CN114084901B - 一种纳米抑菌材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米抑菌材料及其制备方法与应用。本发明以醋酸锌为锌源，氨水为氧源，黏土为分散剂，松香为分散剂和封盖剂，用水热法制备了一种具有纺锤状氧化锌纳米棒抗菌材料。本发明纺锤状氧化锌纳米棒两端呈针尖状，纳米氧化锌棒状表面吸附有松香，极大提高了纳米氧化锌棒的抑菌性能。本发明制备方法简单，条件温和，可重复性高，弥补了现有纳米材料制备的不足。所得氧化锌纳米棒可作为一种抑菌材料用于组织工程、食品、纺织品和涂料等领域。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料技术领域，具体涉及一种纳米抑菌材料及其制备方法与应用。
背景技术
氧化锌因为其是一种禁带宽度为3.37eV的宽禁带半导体材料，在常温下的激子束缚能为60meV，并伴随有良好的电子迁移率。这些优异的性能使得氧化锌在光催化降解染料有机物以及在抑菌抗菌等领域有着广泛的应用。氧化锌是一种被美国食品和药品管理局(FDA)已经批准的安全材料，已被在食品保鲜、添加剂，生物陶瓷和医用器械抗菌涂层方面广泛的应用。然而，氧化锌的抑菌性能有限，仅只有纳米银抑菌性能的千分之一，一般通过增加其投加量或者其他的抑菌物质如抗生素，双胍类物质，季铵盐/季鏻盐类抑菌剂混合一起使用。这些策略大大降低了材料的生物安全性，且一般造成耐药性。研究发现，氧化锌的抑菌性能与其粒径、尺寸和形貌等有着密切的关系，可以通过优化制备氧化锌的工艺，获得具有良好抑菌性能的纳米氧化锌。
纳米氧化锌的制备方法大体上可以分为物理法和化学法两大类，物理法一般对实验设备和仪器的要求高，一般价格昂贵，此外实验操作步骤也相对繁琐，通常获得的氧化锌颗粒的粒径大易团聚，难以满足商业上的应用的条件。目前主要是以化学法制备为主。近些年，研究人员也开发了很多种制备纳米氧化锌的方法，如气相法、液相法和电纺丝等。这其中水热法是最为常见的。然而水热法制备的氧化锌更多呈现球状，短棒状，制备成其他形貌的氧化锌是时杂质多，需要的后序操作繁琐。故亟待开发出一种基于水热法便捷式制备的纳米氧化锌棒的方法。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种纳米抑菌材料的制备方法。
本发明以醋酸锌为锌源，碱溶液(氨水)为氧源，黏土作为分散剂，松香为晶体诱导剂和封盖剂，用水热法制备了一种纳米氧化锌抗菌材料。该氧化锌纳米呈纺锤状，两端的针状大大提高了纳米氧化锌的渗透性，提高了氧化锌的抑菌性能。此外，该纳米氧化锌棒表面沉积有松香，松香常作为一种存在于松树中常用作保护树叶和树干免受外来微生物或有害物质的侵害。这也大大提高了纳米氧化锌棒的抑菌性能，从而扩大了氧化锌在抑菌领域的应用。
本发明的另一个目的在于提供上述方法制得的一种纳米抑菌材料。
本发明的再一目的在于提供上述一种纳米抑菌材料在抗菌领域中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种纳米抑菌材料的制备方法，包括以下步骤：
将一定量的锌源溶于聚乙二醇水溶液中；加入一定量的纳米黏土并搅拌均匀，然后加入碱溶液将混合溶液的pH调至7～12，滴加入松香溶液并搅拌均匀，于80～200℃水热反应8～24h，洗涤，干燥，得到纺锤状氧化锌纳米棒抗菌材料。
优选地，所述锌源、聚乙二醇、纳米黏土和松香的比例为(0.5～6)g：(10～40)mL：(0.1～0.5)g：(1～4)g。
优选地，所述锌源为二水合醋酸锌(Zn(Ac)2·H2O)、硫酸锌和硝酸锌中的至少一种。
优选地，所述聚乙二醇的相对分子质量为400～600或者1000；所述聚乙二醇水溶液中聚乙二醇与水的质量体积比为1g：(0.5～4)mL。
优选地，所述纳米黏土为黏土、膨润土和硅藻土中的至少一种，所述纳米黏土的粒径为200～500nm。
优选地，所述纳米黏土加入后搅拌2～8h。
优选地，所述碱溶液为氨水溶液、氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的至少一种，所述碱溶液中溶质与溶剂的质量体积比为1g：(10～100)mL。
优选地，所述松香溶液中的松香为氢化松香、树脂酸、松香油、松节油和松脂酸酐中的至少一种；所述树脂酸为枞酸和海松酸中的至少一种。
优选地，所述松香溶液的溶剂为乙醇、二甲基亚砜、和二甲基甲酰胺中的至少一种，松香与溶剂的质量体积比为(1～4)g：(10～40)mL。
