CN107760069A - 一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法及应用 - Google Patents

一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种由光激发不同尺寸的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，步骤为先在将氧化石墨烯与硝酸银混合，使银离子吸附在氧化石墨烯表面，然后向溶液中滴加磷酸氢二钠，从而形成氧化石墨烯/磷酸银复合材料，最后将复合材料接枝到基底表面。所述方法通过控制银离子浓度和磷酸氢二钠的滴加速度等控制制得的磷酸银的尺寸，磷酸银本身具有优异的光动力性能，而其粒子大小将会影响光动力的强弱，同时氧化石墨烯由于具有大的比表面积，快速转移电子等能力可以有利于磷酸银的分布，同时促进其光动力性能。

Description

一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方 法及应用
技术领域
本发明涉及材料科学与纳米材料技术领域，具体涉及一种由光激发不同尺寸的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法及应用。
背景技术
生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能，且对生物体组织不会产生不良影响的材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为当代材料学科的重要分支。医用钛金属耐蚀性能优异，弹性模量接近于自然骨，生物相容性优良，目前常用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官和辅助治疗设备。但是由植入体所引起的细菌感染给病人带来巨大的伤害,一旦发生不仅会带来更多的痛苦和经济损失,甚至还会使人截肢或死亡。
为了减少细菌感染同时又不影响植入体的功能，我们对植入体进行改性，使其能细菌感染之后能够在短时间内消灭感染的细菌，同时还细胞并没有什么影响。为此我们使用可穿透肌肤的红外光作为诱发因素激发涂层的抗菌性。
磷酸银具有较好的光催化性能，可以在可见光照射下产生活性氧，用于快速杀灭细菌，同时其本身作为一种微溶于水的物质可以在生物体内缓慢释放银离子，通过银离子的抗菌性能可以使涂层保持一个长期有效的抗菌性。而磷酸银纳米粒子的尺寸将会影响银离子的释放以及活性氧的产生速率，从而影响抗菌性能。同时单独的纳米磷酸银很容易团聚形成大颗粒的磷酸银，从而降低抗菌活性，因此我们需要支撑材料用于磷酸银的负载。
氧化石墨烯作为石墨烯的衍生材料具有高的机械强度、大的表面积和优良的生物相容性已被广泛应用于生物医学，如支架基质、药物或基因传递载体等。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，用以制备既具有长期持续抗菌，又具有快速高效的光动力抗菌的杂化涂层材料。本发明将氧化石墨烯，纳米磷酸银有机地结合起来，通过氧化石墨烯使纳米磷酸银均匀负载在氧化石墨烯片上，并且通过控制磷酸银的尺寸，从而控制杂化涂层的抗菌能力。本发明还提供了上述制备方法在光照抗菌中的应用，通过可见光照着杂化涂层产生活性氧，从而杀灭细菌。
本发明第一方面提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，步骤包括：
S1、制备磷酸银/氧化石墨烯复合材料：将氧化石墨烯溶液与硝酸银混合，搅拌均匀，使混合液中氧化石墨烯浓度为0.0625～0.5mg/mL、硝酸银浓度为0.0025～0.02mol/L，搅拌混合液并滴加磷酸氢二钠溶液后继续搅拌25～40min获得氧化石墨烯/磷酸银复合溶液；
S2、将氧化石墨烯/磷酸银复合溶液滴加至基底表面，并将氧化石墨烯/磷酸银均匀旋涂在基底表面，重复旋涂5～12次，得到磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层。
本发明第二方面提供了磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层在光照抗菌方面的应用，采用660nm可见光照射所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层来进行抗菌，所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层采用上述由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法来制备得到。
本发明的有益效果是：
(1)通过静电吸附使氧化石墨烯和银离子结合，再原位形成纳米磷酸银粒子，可以使纳米磷酸银均匀的分散在氧化石墨烯表面，此法投入设备投入少，实施难度小，制备方法简单易行，并且对环境并无太大影响；
(2)通过氧化石墨烯和硝酸银的浓度可以控制最后合成的磷酸银纳米粒子的尺寸，从而影响银离子的释放以及磷酸银的光动力性能，以至于最后控制此涂层的抗菌能力；
