CN103881150B - 一种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料及其制备方法。该种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料，其特征在于：由纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶混合而成。其制备方法包括以下步骤：（1）纳米银溶胶的制备；（2）纳米氧化锌溶胶的制备；（3）天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备：将步骤（1）所得纳米银溶胶与步骤（2）所得纳米氧化锌溶胶按体积比1:2‑1:3混合，得到天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。本发明所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料抗菌效果好、抗菌时效长且无毒无害。
Description
技术领域
本发明属于功能性天然高分子材料领域，特别涉及一种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，人民生活水平的提高，在追求舒适愉悦的生活方式的同时，也企盼拥有一个舒适、卫生、安全的生活环境。健康的空气、健康的水源、健康的食品、健康的住宅等等都代表了当今产品的新潮流。有害细菌一直是影响人类健康和寿命的主要因素。随着国民生活水平及健康环境意识的提高，纳米抗菌材料的需求也逐渐增大，纳米抗菌材料的研究与制备将成为重要的新兴产业领域，纳米抗菌材料对创造洁净环境、健康环境具有重要作用。
传统的抗菌材料采用铅盐、汞盐、酸盐等，本身毒性非常大、残效期较长，已经被禁止使用；而采用合成有机杀菌剂用量虽然少，效果也比较好，但是存在着有效期短、毒性大、耐热性差、化学稳定性差、容易产生抗药性等缺点。某些无机纳米粒子如纳米ZnO、纳米Ag等因具有抗菌效果好、功效长、光谱抗/杀菌以及对人和动物无毒性等优点，已经开始在一些高档涂料中使用，用于制备抗菌纳米复合环保涂料。
由于纳米粒子具有较强的表面效应，所以采用传统方法制备的纳米抗菌材料在长时间的放置后会出现纳米粒子团聚现象，直接影响到纳米抗菌材料的抗菌效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料及其制备方法，其成本低廉、制备方法简便，而且制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料抗菌效果好、抗菌时效长、对人畜无毒。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该天然高分子/无机纳米抗菌复合材料由纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶混合而成。
银系抗菌剂是通过溶出型的银离子对微生物的作用而获得抗菌特性的，其具有良好的抗菌性能，但纳米银容易团聚使其时效性受限。本发明所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料为溶胶形态，可以有效的防止纳米粒子的团聚，制备出抗菌效果优良、分散性好、稳定性高的纳米抗菌复合材料。
优选的是，所述纳米银溶胶中纳米银浓度为80-1.12×103mg/L；所述纳米氧化锌溶胶中氧化锌浓度为4×103-5×103mg/L；所述纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶体积比为1:2-1:3。
本发明还提供了上述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
（1）纳米银溶胶的制备：将桃胶制成桃胶水溶胶，再向桃胶水溶胶中加入可溶性无机含银化合物，室温下搅拌至可溶性无机含银化合物完全溶解，再将此含银溶胶加热至100-120℃，反应3-4h，并冷却至室温，加水稀释，得到银离子浓度为80-1.12×103mg/L的含银溶胶；
（2）纳米氧化锌溶胶的制备：室温下，将3-3.5重量份醋酸、0.2-0.4重量份壳聚糖溶于100重量份水中，再加入11-13重量份尿素，搅拌溶解后加入20-23重量份可溶性锌盐，搅拌溶解后加热至75-85℃，反应3-6h，并加水稀释，得到氧化锌浓度为4×103-5×103mg/L的纳米氧化锌溶胶；
（3）天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备：将步骤（1）所得纳米银溶胶与步骤（2）所得纳米氧化锌溶胶按体积比1:2-1:3混合，得到天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
