一種抗菌紗布的制作和表征及其抗菌性能的探究

宋振峰， 田 旭， 高恩軍

(沈陽化工大學(xué) 遼寧省無機分子基化學(xué)重點實驗室， 遼寧 沈陽 110142)

隨著生活質(zhì)量的日益提高,人們對健康和環(huán)境意識的不斷增強,對日常生活中接觸頻繁的生活用品“抗菌、除菌”的標(biāo)準(zhǔn)要求日益嚴(yán)格.抗菌材料是指自身具有抑制或殺滅微生物的一種新型功能材料.深入開發(fā)和應(yīng)用抗菌材料對改善人類健康水平，以及減少細菌感染都具有十分重要的意義[1].在自然界中有許多物質(zhì)本身便具有良好的殺菌或抑制微生物的能力，如部分帶有特定基團的有機化合物、一些無機金屬材料及其化合物、部分礦物質(zhì)和天然物質(zhì)，如何利用并開發(fā)這些物質(zhì)的自身優(yōu)勢成為抗菌領(lǐng)域研究的關(guān)注熱點[2].

抗菌材料制備的主要手段是向本無抗菌能力的材料中加入抗菌劑，因此抗菌材料開發(fā)的關(guān)鍵是抗菌劑的選擇.抗菌劑大致可分為無機抗菌劑、有機抗菌劑和天然抗菌劑3類[3]；天然抗菌劑毒性較低、安全性高，但其存在耐熱性差、應(yīng)用范圍較窄、持續(xù)殺菌效果較差等缺點；有機抗菌劑抗菌效果優(yōu)秀，但存在高毒性、易分解、易產(chǎn)生耐藥性等問題；無機抗菌劑結(jié)構(gòu)簡單，熱穩(wěn)定性好，抗菌持續(xù)時間較長，逐漸成為抗菌劑界中的新秀.常見的無機抗菌劑多為金屬離子抗菌劑，其抗菌效果良好，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[4].其中銀離子抗菌劑最為優(yōu)秀，銀離子抗菌劑具有毒性較小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、殺菌效果優(yōu)秀、生物相容性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，尤其是比表面積巨大的銀配合物的研究成為一大熱門[5].但大部分無機銀類抗菌材料中游離出的銀離子在陽光照射下或加熱至一定溫度后易被還原成單質(zhì)銀而導(dǎo)致抗菌效果下降[6]，因此，尋找一種較為穩(wěn)定的銀離子抗菌劑成為一重大問題.

紗布作為常見的棉織品已經(jīng)滲透到日常生活中的方方面面.而細菌是影響紗布使用的重要原因之一，因此，具有自主抗菌性能的抗菌紗布便應(yīng)運而生，與普通紗布相比，抗菌紗布的衛(wèi)生自潔功能可免去許多清理與消毒工序，大大拓展了紗布的使用范圍[7].紗布表面擁有大量的纖維素，纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是擁有大量羥基的線形高分子化合物，纖維素大分子兩端的末端基上的羥基對金屬離子也具有良好的吸附作用[8].水楊酸作為一種常用的有機抗菌劑也被使用多年，且水楊酸形成的配合物擁有巨大的比表面積，穩(wěn)定的理化性質(zhì)、獨特的熱學(xué)、電學(xué)、機械性能以及良好的生物相容性，可以作為一個理想的載體為負載銀離子提供良好的載體[9].

本文實驗利用紗布表面的纖維素與水楊酸和銀離子形成的配合物相互結(jié)合，在紗布上覆蓋一層水楊酸銀配合物使紗布具有抗菌能力.使用掃描電子顯微鏡觀察水楊酸銀配合物在紗布表面的附著情況，并對紗布使用X射線衍射進行表征.最后參照國家標(biāo)準(zhǔn)探究紗布的抗菌性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與材料及設(shè)備

普通紗布，專業(yè)廠家提供；硝酸銀、水楊酸、無水乙醇，均為化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氯化鈉，分析純，天津大茂化學(xué)試劑有限公司；牛肉膏、蛋白胨、胰蛋白胨、瓊脂，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司.菌種大腸桿菌(ATCC-11229)、金黃色葡萄球菌(ATCC-6538)，中國科學(xué)院微生物保藏中心.

