CN114129727B - 一种硼纳米片复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种硼纳米片复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米材料领域，一种硼纳米片复合材料及其制备方法，通过表面活性剂辅助超声剥离硼纳米片，并在其表面包覆季铵化高分子，将具有抗菌功效的有机一氧化氮供体包埋到材料表面获得而具有抗菌功能的硼纳米片复合材料。通过季铵化高分子修饰方法能提升硼纳米材料的水分散性，使之不易聚集，适用于不同的生理环境；同时将一氧化氮供体引入纳米材料表面，同步实现光热治疗及一氧化氮的可控释放，实现生长细胞的愈合和再生，赋予复合材料广谱抗菌谱、高抑菌率、不易产生耐药性的特点。本发明的硼纳米片复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生长都具有明显的抑制作用，可用于临床医学耐药菌感染的功能性伤口敷料等领域。

Description

一种硼纳米片复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及到一种硼纳米片复合材料及其制备方法。
背景技术
病原微生物传播引起的疾病已成为全球公共卫生系统面临的最大威胁之一。随着科技的进步和发展，人类仍未摆脱致病性微生物的困扰。如被称为“白色瘟疫”的结核病虽然随着医疗技术的发展得到了一定控制，但大量抗结核药物对耐药型患者几乎没有功效，全球每年的结核病新发病例就高达约1000万；2020年初以来新型冠状病毒席卷全球，截至目前全球累计确诊病例已超过2.55亿；有效控制微生物的传播刻不容缓。另一方面，致病菌耐药性成为当前人类生命健康安全面临的新威胁。开发新型的广谱抗菌材料成为当前的迫切需求。
硼元素是生物体所必需的重要微量元素之一，具有抗炎、激活激素、调节代谢等作用，还具有维持细胞膜的稳定性以及消化和神经系统功能作用。硼纳米片作为单元素二维材料，具有高的比表面积和良好的光热转换能力，在近红外光照射下会产热，使周围局部温度升高。但是目前硼纳米片的制备和应用却很有挑战性。一方面缺少高效的制备方法，化学剥离的单质硼纳米片非常不稳定，容易聚集，这限制了其在生理环境中的实际应用；另一方面硼纳米片的自身抗菌性能相对较弱，不能满足对抗菌材料实际使用要求。
发明内容
针对硼纳米片制备中团聚、其抗菌性能不高的问题，本发明的目的是提供一种硼纳米片复合材料的制备方法，通过表面活性剂辅助超声剥离硼纳米片，并在其表面包覆季铵化壳聚糖，将具有抗菌功效的有机NO供体包埋到材料表面而获得具有优异抗菌功能的硼纳米片复合材料。
本发明的技术方案为：
一种硼纳米片复合材料为硼纳米片包覆季铵化壳聚糖，将具有抗菌功效的有机NO供体包埋到硼纳米片表面，获得而具有抗菌功能的硼纳米片复合材料。
一种硼纳米片复合材料的制备方法，步骤如下：
步骤1，将硼粉分散在有机溶剂中，加入表面活性剂，利用超声辅助液相剥离的方法，在恒温水浴中制备得到硼纳米片。表面活性剂的含量为0.3％～0.8％，探针超声功率为300w～500w，时间为2.5～5h，恒温水浴温度为0℃～10℃；
步骤2，将步骤1得到的硼纳米片加入到季铵化壳聚糖水溶液中，在恒温条件下混合搅拌，制得季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片；其中，季铵化壳聚糖的浓度为10～40mg/ml，硼纳米片与季铵化壳聚糖的质量比为1:5～1:20，搅拌时间8～18小时，反应温度为30℃～50℃；
步骤3，将短烷基碳原子数为X的N,N-二仲烷基对苯二胺用乙醇稀释，在搅拌和氮气保护下加入NaNO2水溶液；其中，X＝为4～10；加入盐酸充分反应，滴加助剂剧烈搅拌一定时间收集沉淀，干燥后得到一氧化氮供体；其中，所用的助剂为CnH2n+2O，n≤4。
步骤4，将步骤2得到的季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片与步骤3得到的一氧化氮供体溶液混合，其中，一氧化氮供体与季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片质量比为1：10～20；搅拌一段时间后，在一定温度下避光静置陈化自组装后，离心，干燥，即得硼纳米片复合材料。
