水溶液合成納米銀/納米微晶纖維素復(fù)合物及其抗菌性能

張念椿，敖玉銀，丁恩勇，胡建強

1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640

纖維素是環(huán)境友好的高分子材料，以纖維素為基體，取代目前昂貴的合成高分子基體，開展纖維素基功能納米復(fù)合材料的研究，可以顯著降低復(fù)合材料的制備成本，促進此類材料的推廣應(yīng)用[1-2].有機抗菌劑熱穩(wěn)定性較差、易分解、持久性差、通常毒性較大以及長時間使用對人體有害，為了克服有機抗菌劑的缺點，人們逐漸將研究方向轉(zhuǎn)向無機抗菌劑[3].銀系抗菌材料屬于無機抗菌劑，其優(yōu)點是低毒、耐熱、抗菌持久和抗菌性廣等，可廣泛應(yīng)用于紡織品、洗滌劑、容器餐具和空調(diào)冰箱等領(lǐng)域.銀系抗菌材料中的納米銀具有抗菌效果好、安全性高、效力持久、耐候性強且無細(xì)菌耐藥性等特點受到了研究人員的極大關(guān)注.但是銀納米顆粒很容易團聚，會影響其抗菌性能，一般將納米銀分散在無機氧化物或高分子基材上，使其分布均勻以及無明顯的顆粒聚集，該類納米銀復(fù)合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及抗菌性能上具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢[4-6].納米銀或者游離狀態(tài)的銀對人體是安全的，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的外科教授Robert H. D等闡述了納米銀抗菌機理以及毒性等，他認(rèn)為銀通過阻斷微生物的呼吸酶系統(tǒng)(阻斷其能量產(chǎn)生)來殺滅微生物，且對人體細(xì)胞沒有負(fù)面影響，幾個世紀(jì)以來銀的使用證明了其對人體組織是無毒的[7].

本研究以CNC(納米微晶纖維素)為基體，以水溶液為介質(zhì)，利用簡單的超聲還原法制備了納米銀負(fù)載于CNC的復(fù)合物(Ag/CNC復(fù)合物)，并對其抗菌性能進行了研究.采用CNC作為基底材料，擴大了銀/納米微晶纖維素復(fù)合材料的原料來源.所制備的Ag/CNC-3復(fù)合物中的納米銀顆粒粒徑均一，均勻地分散在微晶纖維素基材上，且工藝簡單易行，生產(chǎn)成本低，適合工業(yè)化推廣.

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

試劑：AgNO3(純度≥99.9%，分析純)、無水乙醇(純度≥99.5%，分析純)購于廣州化學(xué)試劑有限公司；質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的納米微晶纖維素由本實驗室制備；實驗用水為凈化的二次去離子水，25℃時電阻率≥18.2 MΩ·cm.

儀器：JEOL-2010型透射電子顯微鏡(TEM，加速電壓200kV)；TG16-WS臺式高速離心機(湘儀離心機)；KQ3200E型超聲波儀器(昆山超聲儀器有限公司)；傅里葉紅外光譜儀FTIR(EQUINOX-55，Thermo Electron Corporation) 分析；電子天平(BS124S，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司).

1.2 合成Ag/CNC復(fù)合物

取10 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的CNC置于500 mL燒杯中，再加入200 mL的DI水，超聲15 min使其分散，然后逐滴加入新配制的1×10-3mol/L的AgNO3溶液5 mL.在超聲反應(yīng)時間分別為20，40，60，80 min時，制備了樣品Ag/CNC-1，Ag/CNC-2，Ag/CNC-3和Ag/CNC-4.將上述制得的樣品分別在10000 r/min下離心分離15 min，并依次用無水乙醇和DI水(Ag/CNC納米復(fù)合物在DI水中具有良好的可溶性)對產(chǎn)物進行洗滌.最后，將得到的樣品在60 ℃真空中干燥3 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 TEM分析