美國哈希DR3900型紫外分光光度計；大龍AR2140型電子分析天平；島津SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱；安捷倫SW-CJ-IG型單人凈化工作臺.

1.2 脫脂紗布的預(yù)處理

將紗布裁剪為4 cm×4 cm=16 cm2的正方形若干塊，將其浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的NaOH溶液中1 h，取出后用蒸餾水清洗后烘干.

1.3 抗菌紗布的制作

實驗采用浸漬法將水楊酸銀附著于紗布上制備抗菌紗布[10].利用硝酸銀溶液作為整理液，通過纖維素本身具有的吸附作用將整理液中的銀離子負載于紗布表面，再利用銀離子與水楊酸的配位形成配合物附著于紗布之上，多次浸漬之后便形成一層水楊酸銀配合物將紗布表面覆蓋[11]，然后通過表面的水楊酸銀配合物進行吸附并殺滅細菌.

選取若干塊經(jīng)過NaOH溶液浸泡處理的紗布浸泡于0.2 mol/L的1號AgNO3溶液中，浸泡2 h后真空烘干，此為硝酸銀紗布；再選取若干塊經(jīng)過NaOH溶液浸泡處理的紗布浸泡于0.4 mol/L的1號水楊酸溶液中，浸泡2 h后真空烘干，此為水楊酸紗布.

選取2塊經(jīng)過NaOH溶液浸泡處理的紗布浸泡于重新配制的0.2 mol/L的2號AgNO3溶液中，浸泡20 min后取出，用蒸餾水清洗烘干；再將其浸泡于重新配制的0.4 mol/L的2號水楊酸溶液中，浸泡20 min后取出，用蒸餾水清洗烘干；再將其浸泡于2號AgNO3溶液中，重復(fù)以上步驟2次，即可得到抗菌紗布(水揚酸銀紗布).

1.4 樣品的表征

使用掃描電子顯微鏡觀察附著在紗布上的水楊酸銀的形貌特征及附著情況；使用X射線衍射儀對紗布進行X射線衍射，確定附著于紗布上的物質(zhì)是否為水楊酸銀配合物.

1.5 抗菌紗布的抗菌性能研究

使用不包含抗菌劑的普通紗布、硝酸銀紗布、水楊酸紗布和抗菌紗布作為樣品，以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為測試菌種進行實驗.實驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20944.1—2007[12]配制瓊脂培養(yǎng)基和營養(yǎng)肉湯，制備實驗菌液，并使用紫外分光光度計測定菌液濃度，將菌液濃度調(diào)為國家標(biāo)準(zhǔn)中的最高濃度：5×108CFU/mL.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗菌紗布的表征

抗菌紗布制備完成后，為了能夠直觀地觀察水楊酸銀在紗布上的附著情況與形貌特征，使用掃描電子顯微鏡對普通紗布和抗菌紗布進行觀察分析，結(jié)果如圖1所示.從圖1可以清楚地看到普通紗布的纖維表面光滑平整，而抗菌紗布表面附著并沉積了較多顆粒.由圖1(b)可以看出抗菌紗布的纖維表面較為均勻地分布著較多顆粒，這些顆粒直徑普遍較小且大部分顆粒的直徑分布在1 μm左右.

利用X射線衍射儀對純水楊酸銀粉末、普通紗布和抗菌紗布進行X射線衍射，XRD結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出：純水楊酸銀的樣品中能夠觀察到一個衍射峰，同時普通紗布因纖維素獨有的鏈狀結(jié)構(gòu)也能夠清晰地觀察到一個衍射峰.水楊酸銀紗布上的水楊酸銀配合物因負載量較少而具有較弱的衍射強度，從圖2可以看出水楊酸銀紗布的衍射峰與純水楊酸銀、普通紗布兩種物質(zhì)的衍射峰相對應(yīng)，證明水楊酸銀成功地附著在普通紗布上[13].