所述的上述步骤1中硼粉为晶体硼或无定型硼中的一种。
所述的上述步骤1中硼粉浓度为1～1.5mg/mL。
所述的上述步骤1中有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、DMF、2-丁醇、乙醇、DMSO中的一种或其和水的混合溶剂。
所述的上述步骤1中表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、吐温20、吐温80、聚醚P123、聚醚F68中的一种。
所述的上述步骤2中季铵化壳聚糖选用短烷基碳原子数为Y的环氧烷基短烷基链季铵盐或氯羟丙基短烷基季铵盐接枝的天然壳聚糖，简称季铵化壳聚糖，所述Y＝1～6，所述的天然壳聚糖平均分子量范围为5000～30000。
所述的上述步骤3中的N,N-双仲烷基对苯二胺用乙醇稀释8～16倍，加入NaNO2水溶液浓度为4～8mol/L，反应时间为0.5～1h，盐酸浓度为4～8mol/L，搅拌速度为500-800r/min，时间为3～5h，加入的助剂量与反应后溶液体积比为0.2～0.65；1，搅拌时间为30～50min；干燥条件为真空干燥、鼓风干燥或冷冻干燥其中一种。
所述的上述步骤4中，NO供体溶液的溶剂为DMF、DMSO、乙醇中一种或其和水的混合溶剂；静置陈化自组装的温度为20～30℃，陈化时间为12～24小时。
与现有技术相比，本发明的效果和益处为：通过季铵化壳聚糖修饰方法能提升硼纳米材料的水分散性，使之不易聚集，适用于不同的生理环境；同时将一氧化氮供体引入纳米材料表面，可同步实现光热治疗及一氧化氮的可控释放，实现生长细胞的愈合和再生，可作为用于医用敷料、抗菌涂层等领域，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生长都具有明显的抑制作用，具有广谱抗菌谱、高抑菌率、不易产生耐药性等特点。
附图说明
图1为制备的硼纳米片复合材料的AFM图。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
1.将100mg的晶体硼粉分散在和80mL异丙醇中，加入500mg表面活性剂聚醚P123，在5℃水浴中以500w功率进行探针超声剥离3h，以3000r/min的转速离心10min，去掉块状未剥离的晶体硼粉，再将上清液以12000r/min的转速离心30min，收集沉淀，用无水乙醇和去离子水分别交替洗涤三次，冷冻干燥24小时制得干燥的硼纳米片。
2.取2，3-环氧丙基三甲基氯化铵接枝的平均分子量为10000的天然壳聚糖600mg溶于20mL去离子水中制备季铵盐壳聚糖水溶液，加入制备好的硼纳米片，室温搅拌12h。悬浮液用去离子水洗涤三次以去除多余的季铵化壳聚糖，冷冻干燥24小时制得季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片(B-QCS)。
3.将2.5mL N,N/-二仲丁基对苯二胺稀释在24mL乙醇中，在搅拌和氮气保护下加入20mL 6mol/L脱气的NaNO2水溶液。30分钟后，使用分离漏斗滴加20mL 6mol/L盐酸。反应4h后，加入30mL助剂乙醇，搅拌30分钟，离心收集固体产物，将收集到的沉淀物洗涤三次，去除残留的反应物，然后在真空冷冻干燥过夜，得到NO供体。将3mg B-QCS纳米片与3mL100μg·mL-1浓度的NO供体DMF溶液混合，在20℃的棕色小瓶中搅拌24h，离心，干燥后获得硼纳米片复合材料(B-QCS-BNN6)。
4.将300μg/mL的硼纳米片复合材料与稀释后的细菌悬浊液混合，放入24孔板中，一组加808nm红外激光5分钟，另一组不作处理，置于CO2培养箱中培养30min。取50μL培养后的悬浊液，均匀地涂在固体培养基表面，再将培养皿置于37℃的细胞培养箱中，培养24h，观察细菌菌落的生长情况，并用计数软件对菌落的数目进行计数，最后得出对细菌的抑菌率。抗菌性能测试表明，制备的硼纳米片复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为96.89％和98.38％。
实施例2