上述步骤（1）中，桃胶同时起到还原剂和稳定剂的作用，一方面，桃胶中带有醛基和羟基的糖类物质和可溶性无机含银化合物发生氧化还原反应生成纳米银；另一方面，纳米银粒子附着或被缠绕在桃胶中未参加反应的多糖和少量蛋白质的长链状结构上，起到稳定的作用。步骤（2）中壳聚糖用作分散剂，尿素用作还原剂和醋酸锌发生氧化还原反应制得纳米氧化锌。所用壳聚糖本身也有抗菌性能。
优选的是，步骤（1）所述桃胶水溶胶由桃胶溶于水，除去杂质，并经干燥、粉碎处理，过250目的筛子，得到桃胶粉末，再将桃胶粉末溶于水中得到3×103-7×103mg/L的溶液，离心取上层清液得到。
进一步优选的是，所述干燥是置于烘箱中于60℃干燥36h；所述离心是置于离心机中3000转离心2min。
优选的是，步骤（1）所述可溶性无机含银化合物包括硝酸银或硫酸银。
优选的是，步骤（2）所述可溶性锌盐为Zn(CH3COO)2·2H2O或ZnSO4·7H2O。
需要说明的是，所述室温为10-30℃。
本发明所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料可直接用作杀菌液，取适当浓度可以杀灭99%以上大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌等有害细菌。
桃胶系桃或山桃等蔷薇科植物树干受机械伤或致病后分泌出来的胶质半透明物质，桃胶中的主要成分是多糖、蛋白质等，具有一定的杀菌保护作用。组成桃胶多糖的单糖主要由***糖和半乳糖组成，另外还含有少量的鼠李糖、甘露糖等，可作为还原剂和稳定剂使用。桃胶资源丰富，价廉易得，但是将桃胶工业化利用的研究，目前仍处于起步阶段。
另外，本发明所述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料可用作抗菌添加剂，用于制备抗菌涂料、纺织品、洗涤剂等化工产品。
本发明的有益效果是：有效地解决了现有技术中纳米银抗菌剂时效短，成本昂贵的问题，利用桃胶制备得到抗菌效果好、抗菌时效长、无毒无害的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。测试结果表明，本抗菌复合材料对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌均有良好的杀灭效果。
附图说明
图1为本发明实施例一所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对大肠埃希菌最小杀菌浓度（MBC）测试的照片；
图2为本发明实施例一所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对金黄色葡萄球菌最小杀菌浓度（MBC）测试照片；
图3为本发明实施例一所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度（MIC）测试照片；
图4为本发明实施例二所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度（MIC）测试照片；
图5为本发明实施例四所制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度（MIC）测试照片。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明所采用的的桃胶为市售天然桃胶。
本发明实施例所用受试菌株为武汉大学中南医院提供的大肠埃希菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923），细菌纯化培养后接种普通营养液体培养基。
实施例一
将100g桃胶溶于1L蒸馏水中，待桃胶溶胀后除去残留树皮等杂质，再将剩余桃胶水溶胶放入烘箱中于60℃干燥36h，干燥后将其用粉碎机粉碎，并用250目的筛子过筛，过筛后得到粒径小于3μm的桃胶粉末。取桃胶粉末2g溶于400mL水，待完全溶解后，将其置于离心机中3000转离心2min，取上层清液得到360mL桃胶水溶胶。
取上述桃胶水溶胶200mL中加入0.048g硝酸银，室温（25℃）下搅拌，待其溶解后放入磁力加热搅拌器中加热搅拌，温度设定为100℃，反应3小时，冷却到室温，并加水稀释，得到浓度为168mg/L的金黄色纳米银溶胶。
向100mL蒸馏水中加入3mL的醋酸和0.25g壳聚糖，待其完全溶解后加入12g尿素，再加入21.95g醋酸锌，待其完全溶解后，将溶液导入250mL的三口烧瓶中，80℃缓慢搅拌情况下保温4小时，得到含絮凝状物质的白色溶胶，室温静置12h后呈透明溶胶，加水稀释，得到浓度为4.575×103mg/L纳米氧化锌溶胶。
将上述制得的纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶按体积比1:2混合，制得天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
