銀-稀土復(fù)合抗菌劑制備及應(yīng)用研究

徐 健，劉麗瑜，梁 健，劉永龍*，黃衛(wèi)軍，黃小茉，施慶珊

1.廣東迪美生物技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510530；2.廣東省微生物研究所，廣東 廣州 510530

隨著衛(wèi)生安全意識的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生和健康的關(guān)注更加強(qiáng)烈[1-3]。長時間的居家活動增加了人們在家中感染病毒、細(xì)菌等的風(fēng)險。因此，在日常清潔、購置家具和室內(nèi)裝修中，抗菌類材料逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。從不同角度來看，研究開發(fā)高效抗菌劑對于滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑πl(wèi)生安全的需求至關(guān)重要。

在以往的研究中，趙蘇等于2012年發(fā)現(xiàn)的鑭-ZnO 稀土復(fù)合抗菌劑明顯提高了ZnO 的光催化活性和抗菌性能[4]，對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌混合體的抗菌率為94%。但是，鋅離子本身的抗菌活性較差，需要較高的添加濃度才能達(dá)到一定的抗菌要求。為了克服銀納米材料在應(yīng)用中的局限性，王麗娟等在2019年制備了一系列銀/稀土復(fù)合抗菌劑[5]。其中，通過水熱法成功合成了具有花狀形態(tài)的CeF3 納米顆粒，在其表面修飾了殼聚糖（CTS）和羧甲基殼聚糖(CMCTS），并負(fù)載了銀納米顆粒合成銀/CTS/CeF3 和銀/CMCTS/CeF3 復(fù)合材料。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，隨著稀土元素濃度的增加，材料的抗菌性能越來越好了。不過，由于以CeF3 為載體合成的樣品表面修飾的殼聚糖和羧甲基殼聚糖有限，盡管能夠改善該復(fù)合材料的分散性，卻無法有效提高其抗菌活性，從而限制了其應(yīng)用范圍。

SBA-15 分子篩具有高度有序、大孔徑介孔結(jié)構(gòu)均勻的特點(diǎn)，其孔徑大小和孔道結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整合成條件和合成模板來實(shí)現(xiàn)[6]。在催化、分離和吸附等領(lǐng)域，SBA-15 分子篩展現(xiàn)了廣泛的可能性和應(yīng)用前景[7]。通過將銀離子和稀土離子摻雜入SBA-15 介孔載體中，本研究成功制備了銀-稀土復(fù)合抗菌劑，它有望成為一種具有卓越抗菌特性和廣泛應(yīng)用前景的新型材料。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要實(shí)驗材料

P123（聚乙二醇-聚丙三醇-聚乙二醇三嵌段共聚物EO20-PO70-EO20，M 5800，Aldrich）、正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸鈰（Ce（NO3）3）、硝酸鑭（La（NO3）3·6H2O）、硝酸釹（Nd（NO3）3）、硝酸釤（Sm（NO3）3）、硝酸銪（Eu（NO3）3）均為分析純，購買自上海阿拉丁試劑有限公司；營養(yǎng)肉湯（NB）、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基（NA）購買自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC 6538、大腸埃希氏菌（Escherichia coli）ATCC 25922。

1.2 主要實(shí)驗設(shè)備

水熱反應(yīng)釜（JTF-50，北京吉泰遠(yuǎn)成科技有限公司）、馬弗爐（SX-G02123，天津市中環(huán)實(shí)驗電爐有限公司）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS（XII，美國賽默飛世爾公司）、發(fā)射掃描電子顯微鏡（SU-8000，日本）、集熱式磁力攪拌器（DF-101S，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

1.3 抗菌劑制備

1.3.1 SBA-15 模板劑制備

參考文獻(xiàn)中提到的制備方法[8]，優(yōu)化條件，在酸性條件下以三嵌段共聚物PEO.PPO.PEO（P123）為模板劑，正硅酸乙酯（TEOS）為硅源合成純硅結(jié)構(gòu)SBA-15，原料物質(zhì)的量比為n（P123）∶n（HCl）∶n（H2O）∶n（TEOS）=1∶350∶11 600∶60。具體合成步驟如下：稱取一定量的P123，根據(jù)原料物質(zhì)的量加入2 mol/L 的鹽酸和蒸餾水混合均勻，40℃水浴并攪拌1 h 使其溶解，然后加入一定量的TEOS，繼續(xù)攪拌24 h，裝入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，在100 ℃的烘箱中靜置晶化48h，冷卻后抽濾并用蒸餾水洗滌，烘干后得到SBA-15 原粉；將該SBA-15 原粉轉(zhuǎn)至馬弗爐中，在空氣氣氛中以1 ℃/min 的速率升溫至550 ℃，然后在此溫度下焙燒5 h，即可得到SBA-15 樣品，萃取SBA-15 樣品后，制得SBA-15 介孔載體。