1.将80mg的无定型硼粉分散在和80mL DMF中，加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，在冰水浴中以400w功率进行探针超声剥离3.5h，以3000r/min的转速离心10min，去掉块状未剥离的晶体硼粉，再将上清液以12000r/min的转速离心30min，收集沉淀，用无水乙醇和去离子水分别交替洗涤三次，冷冻干燥24小时制得干燥的硼纳米片。
2.取3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性的平均分子量为12000的天然壳聚糖800mg溶于20mL去离子水中制备季铵盐壳聚糖水溶液，加入制备好的硼纳米片，室温搅拌12h。悬浮液用去离子水洗涤三次以去除多余的季铵化壳聚糖，冷冻干燥24小时制得季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片(B-QCS)。
3.将3mL N,N/-二仲丁基对苯二胺稀释在18mL乙醇中，在搅拌和氮气保护下加入20mL 6.5mol/L脱气的NaNO2水溶液。30分钟后，使用分离漏斗滴加20mL 6.5mol/L盐酸。反应4h后，加入30mL助剂甲醇，搅拌30分钟，离心收集固体产物，将收集到的沉淀物洗涤几次，去除残留的反应物，然后在60℃真空干燥12h，得到NO供体。将3mg B-QCS纳米片与3mL 100μg·mL-1浓度的NO供体DMSO溶液混合，在25℃的棕色小瓶中搅拌24h，离心，冷冻干燥后获得硼纳米片复合材料(B-QCS-BNN6)。
4.将300μg/mL的硼纳米片复合材料与稀释后的细菌悬浊液混合，放入24孔板中，一组加808nm红外激光5分钟，另一组不作处理，置于CO2培养箱中培养30min。取50μL培养后的悬浊液，均匀地涂在固体培养基表面，再将培养皿置于37℃的细胞培养箱中，培养24h，观察细菌菌落的生长情况，并用计数软件对菌落的数目进行计数，最后得出对细菌的抑菌率。抗菌性能测试表明，制备的硼纳米片复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为97.25％和99.62％。
实施例3
1.将100mg的无定型硼粉分散在和80mL 2-丁醇中，加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，在冰水浴中以400w功率进行探针超声剥离3.5h，以3000r/min的转速离心10min，去掉块状未剥离的晶体硼粉，再将上清液以12000r/min的转速离心30min，收集沉淀，用无水乙醇和去离子水分别交替洗涤三次，冷冻干燥24小时制得干燥的硼纳米片。
2.取2，3-环氧丙基三甲基氯化铵改性的平均分子量为20000的天然壳聚糖800mg溶于20mL去离子水中制备季铵盐壳聚糖水溶液，加入制备好的硼纳米片，室温搅拌12h。悬浮液用去离子水洗涤三次以去除多余的季铵化壳聚糖，冷冻干燥24小时制得季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片(B-QCS)。
3.将3mL N,N/-二仲丁基对苯二胺稀释在18mL乙醇中，在搅拌和氮气保护下加入20mL 6.5mol/L脱气的NaNO2水溶液。30分钟后，使用分离漏斗滴加20mL6.5mol/L盐酸。反应4h后，加入30mL助剂异丙醇，搅拌30分钟，离心收集固体产物，将收集到的沉淀物洗涤几次，去除残留的反应物，然后在60℃真空干燥12h，得到NO供体。将3mg B-QCS纳米片与3mL 100μg·mL-1浓度的NO供体DMSO溶液混合，在30℃的棕色小瓶中搅拌24h，离心，冷冻干燥后获得硼纳米片复合材料(B-QCS-BNN6)。
4.将300μg/mL的硼纳米片复合材料与稀释后的细菌悬浊液混合，放入24孔板中，一组加808nm红外激光5分钟，另一组不作处理，置于CO2培养箱中培养30min。取50μL培养后的悬浊液，均匀地涂在固体培养基表面，再将培养皿置于37℃的细胞培养箱中，培养24h，观察细菌菌落的生长情况，并用计数软件对菌落的数目进行计数，最后得出对细菌的抑菌率。抗菌性能测试表明，制备的硼纳米片复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为98.42％和97.93％。

Claims (8)