圖1為不同超聲反應(yīng)時間下制備的納米銀負(fù)載于納米微晶纖維素的Ag/CNC納米復(fù)合材料的TEM圖.從圖1(a)看出，超聲反應(yīng)為20 min時，得到的納米銀顆粒較小，但納米銀負(fù)載不均勻.從圖1(b)看出，Ag/CNC-2的納米銀粒徑比Ag/CNC-1的大，分布稍均勻，但顆粒大小不均.繼續(xù)延長超聲反應(yīng)時間至60 min時，從圖1(c)可看出，在CNC表面分布的納米銀顆粒大小均勻，為球形顆粒，粒徑在30～50 nm，銀納米粒子均勻地覆蓋CNC表面.圖1(d)是超聲反應(yīng)80 min的Ag/CNC-4的TEM圖.圖1(d)顯示，CNC表面的銀顆粒大小不均，呈團聚狀.說明用超聲反應(yīng)法可制備出Ag/CNC復(fù)合物，但受超聲反應(yīng)時間的影響較大.從上面的測試結(jié)果得出其影響機制如下：初期，隨著超聲還原時間的增加，不斷有銀納米粒子生成，是納米銀逐漸增多的過程，在此過程銀粒子較少且分布不均.當(dāng)超聲時間達到一定時間時，本實驗為60 min，生成的納米銀顆粒大小均一，并均勻地覆蓋CNC表面.后期，當(dāng)超聲反應(yīng)時間足夠長時，生成的納米銀粒徑增大并出現(xiàn)團聚.從圖1可知，CNC的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為納米銀生成提供了空間.因此，CNC可以作為負(fù)載納米銀的載體.當(dāng)超聲反應(yīng)時間為60 min時，獲得的Ag/CNC復(fù)合物的納米銀顆粒大小均勻，負(fù)載量足夠多，且在CNC表面分布均勻.

圖1 Ag/CNC復(fù)合物的TEM圖像照片

2.2 XRD分析

分別對基體CNC和負(fù)載銀后的復(fù)合物Ag/CNC進行X-衍射儀分析，如圖2所示.

圖2(a)是CNC的XRD圖.從圖2(a)可觀察到三個強峰，這3個峰位分別在12°，20°，22°.其中20°處的峰最強，與典型的纖維素II的XRD圖譜一致.圖2(b)是復(fù)合物Ag/CNC-1的XRD圖.從圖2(b)可看出，Ag/CNC-1納米復(fù)合物具有明顯的銀晶體結(jié)構(gòu)特征峰，與粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF)中銀的衍射峰對比可以確認(rèn)，位于38.12°，44.12°，64.13°，78.11°處的峰分別為Ag (111)，Ag(200)，Ag(220)，Ag(311)晶面的衍射峰.衍射結(jié)果表明，銀晶體為面心立方結(jié)構(gòu)[8]， XRD顯示所制得的產(chǎn)物含有銀和CNC的衍射峰，說明產(chǎn)物為Ag/CNC復(fù)合材料.在衍射圖譜中未見有其他雜質(zhì)峰，說明制得的產(chǎn)物的純度較高.

圖2 CNC和產(chǎn)物Ag/CNC-1的X-射線衍射圖譜

2.3 紅外圖譜分析

圖3為CNC和Ag/CNC-3的紅外光譜圖.由圖3曲線b可看出，負(fù)載銀的CNC在波數(shù)2270 cm-1處出現(xiàn)了新峰，這是金屬納米銀與CNC羥基中的氧原子發(fā)生配位作用后產(chǎn)生的Ag (C-O)特征峰.CNC氫鍵締合羥基的伸縮振動特征峰也有所改變，從3415 cm-1移至3446 cm-1，說明銀與羥基之間形成了配位鍵，破壞了CNC分子之間的氫鍵.

另外,CNC吸收水分后-CH伸縮振動產(chǎn)生的特征峰1618 cm-1，負(fù)載納米銀后移至1640 cm-1處，這可能也是由于銀與羥基之間形成了配位鍵而破壞了CNC分子之間的氫鍵，使CNC吸收的水量發(fā)生變化，導(dǎo)致特征峰發(fā)生偏移.由此可推斷，納米銀與CNC上的羥基發(fā)生了配位作用.