(3)本发明技术制备的杂化涂层具有很好的光动力抗菌活性，既在660nm可见光照射下能快速高效的产生活性氧，从而杀灭细菌。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1各种尺寸磷酸银纳米粒子/氧化石墨烯接枝到钛片表面的SEM图；
图2为实施例2中样品抗菌扫描图；
图3为实施例1中样品抗菌细菌SEM图；
图4为实施例1中样品未经660nm可见光照射的细胞荧光图；
图5为实施例1中样品经过660nm可见光照射的细胞荧光图。
图6为实施例4中样品抗菌扫描图。
具体实施方式
本发明第一方面提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，步骤包括：
S1、制备磷酸银/氧化石墨烯复合材料：将氧化石墨烯溶液与硝酸银混合，搅拌均匀，使混合液中氧化石墨烯浓度为0.0625～0.5mg/mL、硝酸银浓度为0.0025～0.02mol/L，搅拌混合液并滴加磷酸氢二钠溶液后继续搅拌25～40min获得氧化石墨烯/磷酸银复合溶液；
S2、将氧化石墨烯/磷酸银复合溶液滴加至基底表面，并将氧化石墨烯/磷酸银均匀旋涂在基底表面，重复旋涂5～12次，得到磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层。
将氧化石墨烯/硝酸银溶液在高速搅拌下按照所需磷酸氢二钠的量逐滴加入磷酸氢二钠溶液，吸附在氧化石墨烯表面的银离子就会形成不同粒径的磷酸银颗粒。氧化石墨烯具有很好的电荷转移能力，在与磷酸银结合后，能够快速将磷酸银产生的电子转移到氧化石墨烯表面产生活性氧。另外氧化石墨烯含有很多含氧官能团，本身带负电，可以通过静电结合减少银离子的释放，从而使涂层的抗菌有效期大大延长，同时由于银离子的释放量减少，此涂层的细胞毒性大大降低，同时并不影响它的抗菌能力。
优选的，步骤S1中，所述磷酸氢二钠溶液的浓度为0.0667mol/L。
优选的，步骤S1中，混合液中氧化石墨烯浓度为0.5mg/mL、硝酸银浓度为0.02mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.375mg/mL、硝酸银浓度为0.015mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.375mg/mL、硝酸银浓度为0.015mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.25mg/mL、硝酸银浓度为0.01mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.125mg/mL、硝酸银浓度为0.005mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.0625mg/mL、硝酸银浓度为0.0025mol/L。
优选的，步骤S2中，所述氧化石墨烯/磷酸银复合溶液稀释至氧化石墨烯浓度为0.0625mg/mL、硝酸银浓度为0.02mol/L，然后再将稀释后的氧化石墨烯/磷酸银复合溶液滴加至基底表面。
更加优选的，所述稀释后的氧化石墨烯/磷酸银复合溶液的滴加量为30微升。
优选的，步骤S2中，所述旋涂的旋转转速为3000～3500转/分钟。
优选的，步骤S2中，所述基底为钛片。
更加优选的，所述钛片采用如下步骤进行处理：将钛片用砂纸逐级表面打磨后，依次在丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，再将所述钛片放入化学刻蚀液中进行刻蚀，随后将钛片放入盛有浓度为3.5～4.5mol/L的KOH溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在75～85℃下反应80～100分钟，取出钛片洗涤干燥。
具体的，在本发明的实施例中，所述刻蚀为采用化学刻蚀液进行钛片的刻蚀，所述的化学刻蚀液为1:4:5的HF:HNO3(1mol/L):H2O的混合溶液，所述的化学刻蚀时间为2分钟。
本发明第二方面提供了磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层在光照抗菌方面的应用，采用660nm可见光照射所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层来进行抗菌，所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层采用上述由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法来制备得到。
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，具体步骤包括：
(1)将氧化石墨烯超声分散成0.5mg/ml的水溶液，取40ml加入0.136g硝酸银，黑暗条件下搅拌30分钟，并将溶液均分为四份(依次稀释为10ml，20ml，40ml和80ml)，然后逐滴滴加10毫升0.0067mol/L的磷酸二氢钠水溶液，最后搅拌30分钟，并最终都将溶液稀释至90mL备用。
(2)将钛片分别用规格为240#、400#、600#、800#、1200#的砂纸在抛光研磨机上打磨至光滑镜面，而后用1:4:5的HF:HNO3(1mol/L):H2O的混合溶液化学刻蚀2分钟。