采用试管双倍稀释法测定上述抗菌复合材料的最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC），检测方法如下：
1.最低抑菌浓度（MIC）的测定
将本实施例制备得到的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料倍比稀释后得到的不同浓度的抗菌液分别加到灭菌的20孔聚氯乙烯酶标板中，上、下两排的第1至第9孔加抗菌液，每孔10μL，第10孔不加抗菌剂作为生长对照，冰冻干燥后密封，-20℃以下保存备用。
将培养18至24h的大肠埃希菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923）菌落调配成0.5麦氏标准比浊管的菌悬液，将制备的标准菌悬液经1:1000稀释后，向上述每孔中加100μL，密封后置35℃普通生化培养箱中，培养24h后判断结果。通过目测，以在小孔内完全抑制细菌生长的最低抗菌液浓度为MIC（小孔透明说明抗菌效果好，细菌菌落没有生长；出现浑浊则说明有菌种生长）。
2.最小杀菌浓度（MBC）测定
将培养18至24h的大肠埃希菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923）菌落调配成0.5麦氏标准比浊管的菌悬液，用营养肉汤将上述配置好的菌悬液进行1:1000稀释等候备用。取浓度为1.5×106个/mL的菌悬液0.2mL接种至1.8mL不同浓度的抗菌液及未加抗菌复合材料作为对照的培养基中，划线接种普通营养琼脂平板上培养，37℃培养24h后观察判断不同浓度的抗菌液对两种菌的抗菌效果。稀释浓度及抗菌测试结果如下表所示：
注：+表示具有灭菌效果；-表示没有灭菌效果
抗菌材料对两种菌的抗菌实验的测定结果分别如图1、图2、图3。图1为大肠埃希菌在不同浓度抗菌液中的生长情况，从1到10号，纳米粒子的含量越来越少，5号是大肠埃希菌的最低杀菌浓度，此时纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为0.7mg/L和38.125mg/L。图2为金黄色葡萄球菌在不同浓度抗菌液中的生长情况，从1到10号，纳米粒子的含量越来越少，7号是大肠埃希菌的最低杀菌浓度，此时纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为0.175mg/L和9.5313mg/L。根据图3抗菌测试MIC效果照片（上排大肠杆菌，下排金黄色葡萄球菌），对于大肠埃希菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:64时溶液出现浑浊，此时纳米银浓度为0.35mg/L,纳米氧化锌浓度为19.0625mg/L。对于金黄色葡萄球菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:256时溶液出现浑浊，此时纳米银浓度为0.0875mg/L,纳米氧化锌浓度为4.765mg/L。
通过测定结果发现所制得的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料对大肠埃希菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923）都有很好的抗菌效果。
实施例二
将100g桃胶溶于1L蒸馏水中，待桃胶溶胀后除去残留树皮等杂质，再将剩余桃胶水溶胶放入烘箱中于60℃干燥36h，干燥后将其用粉碎机粉碎，并用250目的筛子过筛，过筛后得到粒径小于3μm的桃胶粉末。取桃胶粉末2g溶于400mL水，待完全溶解后，将其置于离心机中3000转离心2min，取上层清液得到360mL桃胶水溶胶。
取上述桃胶水溶胶200mL中加入0.024g硝酸银，室温25℃下搅拌，待其溶解后放入磁力加热搅拌器中加热搅拌，温度设定为100℃，反应3小时，冷却到室温，加水稀释得到浓度为84mg/L金黄色纳米银溶胶。
向100mL蒸馏水中加入3.3mL的醋酸和0.4g壳聚糖，待其完全溶解后加入13g尿素，再加入23g醋酸锌，待其完全溶解后，将溶液导入250mL的三口烧瓶中，80℃缓慢搅拌情况下保温4小时，得到含絮凝状物质的白色溶胶，室温静置12h后呈透明溶胶，加水稀释，得到浓度为4.778×103mg/L纳米氧化锌溶胶。
将上述制得的纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶按体积比1:2混合，制得天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