优选地，所述松香溶液的滴加速度为0.5～2mL/min。
优选地，所述松香溶液加入后搅拌1～6h。
优选地，所述洗涤指用乙醇和水离心洗涤，洗涤至溶液呈淡黄色。
优选地，所述干燥的温度为40～60℃，时间为12～36h。
优选地，所述水热反应的温度为110℃，时间为12h。
上述方法制得的一种纳米抑菌材料。
上述一种纳米抑菌材料在纺织品、食品、涂料等抑菌领域中的应用。
优选地，上述一种纳米抑菌材料在抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色链球菌领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明中以天然物质松香为封盖剂和晶体诱导剂，利用松香的亲水和疏水性能控制氧化性在纵轴和水平方向生长的速度，并通过水热法便捷地制备了一种纺锤体状的氧化锌纳米棒，弥补了现有技术中氧化锌纳米棒制备条件苛刻、工艺繁琐、重复性低、纯度低、难以控制等不足。此外，制备的氧化锌纳米长棒两端呈现针锤状，大大提高了纳米氧化锌的渗透能力，同时松香作为一种高渗透的抑菌物质沉积在氧化锌表面，大大提高了氧化锌纳米棒的抑菌性能。本发明所得氧化锌纳米棒，具有良好的生物相容性，在纺织物抑菌、食品保鲜、抑菌墙纸涂层等领域中具备良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所得纺锤状氧化锌纳米棒的形貌(SEM)。
图2为对比例1所得纳米氧化锌颗粒的形貌(SEM)。
图3为实施例4中商用的纳米氧化锌的电镜图。
图4为实施例1所得纺锤状氧化锌的红外图(FT-IR)。
图5为实施例1所得纺锤状氧化锌的晶体粉末衍射图(XRD)。
图6为实施例1所得纺锤状氧化锌的粒径图。
图7为实施例2和5所得纺锤状氧化锌的最小抑菌浓度。
图8为实施例3和6所得纺锤状氧化锌24h内的抑菌生长曲线。
图9为实施例4和7中纺锤状氧化锌的抑菌图，其中①为商业氧化锌颗粒，②为纳米黏土，③为松香，④为实施例制备的纺锤状氧化锌纳米棒。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例中的纳米黏土的粒径为200～500nm。
实施例1
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG400水溶液中。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应12h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌。
对比例1
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG800溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，240℃下反应24h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到团聚的片状氧化锌。
实施例2
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌纳米棒。
(7)配置液体培养基，取20g营养肉汤溶于1000mL的高纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)将二份40mL(7)液体培养基置于提前灭好菌的2个离心管中，并分别向其中接种相同浓度的大肠杆菌(ATCC35218)，随后将离心管放入37℃、120rpm摇床中孵育4小时至菌浓度为105CFU/mL放入高压灭菌锅灭菌。
(9)取0.01g纺锤状纳米氧化锌棒溶于10mL的超纯水中，制备成氧化锌纳米棒胶体溶液。
(10)将(9)中的纳米棒胶体溶液加入到(8)的中一个离心管中，(8)中的另一个离心管中加入10mL(7)液体培养基作为空白对照组。将两个离心管置于37℃、120rpm摇床中孵育24小时。
(11)定时取样转移到96孔板中，通过酶标仪测定两个离心管的光密度值，根据光密度值绘制24h内氧化锌纳米棒24h内大肠杆菌的生长抑制曲线。
实施例3
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌纳米棒。
(7)配置液体培养基，取20g营养肉汤溶于1000mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)将0.01g纺锤状氧化锌纳米棒溶于100ml(7)中的液体培养基中。