1.一种硼纳米片复合材料的制备方法，其特征在于，该硼纳米片复合材料为硼纳米片包覆季铵化壳聚糖，将具有抗菌功效的有机NO供体包埋到硼纳米片表面，获得而具有抗菌功能的硼纳米片复合材料；
所述制备方法步骤如下：
步骤1，将硼粉分散有机溶剂中，加入表面活性剂，利用超声辅助液相剥离的方法，在恒温水浴中制备得到硼纳米片；控制表面活性剂的质量百分含量为0.3％～0.8％，探针超声功率为300w～500w，时间为2.5～5h，恒温水浴温度为0℃～10℃；
步骤2，将步骤1得到的硼纳米片加入到季铵化壳聚糖水溶液中，在恒温条件下混合搅拌，制得季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片；其中，季铵化壳聚糖的浓度为10～40mg/ml，硼纳米片与季铵化壳聚糖的质量比为1:5～1:20，搅拌时间8～18h，反应温度为30℃～50℃；
步骤3，将短烷基碳原子数为X的N,N-二仲烷基对苯二胺用乙醇稀释，在搅拌和氮气保护下加入NaNO2水溶液；其中，X＝为4～10；加入盐酸充分反应，滴加助剂剧烈搅拌至收集沉淀，干燥后得到一氧化氮供体；其中，所用的助剂为CnH2n+2O，n≤4；
步骤4，将步骤2得到的季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片与步骤3得到的一氧化氮供体溶液混合，其中，一氧化氮供体与季铵化壳聚糖修饰的硼纳米片质量比为1：10～20；搅拌后，避光静置陈化自组装后，离心，干燥，即得硼纳米片复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中硼粉为晶体硼或无定型硼，浓度为1-1.5mg/mL；有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、DMF、2-丁醇、乙醇、DMSO中的一种或其和水的混合溶剂；表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、吐温20、吐温80、聚醚P123、聚醚F68中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中季铵化壳聚糖选用短烷基碳原子数为Y的环氧烷基短烷基链季铵盐或氯羟丙基短烷基季铵盐接枝的天然壳聚糖；其中，Y＝1～6，天然壳聚糖平均分子量范围为5000～30000。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中的N,N-双仲烷基对苯二胺用乙醇稀释8～16倍，加入NaNO2水溶液浓度为4～8mol/L，反应时间为0.5～1h，盐酸浓度为4～8mol/L，搅拌速度为500-800r/min，时间为3～5h，加入的助剂量与反应后溶液体积比为0.2～0.65；1，搅拌时间为30～50min；干燥条件为真空干燥、鼓风干燥或冷冻干燥其中一种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中的N,N-双仲烷基对苯二胺用乙醇稀释8～16倍，加入NaNO2水溶液浓度为4～8mol/L，反应时间为0.5～1h，盐酸浓度为4～8mol/L，搅拌速度为500-800r/min，时间为3～5h，加入的助剂量与反应后溶液体积比为0.2～0.65；1，搅拌时间为30～50min；干燥条件为真空干燥、鼓风干燥或冷冻干燥其中一种。
6.根据权利要求1、2或5所述的制备方法，其特征在于，步骤4中一氧化氮供体溶液的溶剂为DMF、DMSO、乙醇中一种或其和水的混合溶剂；静置陈化自组装的温度为20～30℃，陈化时间为12～24小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4中一氧化氮供体溶液的溶剂为DMF、DMSO、乙醇中一种或其和水的混合溶剂；静置陈化自组装的温度为20～30℃，陈化时间为12～24小时。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4中一氧化氮供体溶液的溶剂为DMF、DMSO、乙醇中一种或其和水的混合溶剂；静置陈化自组装的温度为20～30℃，陈化时间为12～24小时。
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