圖1 不同放大倍率下的普通紗布與抗菌紗布的SEM照片

圖2 純水楊酸銀、普通紗布和水楊酸銀紗布的XRD

2.2 紗布的抗菌性能評價

選取大腸桿菌與金黃葡萄球菌作為測試菌種，采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的瓊脂平皿擴散法對各試樣進行抑菌圈測試，通過測量并計算培養(yǎng)皿上抑菌圈的大小，并參考國家標(biāo)準(zhǔn)對紗布作出抗菌評價，以此探究本次實驗制備的抗菌紗布的抗菌性能，測試結(jié)果如圖3和圖4所示.

1 普通紗布 2 抗菌紗布 3 硝酸銀紗布 4 水楊酸紗布

1 普通紗布 2 抗菌紗布 3 硝酸銀紗布 4 水楊酸紗布

每個試樣至少測量3處，試樣的抑菌帶寬度

計算公式為

H=(D-d)/2.

式中：H為抑菌帶寬度，mm；D為抑菌帶外徑平均值，mm；d為試樣直徑，mm.

抑菌帶寬度計算結(jié)果如表1所示.

表1 各試樣抑菌帶寬度

計算抑菌帶寬度后，用鑷子將試樣從瓊脂基上移去，觀察紗布下的細菌繁殖情況，如圖5和圖6所示.

根據(jù)抑菌帶寬度與試樣下細菌的繁殖程度以及國家標(biāo)準(zhǔn)(見表2)評價每個試樣的抗菌效果.

1 水楊酸紗布過 2 抗菌紗布 3 硝酸銀紗布 4 普通紗布

1 普通紗布 2 抗菌紗布 3 硝酸銀紗布 4 水楊酸紗布

表2 國家標(biāo)準(zhǔn)[12]中的抗菌效果評價

根據(jù)表1計算結(jié)果與表2的比對，初步判斷普通紗布沒有抗菌能力，用硝酸銀處理的紗布和水楊酸處理的紗布具有有限的殺菌效果，而抗菌紗布具有明顯的殺菌效果.

為進一步證明抗菌紗布的抗菌效果，選取大腸桿菌與金黃色葡萄球菌進行抑菌率檢測實驗.菌液濃度仍為5×108CFU/mL.表3為普通紗布、硝酸銀紗布、水楊酸紗布和抗菌紗布的抑菌率.由表3可知抗菌紗布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達到99 %和95 %以上，抗菌效果顯著.

表3 各試樣的菌落數(shù)和抑菌率

2.3 抗菌紗布的抗菌機理

從上述實驗結(jié)果可以得知水楊酸銀紗布的抗菌性能優(yōu)于水楊酸紗布和硝酸銀紗布.這是因為從紗布上擴散的水楊酸根溶解并破壞細菌的細胞壁使細菌的細胞膜外露，由于細菌的細胞膜帶負電荷，而銀離子帶正電荷，當(dāng)銀離子與細菌相遇時，它們就會因為微動力效應(yīng)在庫侖力的作用下緊密結(jié)合.隨后銀離子會穿過細菌的細胞膜進入細菌體內(nèi)，與細菌體內(nèi)蛋白上的巰基發(fā)生反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，進而使細菌體內(nèi)的酶失活，影響細菌的翻譯轉(zhuǎn)錄功能，使細菌失去繁殖能力而死亡.水楊酸根和銀離子的作用同時進行，使得殺菌效率明顯提高.

3 結(jié) 論

通過浸漬法利用紗布表面的纖維素將水楊酸銀附著在紗布上，制作了一種具有自主抗菌能力的抗菌紗布，并利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對紗布表面的水楊酸銀進行了表征，結(jié)果表明水楊酸銀附著效果良好，顆粒直徑在1 μm左右.

銀離子借助纖維素的吸附能力，并與水楊酸配位形成的水楊酸配合物有效地增強了銀離子的穩(wěn)定性與抗菌能力；參考國家標(biāo)準(zhǔn)對抗菌紗布進行了抗菌評價，結(jié)果表明抗菌紗布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別達到99 %和95 %以上，抗菌效果明顯強于硝酸銀紗布與水楊酸紗布，抗菌效果顯著.