(3)随后放入盛有4mol/L的KOH水溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在80℃下反应90分钟，最后取出洗涤干燥。
(4)将上述处理后的钛片吸附在旋涂仪上，然后用滴加30μL氧化石墨烯/磷酸银复合溶液，以3000r/min的转速旋转30s，使复合材料均匀覆盖在钛片表面。并重复旋涂10次。
采用以上方法，得到了四种磷酸银纳米粒子尺寸不同的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层。
对上述方法得到的产品进行扫描电镜检测，得到的SEM图如图1所示，检测结果表明：图a：以0.5mg/ml氧化石墨烯和0.02mol/L的硝酸银制备的氧化石墨烯/磷酸银复合材料，其磷酸银的尺寸大约为170nm；图b：以0.25mg/ml氧化石墨烯和0.01mol/L的硝酸银制备的氧化石墨烯/磷酸银复合材料，纳米磷酸银的尺寸约为120nm；图c：以0.125mg/ml氧化石墨烯和0.005mol/L的硝酸银制备的氧化石墨烯/磷酸银复合材料,纳米磷酸银的尺寸约为90nm；图d：以0.0625mg/ml氧化石墨烯和0.0025mol/L的硝酸银制备的氧化石墨烯/磷酸银复合材料,纳米磷酸银的尺寸约为50nm。
可见，通过氧化石墨烯和硝酸银的浓度可以控制最后合成的磷酸银纳米粒子的尺寸，方法简单方便，易于实施。
本实施例所得涂层样品经过660nm可见光照射的细胞荧光图如附图4所示；作为对比，样品未经过660nm可见光照射的细胞荧光图如附图5所示。
实施例2
本实施例提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，具体步骤包括：
(1)将氧化石墨烯超声分散成0.5mg/ml的溶液，取40ml加入0.136g硝酸银，黑暗条件下搅拌30分钟，并将溶液均分为四份(依次稀释为10ml，20ml，40ml和80ml)，然后逐滴滴加10毫升0.0067mol/L的磷酸二氢钠溶液，最后搅拌30分钟，并最终都将溶液稀释至90mL备用。
(2)将钛片分别用规格为240#、400#、600#、800#、1200#的砂纸在抛光研磨机上打磨至光滑镜面，而后用1:4:5的HF:HNO3(1mol/L):H2O的混合溶液化学刻蚀2分钟。
(3)随后放入盛有4mol/L的KOH溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在80℃下反应90分钟，最后取出洗涤干燥。
(4)将上述处理后的钛片吸附在旋涂仪上，然后用滴加30μL氧化石墨烯/磷酸银复合溶液，以3500r/min的转速旋转30s，使复合材料均匀覆盖在钛片表面。并重复旋涂5次。
样品与细菌一起加入96孔板后用660纳米的可见光照射15分钟，随后用SEM观察细菌形貌，本实施例所得涂层样品的抗菌SEM扫描图如附图2所示。
实施例3
本实施例提供了一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，具体步骤包括：
(1)将0.034g硝酸银溶于80毫升去离子水中，在黑暗条件下搅拌30分钟，然后逐滴滴加10毫升0.0067mol/L的磷酸二氢钠溶液，最后搅拌30分钟，并最终都将溶液稀释至90mL备用。
(2)将钛片分别用规格为240#、400#、600#、800#、1200#的砂纸在抛光研磨机上打磨至光滑镜面，而后用1:4:5的HF:HNO3(1mol/L):H2O的混合溶液化学刻蚀2分钟。
(3)随后放入盛有4mol/L的KOH溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在80℃下反应90分钟，最后取出洗涤干燥。
(4)将上述处理后的钛片吸附在旋涂仪上，然后用滴加30μL氧化石墨烯/磷酸银复合溶液，以3000r/min的转速旋转30s，使复合材料均匀覆盖在钛片表面。并重复旋涂10次。
样品与细菌一起加入96孔板后用660纳米的可见光照射15分钟，随后用SEM观察细菌形貌，本实施例所得涂层样品的抗菌扫描图如附图3所示。
实施例4
本实施例提供了一种氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，本实例不含有磷酸银，单纯考虑氧化石墨烯的抗菌性能，具体步骤包括：
(1)将氧化石墨烯超声分散成0.0625mg/ml的溶液，备用。
(2)将钛片分别用规格为240#、400#、600#、800#、1200#的砂纸在抛光研磨机上打磨至光滑镜面，而后用1:4:5的HF:HNO3(1mol/L):H2O的混合溶液化学刻蚀2分钟。
(3)随后放入盛有4mol/L的KOH溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在80℃下反应90分钟，最后取出洗涤干燥。
(4)将上述处理后的钛片吸附在旋涂仪上，然后用滴加30μL氧化石墨烯/磷酸银复合溶液，以3000r/min的转速旋转30s，使复合材料均匀覆盖在钛片表面。并重复旋涂10次。
将所得样品与细菌一起加入96孔板后用660纳米的可见光照射15分钟，随后用SEM观察细菌形貌，本实施例所得涂层样品的抗菌扫描图如附图6所示。图中大多数细菌是完整存活的，只有少数细菌死亡，说明单纯的氧化石墨烯具有一定的抗菌能力，但效果并不理想。