(9)取10mL(8)于离心管中并标记为0号，另取10mL(8)采用二倍稀释法制备成浓度分别为0.05mg/mL、0.025mg/mL、0.025/2mg/mL、0.025/4mg/mL、0.025/8mg/mL氧化锌纳米棒胶体溶液，并对应标记为1、2、3、4和5号离心管，取10mL(7)液体培养基标记为6号离心管。
(10)将100uL浓度为105CFU/mL的大肠杆菌(ATCC35218)接种到(10)中的0-6号离心管中；并将离心管至于37℃、120rpm摇床中孵育24小时。
(11)各取三份200uL 0-6号试管的菌液于96孔板中，并用酶标仪读取溶液的光密度值，根据光密度值绘制纺锤状氧化锌对大肠杆菌的最小抑菌浓度。
实施例4
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌纳米棒。
(7)配置液体培养基，取2g营养肉汤溶于100mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)向(7)中接种大肠杆菌(ATCC35218)，并置于37℃、120rpm摇床中孵育一定时间，用酶标仪定期测量菌液的光密度值，取菌液浓度为104CFU/mL备用。
(9)配置固体培养基，取20g营养肉汤和32g琼脂粉溶于1000mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至60℃备用。
(10)分别将0.1g商业纳米氧化锌颗粒(罗恩试剂，1314-13-2，90±10nm)、0.1g黏土和0.1g纺锤状氧化锌纳米棒分散于10mL超纯水中，将0.1g松香溶于10mL乙醇中，将若干直径为6mm的滤纸片分别在上述4种胶体溶液中浸泡24h，取出后烘干备用。
(11)将(9)固体培养分别倒入多个培养皿中，每个培养皿的培养基约15mL，冷却成型后向固体培养基中接种200uL(8)中大肠杆菌液，并涂布菌剂。
(12)向(11)固体培养基中分别加入(10)浸泡所得的滤纸片，并置于37℃、120rpm摇床中孵育24h。观察纸片周围的抑菌圈。
实施例5
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌。
(7)配置液体培养基，取20g营养肉汤溶于1000mL的高纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)将二份40mL(7)液体培养基置于提前灭好菌的2个离心管中，并分别向其中接种相同浓度的金黄色葡萄球菌(ATCC25923)，随后将离心管放入37℃、120rpm摇床中孵育4小时至菌浓度为105CFU/mL放入高压灭菌锅灭菌。
(9)取0.01g纺锤状纳米氧化锌棒溶于10mL的超纯水中，制备成氧化锌纳米棒胶体溶液。
(10)将(9)中的纳米棒胶体溶液加入到(8)的中一个离心管中，(8)中的另一个离心管中加入10mL(7)的液体培养基作为空白对照组。将两个离心管置于37℃、120rpm摇床中孵育24小时。
(11)定时取样转移到96孔板中，通过酶标仪测定两个离心管的光密度值，根据光密度值绘制24h类氧化锌纳米棒24h内金黄色葡萄球菌的抑制曲线。
实施例6
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌纳米棒。
(7)配置液体培养基，取20g营养肉汤溶于1000mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)将0.01g纺锤状氧化锌纳米棒溶于100mL(7)中的液体培养基中。
(9)取10mL(8)于离心管中并标记为0号，另取10mL(8)采用二倍稀释法制备成浓度分别为0.05mg/mL、0.025mg/mL、0.025/2mg/mL、0.025/4mg/mL、0.025/8mg/mL氧化锌纳米棒胶体溶液，并对应标记为1、2、3、4和5号离心管，取10mL(7)液体培养基标记为6号离心管。
(10)将100uL浓度为105CFU/mL的金黄色葡萄球菌(ATCC25923)接种到(9)中的0-6号离心管中；并将离心管至于37℃、120rpm摇床中孵育24小时。
(11)各取三份200uL 0-6号试管的菌液于96孔板中，并用酶标仪读取溶液的光密度值，根据光密度值绘制氧化锌纳米棒对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度。
实施例7