1.3.2 銀-稀土抗菌劑的制備

參考文獻(xiàn)中的制備方法[9]及優(yōu)化條件，在含有0.014 7 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸鈰（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液中加入10 g 預(yù)先制備的SBA-15 介孔載體，在室溫下攪拌20 h，然后將反應(yīng)混合物轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，在100 ℃下靜置48 h，然后取出反應(yīng)釜在流動自來水下冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到燒杯中，用氫氧化鈉溶液調(diào)pH 至7.5，然后經(jīng)48 h 水熱處理，取出反應(yīng)釜自然冷卻，經(jīng)洗滌、抽濾、干燥，得到載Ag+∶Ce3+=1∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取含有0.029 4 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸鈰（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶Ce3+=2∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸鈰（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶Ce3+=3∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸鑭（La（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶La3+=3∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸釹（Nd（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶Nd3+=3∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸釤（Sm（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶Sm3+=3∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

取0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸銪（Eu（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制備方法相同，得到載Ag+∶Eu3+=1∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。

1.3.3 銀抗菌劑的制備

將10 g 預(yù)先制備的SBA-15 介孔載體加入含有0.044 1 mol/L 硝酸銀（AgNO3）的100 mL 混合水溶液中，室溫下攪拌20 h。然后將反應(yīng)混合物轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，在100 ℃條件下靜置48 h。然后取出反應(yīng)釜，在流動自來水下冷卻至室溫，將其轉(zhuǎn)移到燒杯中，使用氫氧化鈉溶液調(diào)pH 至7.5，隨后進(jìn)行48 h 的水熱處理，取出反應(yīng)釜并自然冷卻，進(jìn)行洗滌、抽濾、干燥、煅燒等步驟，最終得到載銀抗菌劑。

1.3.4 抗菌塑料材料的制備

研究復(fù)合銀-稀土離子的引入策略及其與其他納米材料間的相互作用對于進(jìn)一步開發(fā)高效抗菌材料在醫(yī)療和環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用價值具有重要意義。因此，取ABS 塑料、聚乙烯（PE）材料、聚丙烯（PP）材料、TPR 熱塑性橡膠材料、熱塑性聚氨酯橡膠等材料母粒，加熱至熔融狀態(tài)，以0.1%的添加比例將抗菌劑加入其中，經(jīng)過降溫冷卻、固化，得到抗菌塑料片。

1.4 銀含量檢測

銀含量的檢測方法參考文獻(xiàn)《化妝品安全技術(shù)規(guī)范（2015年版）》[10]，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測試，根據(jù)公式1 計算得到樣品的銀含量。

式中：w（Ag）為樣品中銀元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；ρ1為測試溶液中待測元素的質(zhì)量濃度，μg/L；ρ0 為空白溶液中待測元素的質(zhì)量濃度，μg/L；V 為樣品消化液總體積，mL；m 為樣品取樣量，g。

1.5 抗菌性能檢測

抗菌塑料材料抗菌性能的檢測參照標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2591-2003《抗菌塑料——抗菌性能試驗方法和抗菌效果》附錄A 的檢測方法[11]。通過接種大腸埃希氏菌（簡稱大腸）、金黃色葡萄球菌（簡稱金葡）測試對這兩種細(xì)菌的抵抗能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗菌劑的制備

研究過程中基于模板劑的分子自組裝能力形成圓柱形膠束，接著加入硅源（如Na2SiO·H2O 或正硅酸乙酯TEOS）填充膠束間的空隙，最后形成硅骨架結(jié)構(gòu)，即所示的SBA-15 介孔載體（詳見圖1（a）和圖1（b））。接下來，經(jīng)過煅燒去除模板劑后，將銀離子/稀土離子摻雜進(jìn)SBA-15 介孔載體中，制得一種結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示的銀-稀土復(fù)合抗菌劑。在介孔納米材料領(lǐng)域，復(fù)合稀土離子被認(rèn)為是一種有效添加劑，能夠增強(qiáng)材料對細(xì)菌和真菌的抑制作用。

