g/L的戊二醛溶液中，搅拌2小时，使戊二醛其中一个羰基与聚多巴胺的氨基相结合，取出后用去离子水冲洗2分钟后烘干，得到戊二醛修饰的薄膜材料。
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入实施例1制备的银/溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1小时后取出，用去离子水冲洗2分钟后烘干，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
对制备获得的银-溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料抑菌效果进行检测，结果如图2～3所示，抑菌24小时,本发明的抗菌薄膜对沙门氏菌抑菌率达到56.7％(图2)，相对于单独纳米银抗菌薄膜的抑菌率提高了82.9％。对金黄色葡萄球菌抑菌率达到89.1％，相当于单独的纳米银抗菌薄膜的抑菌率提高了176.7％(图3)。表明银-溶菌酶纳米簇相比于单独使用银或溶菌酶能够产生协同作用，当多巴胺浓度控制在1mg/mL时应用银-溶菌酶纳米簇制备的抗菌薄膜制备的抗菌薄膜表现出较好的抗菌效果。
实施例3
一种高效广谱银/溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜制备方法，具体实施的步骤如下：
(1)将聚偏二氯乙烯保鲜膜材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含有5mg/mL多巴胺的pH＝8.5的0.05M Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌18小时，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜。
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于10g/L的戊二醛溶液中，搅拌2小时，使戊二醛其中一个羰基与聚多巴胺的氨基相结合，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到戊二醛修饰的薄膜材料。
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入银/溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1小时后取出，用去离子水冲洗5分钟，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
对制备获得的银-溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料抑菌效果进行检测，结果如图4～5所示，抑菌24小时,本发明的抗菌薄膜对沙门氏菌抑菌率达到62.7％(图4)，相对于单独纳米银抗菌薄膜的抑菌率提高了79.1％。对金黄色葡萄球菌抑菌率达到87.6％(图5)，相当于单独的纳米银抗菌薄膜的抑菌率提高了184.4％。表明多巴胺浓度控制在5mg/mL时制备的抗菌薄膜表现出较好的抗菌效果。
实施例4
一种银/溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜制备方法，具体实施的步骤如下：
(1)将聚偏二氯乙烯保鲜膜材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含有0.05mg/mL多巴胺的pH＝8.5的0.05M Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌18小时，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜。
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于10g/L的戊二醛溶液中，搅拌2小时，使戊二醛其中一个羰基与聚多巴胺的氨基相结合，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到戊二醛修饰的薄膜材料。
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入银/溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1小时后取出，用去离子水冲洗5分钟，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
对制备获得的银-溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料抑菌效果进行检测，结果如图6-7所示，本发明的抗菌薄膜对沙门氏菌抑菌率仅达到24.2％(图6)，对金黄色葡萄球菌抑菌率仅达到22.6％(图7)，表明多巴胺浓度在本发明的参数条件之外的0.5mg/mL时，制备出的抗菌膜抗菌效果不好。
实施例5
一种银/溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜制备方法，具体实施的步骤如下：
(1)将聚偏二氯乙烯保鲜膜材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含有5mg/mL多巴胺的pH＝8.5的0.05M Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌18小时，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜。
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于0.5g/L的戊二醛溶液中，搅拌2小时，使戊二醛其中一个羰基与聚多巴胺的氨基相结合，取出后用去离子水冲洗5分钟，得到戊二醛修饰的薄膜材料。
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入银/溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1小时后取出，用去离子水冲洗5分钟，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
对制备获得的银-溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料抑菌效果进行检测，制备的抗菌薄膜对沙门氏菌和金黄色葡萄球菌均达不到较好的抗菌效果，表明戊二醛浓度在本发明的参数条件之外的0.5g/L时，制备出的抗菌膜抗菌效果不佳。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，其特征在于，按如下步骤制备获得：(1)将基底材料浸泡于含0.1～10mg/mL多巴胺的缓冲液中，搅拌1～20h，冲洗、烘干；(2)将经步骤(1)处理后的基底材料浸泡于1～50g/L戊二醛溶液中，搅拌1～10h；(3)将戊二醛修饰的薄膜材料浸入银-溶菌酶纳米簇溶液中，1～5h后取出，冲洗、烘干后得到银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜；所述银-溶菌酶纳米簇按如下方法制备：每20～100mg的溶菌酶溶液中加入0.01～0.1mmol AgNO3，边搅拌边调节溶液pH至8～12，加入与AgNO3摩尔比为0.005～0.15：1的NaBH4溶液50～200μL，室温反应1～5h。
2.根据权利要求1所述的银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，其特征在于，所述加入NaBH4溶液是加入浓度为0.01～0.05mol/L的NaBH4。
3.根据权利要求1所述的银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，其特征在于，所述方法是向10mL 2～10g/L溶菌酶中加入0.01～0.1mmol AgNO3，在500～1000rpm边搅拌边加入NaOH溶液调节溶液pH值为8.0～12.0，再逐滴加入0.01mol/L的NaBH4溶液50～200μL，在室温下反应1～5小时。
4.根据权利要求1所述的银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜，其特征在于，所述基底材料包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚乳酸。
5.制备权利要求1或4所述的银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将基底材料用乙醇清洗干净后吹干，浸泡于含0.1～10mg/mL多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液中，搅拌1～20小时，取出后用去离子水冲洗后烘干，得到聚多巴胺修饰的纳米薄膜；
(2)将聚多巴胺修饰的基底材料浸泡于1～50g/L戊二醛溶液中，搅拌1～10小时，取出后用去离子水冲洗后烘干，得到戊二醛修饰的薄膜材料；
(3)将戊二醛修饰的纳米薄膜浸入银-溶菌酶纳米簇溶液中，吸附1～5小时后取出，用去离子水冲洗后烘干，得到银/溶菌酶纳米簇修饰的薄膜材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述缓冲液为Tris-HCl缓冲液，其浓度为0.01～0.5mol/L，pH值为5.0～10.0。
7.权利要求1或4所述银-溶菌酶纳米簇修饰的抗菌薄膜在抗菌食品包装、容器内表面、抗菌贴膜以及生物材料、医疗器材表面的应用。
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