(1)室温下将6g的二水合醋酸锌Zn(Ac)2·H2O溶于40mL体积浓度为50％的PEG1000溶液。
(2)取0.5g纳米膨润土加入(1)中，并搅拌4h。
(3)配置质量浓度为5％的氨水溶液缓慢加入到(2)中，并将溶液pH调至8。
(4)取1g松香溶于20mL乙醇，完全溶解后，滴加到(3)中，并搅拌2h。
(5)搅拌至膏状后转移到反应釜中，110℃下反应18h。
(6)将(5)中产物用乙醇和水依次洗涤三次，并将固体转移至真空干燥箱中于50℃干燥12h，得到纺锤状氧化锌纳米棒。
(7)配置液体培养基，取2g营养肉汤溶于100mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至室温备用。
(8)向(7)中接种金黄色葡萄球菌(ATCC25923)，并置于37℃、120rpm摇床中孵育一定时间，用酶标仪定期测量菌液的光密度值，取菌液浓度为104CFU/mL备用。
(9)配置固体培养基，取20g营养肉汤和32g琼脂粉溶于1000mL的超纯水中，放入高压灭菌锅灭菌，温度降至60℃备用。
(10)分别将0.1g商业纳米氧化锌颗粒(罗恩试剂，1314-13-2，90±10nm)、0.1g黏土和0.1g纺锤状氧化锌纳米棒分散于10mL超纯水中，将0.1g松香溶于10mL乙醇中，将若干直径为6mm的滤纸片分别在上述4种胶体溶液中浸泡24h，取出后烘干备用。
(11)将(9)固体培养分别倒入多个培养皿中，每个培养皿的培养基约15mL，冷却成型后向固体培养基中接种200uL(8)中金黄色葡萄球菌，并涂布菌剂。
(12)向(11)固体培养基中分别加入(10)浸泡所得的滤纸片，并置于37℃、120rpm摇床中孵育24h。观察纸片周围的抑菌圈。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一定量的锌源溶于聚乙二醇水溶液中；加入一定量的纳米黏土并搅拌均匀，然后加入碱溶液将混合溶液的pH调至7～12，滴加入松香溶液并搅拌均匀，于80～200℃水热反应8～24h，洗涤，干燥，得到纺锤状氧化锌纳米棒抗菌材料；
所述锌源、聚乙二醇、纳米黏土和松香的比例为(0.5～6)g：(10～40)mL：(0.1～0.5)g：(1～4)g。
2.根据权利要求1所述一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，所述锌源为二水合醋酸锌、硫酸锌和硝酸锌中的至少一种；
所述聚乙二醇的相对分子质量为400～600或者1000；
所述纳米黏土为黏土、膨润土和硅藻土中的至少一种，所述纳米黏土的粒径为200～500nm；
所述松香溶液中的松香为氢化松香、树脂酸、松香油、松节油和松脂酸酐中的至少一种；所述树脂酸为枞酸和海松酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氨水溶液、氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液中的至少一种，所述碱溶液中溶质与溶剂的质量体积比为1g：(10～100)mL。
4.根据权利要求1所述一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇水溶液中聚乙二醇与水的质量体积比为1g：(0.5～4)mL；
所述松香溶液的溶剂为乙醇、二甲基亚砜、和二甲基甲酰胺中的至少一种，松香与溶剂的质量体积比为(1～4)g：(10～40)mL。
5.根据权利要求1所述一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，所述纳米黏土加入后搅拌2～8h；所述松香溶液加入后搅拌1～6h。
6.根据权利要求1所述一种纳米抑菌材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为110℃，时间为12h。
7.权利要求1～6任一项所述方法制得的一种纳米抑菌材料。
8.权利要求7所述一种纳米抑菌材料在纺织品、食品和涂料抑菌中的应用。
9.根据权利要求8所述一种纳米抑菌材料在纺织品、食品和涂料抑菌中的应用，其特征在于，在抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色链球菌中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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