采用与实施例一相同的方法对本实施例制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料进行测试：大肠埃希菌的最低杀菌浓度为纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为0.7mg/L和38.125mg/L；金黄色葡萄球菌的最低杀菌浓度为0.7mg/L和38.125mg/L。如图4，抗菌测试MIC照片（上排大肠杆菌，下排金黄色葡萄球菌）显示，对于大肠埃希菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:64时溶液出现浑浊，对于金黄色葡萄球菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:64时溶液出现浑浊，而在浓度大于1:64时对大肠埃希菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923）都有很好的抗菌效果。
实施例三
将100g桃胶溶于1L蒸馏水中，待桃胶溶胀后除去残留树皮等杂质，再将剩余桃胶水溶胶放入烘箱中于60℃干燥36h，干燥后将其用粉碎机粉碎，并用250目的筛子过筛，过筛后得到粒径小于3μm的桃胶粉末。取桃胶粉末2g溶于100mL水，待完全溶解后，将其置于离心机中3000转离心2min，取上层清液得到90mL桃胶水溶胶。
向上述桃胶水溶胶中加入0.144g硝酸银,室温25℃下搅拌，待其溶解后放入磁力加热搅拌器中加热搅拌，温度设定为100℃，反应3小时，冷却到室温，并加水稀释，得到含少许红棕色沉淀浓度为1120mg/L的红棕色纳米银溶胶。
向100mL蒸馏水中加入2.85mL的醋酸和0.2g壳聚糖，待其完全溶解后加入11g尿素，再加入20g醋酸锌，待其完全溶解后，将溶液导入250mL的三口烧瓶中，80℃缓慢搅拌情况下保温4小时，得到含絮凝状物质的白色溶胶，室温静置12h后呈透明溶胶，加水稀释，得到浓度为4.175×103mg/L纳米氧化锌溶胶。
将上述制得的纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶按体积比1:3混合，制得天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
采用与实施例一相同的方法对本实施例制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料进行测试，测试结果显示：大肠埃希菌的最低杀菌浓度为纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为11.2mg/L和610mg/L。金黄色葡萄球菌的最低杀菌浓度为纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为5.6mg/L和305mg/L。抗菌测试MIC显示：对于大肠埃希菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:8时溶液出现浑浊，对于金黄色葡萄球菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:8时溶液出现浑浊。
实施例四
将100g桃胶溶于1L蒸馏水中，待桃胶溶胀后除去残留树皮等杂质，再将剩余桃胶水溶胶放入烘箱中于60℃干燥36h，干燥后将其用粉碎机粉碎，并用250目的筛子过筛，过筛后得到粒径小于3μm的桃胶粉末。取桃胶粉末1g溶于400mL水，得到桃胶水溶胶。待完全溶解后，将其置于离心机中3000转离心2min，取上层清液得到360mL桃胶水溶胶。
取上述桃胶水溶胶200mL中加入0.072g硝酸银，室温25℃下搅拌，待其溶解后放入磁力加热搅拌器中加热搅拌，温度设定为100℃，反应3小时，冷却到室温，并加水稀释，得到浓度为252mg/L的金黄色纳米银溶胶。
向100mL蒸馏水中加入3mL的醋酸和0.25g壳聚糖，待其完全溶解后加入12g尿素，再加入21.95g醋酸锌，待其完全溶解后，将溶液导入250mL的三口烧瓶中，80℃缓慢搅拌情况下保温4小时，得到含絮凝状物质的白色溶胶，室温静置12h后呈透明溶胶，加水稀释，得到浓度为4.575×103mg/L纳米氧化锌溶胶。
将上述制得的纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶按体积比1:2混合，制得天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
采用与实施例相同的方法对本实施例制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料进行测试，测试结果显示：大肠埃希菌的最低杀菌浓度为纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为0.7mg/L和38.125mg/L；金黄色葡萄球菌的最低杀菌浓度为纳米银和纳米氧化锌的浓度分别为0.7mg/L和38.125mg/L。如图5所示，抗菌测试MIC效果照片（上排大肠杆菌，下排金黄色葡萄球菌）显示：对于大肠埃希菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:64时溶液出现浑浊，对于金黄色葡萄球菌，抗菌复合材料浓度稀释到1:64时溶液出现浑浊。