圖1 銀稀土復(fù)合抗菌劑形成機(jī)理圖

2.2 復(fù)合抗菌劑銀含量結(jié)果分析與表征

本研究采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測試方法測定銀-稀土復(fù)合抗菌劑中的銀含量，具體測試結(jié)果詳見表1?；阢y離子的理論值和實(shí)際測試結(jié)果，我們進(jìn)一步計算并獲得了SBA-15 介孔載體的負(fù)載率。值得注意的是，隨著硝酸銀與稀土元素摩爾比的增加，銀的負(fù)載率呈遞減趨勢，并且不同的稀土元素對SBA-15 負(fù)載率的影響程度存在差異。其中，樣品3 中的銀含量約為3.65%，對應(yīng)的負(fù)載率約為76.7%。

表1 銀-稀土復(fù)合抗菌劑的基礎(chǔ)性能測試結(jié)果

表2 含復(fù)合抗菌劑塑料的抗菌性能表

本研究對樣品3 進(jìn)行掃描電鏡觀察，根據(jù)圖2呈現(xiàn)的電鏡圖像，我們觀測到制備的SBA-15 介孔載體內(nèi)部存在規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)，表明所得到的介孔載體形狀規(guī)則，具有較高的比表面積。在該載體的負(fù)載過程中，溶液中的游離銀稀土元素被有效載入SBA-15 介孔載體，并引起了外殼的不規(guī)則變形。需要注意的是，蔡國輝等學(xué)者的研究結(jié)果[12]與本研究所得的結(jié)果有相似之處，這可能與在制備過程中加入硝酸鹽導(dǎo)致溶液的pH 偏酸有關(guān)，同時這種變形也因為銀稀土元素與分子篩外殼的相互作用而影響了SBA-15 介孔載體骨架的形成過程。

圖2 SBA-15 分子篩電鏡圖（左）與銀-稀土分子篩電鏡圖（右）

2.3 抗菌性能分析

本研究制備了塑料薄板，并對其進(jìn)行抗菌性能測試，以模擬抗菌塑料的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。通過對抗菌測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)銀含量的增加顯著提高了復(fù)合抗菌材料的抗菌性能。具體而言，樣品1-3的含銀量越高，其抑菌效果就越明顯。這可能是銀離子與細(xì)菌細(xì)胞膜和DNA 等成分相互作用，引起其結(jié)構(gòu)和功能變化，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。此外，我們觀察到不同的稀土元素表現(xiàn)出的抑菌效果各異，但整體而言其差異并不顯著，復(fù)合稀土元素方案提高抗菌性能的效果并不明顯。在樣品3（Ag+∶Ce3+=3∶1）中，我們觀察到最佳抗菌性能，表明Ce3+在復(fù)合抗菌方案中具有協(xié)同抗菌的最佳效果。在添加稀土元素的過程中，我們推測其抗菌性能提高的原理可能是：相較于僅含銀離子的納米復(fù)合抗菌劑，引入復(fù)合稀土離子有助于提高銀離子在介孔中的分散程度，增加其與硅骨架的接觸面積，形成更多的銀納米線，從而顯著提高銀-稀土復(fù)合抗菌劑的抗菌效能。這也能夠解釋為何在本研究中，含銀和鈰的復(fù)合樣品表現(xiàn)出最佳抗菌性能，可能是由于Ce3+離子具有良好的氧化還原能力，能與銀離子表現(xiàn)出協(xié)同抑菌效果，促進(jìn)其在介孔載體中分散并增加其與細(xì)菌的接觸面積，從而提高抗菌劑的抑菌效果。

3 結(jié)論

本研究采用水熱法制備了一系列銀-稀土復(fù)合抗菌劑。通過掃描電鏡表征，證明復(fù)合材料SBA-15具有有序的介孔二維六角孔道結(jié)構(gòu)。其中，載Ag+∶Ce3+=3∶1 的銀-稀土復(fù)合抗菌劑表現(xiàn)出最佳性能，具體為銀含量3.65%，載銀率76.7%，該抗菌劑應(yīng)用于塑料材料中后，對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌抗菌率均超過99%。介孔復(fù)合抗菌材料的結(jié)構(gòu)和制備過程展現(xiàn)出可調(diào)整的介孔結(jié)構(gòu)和空間效應(yīng)，有望優(yōu)化其抗菌性能。因此，未來的研究可以進(jìn)一步調(diào)控復(fù)合介孔載體的結(jié)構(gòu)和性能，以實(shí)現(xiàn)更高效和實(shí)用的抗菌材料的制備。