2.4 抗菌性能

圖3 CNC和Ag/CNC-3的傅里葉紅外圖譜

圖4為Ag/CNC納米復(fù)合材料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌環(huán)照片，表1列出了抑菌環(huán)數(shù)據(jù).抑菌環(huán)法是根據(jù)抑菌圈直徑定性地判斷其抗菌性能，抑菌圈越大，抗菌性越強.該抑菌環(huán)法操作簡單，直觀性好，肉眼可辨認(rèn).從圖4可以看出，純CNC周圍沒有形成抑菌環(huán)(中心部位的樣品)，而Ag/CNC復(fù)合材料周圍則有非常明顯的抑菌環(huán)存在.

圖4 Ag/CNC抑菌環(huán)照片

Fig.4Photographs of Ag/SiO2nano-composites (Ag/CNC-1, Ag/CNC-2, Ag/CNC-3, Ag/CNC-4 and CNC(control) antibacterial test results on (a) E. coli, (b) S. aureas and (c) C. albicans

表1銀負(fù)載納米微晶纖維素的抑菌環(huán)值

Table1Diffusion disk showing the antibacterial activity of Ag/CNC nano-composites

細(xì)菌抑菌環(huán)直徑/mmAg/CNC-1Ag/CNC-2Ag/CNC-3Ag/CNC-4大腸桿菌8.512.513.313.0金黃色葡萄球菌9.215.616.215.6白色念珠菌10.316.018.417.0

由圖4和表1可知，抑菌圈的大小與Ag/CNC復(fù)合材料中的銀納米粒子的均一性和載銀量有關(guān)，抑菌環(huán)直徑呈現(xiàn)出先增大后減小，說明抑菌圈的大小與銀的負(fù)載量、表面負(fù)載銀顆粒大小及覆蓋均勻性直接相關(guān)，因此要提高產(chǎn)物的抗菌性能，其表面須均勻覆蓋一定量的納米銀粒子.由于納米銀具有小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，其抗菌性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于微米級銀粒子，所以本研究制得的納米銀顆粒具有很強的抗菌性.關(guān)于納米銀的抗菌機理，現(xiàn)有的研究認(rèn)為，銀原子的殺菌過程均是通過與細(xì)胞膜作用，使其失去正常傳輸介質(zhì)的能力，而導(dǎo)致細(xì)菌死亡.銀原子可在細(xì)胞壁的外部形成不規(guī)則的凹陷，進而影響細(xì)胞膜的通透性，致使銀顆粒在細(xì)胞內(nèi)堆積而使細(xì)菌死亡[9].

金屬銀離子在纖維素表面的還原反應(yīng)與CNC表面官能團有關(guān)，其機理可能如下：金屬銀離子的還原與CNC粒子表面吸附的OH-有關(guān)，首先Ag+由溶液擴散到CNC粒子表面，然后Ag+與CNC粒子表面富集的OH-反應(yīng)生成氧化銀，最后Ag2O在超聲作用下逐漸還原析出金屬銀.由于CNC粒子表面為銀的成核反應(yīng)提供了富集反應(yīng)物的載體或支持面，使得銀在CNC粒子表面容易成核并成長為粒子，具體反應(yīng)式如下：

(1)

H2O )))))))H·+·OH

(2)

(3)

其中，ads代表吸附，))))))) 代表超聲反應(yīng).

3 結(jié) 論

采用CNC作為基底材料，可以明顯防止納米銀團聚，且Ag/CNC復(fù)合物在水中具有良好的可溶性.超聲反應(yīng)60 min時，所制得的Ag/CNC-3納米復(fù)合物中納米銀顆粒大小均勻，可均勻地分散在CNC表面，其抗菌活性較好.該合成工藝簡單易行，生產(chǎn)成本低，適合工業(yè)化推廣，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及抗菌性能上具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢.

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