对制备后的产品作相应的检测，其检测结果如下：1)吸附在氧化石墨细胞膜上的银离子在滴加磷酸氢二钠以后均匀的附在氧化石墨烯片上，碱热处理后的钛片表面形成纳米网状结构，在旋涂氧化石墨烯/磷酸银后网孔被全部覆盖；2)通过调控氧化石墨烯和硝酸银的浓度可以控制制备的磷酸银纳米粒子的尺寸，从而调控涂层的抗菌活性；3)旋涂了氧化石墨烯/磷酸银的钛片在660nm可见光的照射下能够在短时间里有效的杀死细菌，而在黑暗条件下短时间没有抗菌能力。同时此杂化涂层中的磷酸银纳米粒子作为一种微溶于水的物质，可以缓慢释放银离子，通过银离子的抗菌使涂层具备了一个长期有效的抗菌能力4)此涂层虽然可以缓慢释放银离子，但是对细胞的毒性并不大，即使在660nm可见光的照射产生活性氧的情况下，细胞依旧可以在涂层表面正常生长。
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 (9)

1.一种由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1、制备磷酸银/氧化石墨烯复合材料：将氧化石墨烯溶液与硝酸银混合，搅拌均匀，使混合液中氧化石墨烯浓度为0.0625～0.5mg/mL、硝酸银浓度为0.0025～0.02mol/L，搅拌混合液并滴加磷酸氢二钠溶液后继续搅拌25～40min获得氧化石墨烯/磷酸银复合溶液；
S2、将氧化石墨烯/磷酸银复合溶液滴加至基底表面，并将氧化石墨烯/磷酸银均匀旋涂在基底表面，重复旋涂5～12次，得到磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层。
2.如权利要求1所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述磷酸氢二钠溶液的浓度为0.0667mol/L。
3.如权利要求1所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1中，混合液中氧化石墨烯浓度为0.5mg/mL、硝酸银浓度为0.02mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.375mg/mL、硝酸银浓度为0.015mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.375mg/mL、硝酸银浓度为0.015mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.25mg/mL、硝酸银浓度为0.01mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.125mg/mL、硝酸银浓度为0.005mol/L；或混合液中氧化石墨烯浓度为0.0625mg/mL、硝酸银浓度为0.0025mol/L。
4.如权利要求1所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述氧化石墨烯/磷酸银复合溶液稀释至氧化石墨烯浓度为0.0625mg/mL、硝酸银浓度为0.02mol/L，然后再将稀释后的氧化石墨烯/磷酸银复合溶液滴加至基底表面。
5.如权利要求4所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述稀释后的氧化石墨烯/磷酸银复合溶液的滴加量为30微升。
6.如权利要求1所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述旋涂的旋转转速为3000～3500转/分钟。
7.如权利要求1所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述基底为钛片。
8.如权利要求7所述的由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述钛片采用如下步骤进行处理：将钛片用砂纸逐级表面打磨后，依次在丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，再将所述钛片放入化学刻蚀液中进行刻蚀，随后将钛片放入盛有浓度为3.5～4.5mol/L的KOH溶液的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在75～85℃下反应80～100分钟，取出钛片洗涤干燥。
9.磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层在光照抗菌方面的应用，其特征在于：采用660nm可见光照射所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层来进行抗菌，所述磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层采用权利要求1所述由光激发的磷酸银/氧化石墨烯复合抗菌涂层的制备方法来制备得到。
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