由以上对本发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了常规方法制备抗菌复合材料成本高且工艺复杂的问题，同时制备的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料抗菌效果好，抗菌时效长且对无毒无害，适用于制备杀菌液、抗菌剂等，也可作为抗菌添加剂制备抗菌涂料。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种天然高分子/无机纳米抗菌复合材料，其特征在于：由纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶混合而成，所述纳米银溶胶中纳米银浓度为80-1.12×103mg/L；所述纳米氧化锌溶胶中氧化锌浓度为4×103-5×103mg/L；所述纳米银溶胶和纳米氧化锌溶胶体积比为1:2-1:3，其制备方法包括以下步骤：
(1)纳米银溶胶的制备：将桃胶制成桃胶水溶胶，再向桃胶水溶胶中加入可溶性无机含银化合物，室温下搅拌至可溶性无机含银化合物完全溶解，再将此含银溶胶加热至100-120℃，反应3-4h，并冷却至室温得到纳米银溶胶，加水稀释，得到银离子浓度为80-1.12×103mg/L的含银溶胶；
(2)纳米氧化锌溶胶的制备：室温下，将3-3.5重量份醋酸、0.2-0.4重量份壳聚糖溶于100重量份水中，再加入11-13重量份尿素，搅拌溶解后加入20-23重量份可溶性锌盐，搅拌溶解后加热至75-85℃，反应3-6h，并加水稀释，得到氧化锌浓度为4×103-5×103mg/L的纳米氧化锌溶胶；
(3)天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备：将步骤(1)所得纳米银溶胶与步骤(2)所得纳米氧化锌溶胶按体积比1:2-1:3混合，得到天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
2.根据权利要求1所述的天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)纳米银溶胶的制备：将桃胶制成桃胶水溶胶，再向桃胶水溶胶中加入可溶性无机含银化合物，室温下搅拌至可溶性无机含银化合物完全溶解，再将此含银溶胶加热至100-120℃，反应3-4h，并冷却至室温得到纳米银溶胶，加水稀释，得到银离子浓度为80-1.12×103mg/L的含银溶胶；
(2)纳米氧化锌溶胶的制备：室温下，将3-3.5重量份醋酸、0.2-0.4重量份壳聚糖溶于100重量份水中，再加入11-13重量份尿素，搅拌溶解后加入20-23重量份可溶性锌盐，搅拌溶解后加热至75-85℃，反应3-6h，并加水稀释，得到氧化锌浓度为4×103-5×103mg/L的纳米氧化锌溶胶；
(3)天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备：将步骤(1)所得纳米银溶胶与步骤(2)所得纳米氧化锌溶胶按体积比1:2-1:3混合，得到天然高分子/无机纳米抗菌复合材料。
3.根据权利要求2所述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)所述桃胶水溶胶由桃胶溶于水，除去杂质，并经干燥、粉碎处理，过250目的筛子，得到桃胶粉末，再将桃胶粉末溶于水中得到3×103-7×103mg/L的溶液，离心取上层清液得到。
4.根据权利要求3所述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其特征在于所述干燥是置于烘箱中于60℃干燥36h；所述离心是置于离心机中3000转离心2min。
5.根据权利要求2所述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)所述可溶性无机含银化合物包括硝酸银或硫酸银。
6.根据权利要求2所述天然高分子/无机纳米抗菌复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)所述可溶性锌盐为Zn(CH3COO)2·2H2O或ZnSO4·7H2O。
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- 2014-02-25 CN CN201410064284.0A patent/CN103881150B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN103881150A (zh) | 2014-06-25 |
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