CN106085226B - 一种复合抗菌涂层物质、制备方法及其应用 - Google Patents

一种复合抗菌涂层物质、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合抗菌涂层物质的制备方法，该方法包括如下步骤：将改性聚乙二醇接枝的壳聚糖与没食子酸修饰的纳米银粒子置于水溶液中混合均匀，即得所述复合抗菌涂层物质；混合后，所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的浓度不低于1.2mg/ml，所述没食子酸修饰的纳米银粒子的浓度不低于0.12mg/ml；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的接枝率不高于20％；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖中所述改性聚乙二醇的分子量为1000～20000，所述壳聚糖分子量为5000～500000。本发明还提供了由上述方法制备得到的复合抗菌涂层物质及其应用。本发明所得复合抗菌涂层物质的抗菌性能优秀；本发明的制备方法简单，成本低廉；本发明所得复合抗菌涂层物质适于各种表面抗菌应用。

Description

一种复合抗菌涂层物质、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于表面抗菌领域，具体涉及一种复合抗菌涂层物质、制备方法及其应用。
背景技术
菌类微生物通过在物体表面粘附、繁殖和增生进而形成生物膜。而生物膜的形成则会给人类的健康带来威胁。例如，衣物和鞋类表面的生物膜不仅会对物品的质量造成损害，更有可能给易感染人群造成皮肤病。为了解决这一问题，人们致力于赋予表面抗菌的功能，能够抑制细菌的繁殖和生物膜的形成。对于一种理想的抗菌表面，应同时具有三种功能：(1)首先能够阻抗细菌在表面的粘附；(2)能够有效地将粘附的细菌杀死；(3)被杀死的细菌尸体能够比较容易的从表面清除。为了获得这种理想的抗菌表面，在基体上构建抗菌涂层成为一种方便可行的方式。而构成抗菌涂层的材料则应具备上述提及的三种抗菌功能。
目前，在皮革的表面抗菌领域，现有的抗菌产品要么不能使得皮革具备抗菌性(仅对皮革进行一次性的抗菌剂喷施处理)，要么所用抗菌产品(如五氯苯酚、富马酸二甲酯)对人体健康和环境有危害。
为了克服上述缺点，本领域研究人员尝试从天然植物中寻找可用于皮革表面抗菌的物质，如百里香植物精油(SirvaitytéJ，SiugzdaitéJ，Valeika V，et al.Applicationof essential oils of thyme as a natural preservative in leather tanning[J].Proceedings ofthe Estonian Academy of Sciences，2012，61:220–227)。与此同时，危害性更小的人工合成抗菌物质的研究也在积极的开展，如纳米氧化锌粒子(Nawaz H R，Solangi A，Zehra B.Preparation of Nano Zinc Oxide and its Application inLeather as a Retanning and Antibacterial Agent[J].Canadian JournalonScientific and IndustrialResearch，2011，2:164–170)。
然而，现有的天然物质的抗菌性能较差，需要较大的施用量；而纳米氧化锌粒子的使用步骤较为复杂，不利于推广使用。
本发明的发明人长期致力于本领域的研究，在前期研究工作《聚乙二醇改性壳聚糖作为皮革抗菌涂层的制备及表征》中介绍了利用PEG-NO2和壳聚糖制备聚乙二醇-接枝-壳聚糖聚合物的方法，所得聚合物的抗菌性能比壳聚糖有所提升。然而，该方法所得聚合物的抗菌性能还不够高，实际应用前景有限。
因此，本领域亟需一种抗菌性能好、使用简单的抗菌涂层物质。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种复合抗菌涂层物质的制备方法，该方法包括如下步骤：
将改性聚乙二醇接枝的壳聚糖与没食子酸修饰的纳米银粒子置于水溶液中混合均匀，即得所述复合抗菌涂层物质；混合后，所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的浓度不低于1.2mg/ml，所述没食子酸修饰的纳米银粒子的浓度不低于0.12mg/ml；
所述改性聚乙二醇的化学结构式为式(Ⅰ)所示；所述改性聚乙 二醇接枝的壳聚糖的接枝率不高于20％，优选接枝率为2.4％；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖中所述改性聚乙二醇的分子量为1000～20000，所述壳聚糖分子量为5000～500000；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的化学结构式为式(Ⅱ)所示：
相比于本发明的发明人前期的研究《聚乙二醇改性壳聚糖作为皮革抗菌涂层的制备及表征》所得的聚合物，本发明所得的复合抗菌涂层物质具有十分优秀的抗菌性能。如本发明的实施例所示，改性聚乙二醇接枝壳聚糖(PEG-g-CS)与没食子酸修饰的纳米银(GA@Ag)复合后所制备涂层的所产生的抑菌圈直径为聚乙二醇改性壳聚糖涂层的3倍左右。
虽然，纳米银具有一定的抗菌能力，但与本发明的改性聚乙二醇 接枝的壳聚糖复合后所得物质的抗菌性能不仅大幅度高于改性聚乙二醇接枝的壳聚糖，也大幅高于没食子酸修饰的纳米银，这一结果是令人惊喜的。
从本发明所得技术效果可知，本发明所述没食子酸修饰的纳米银与本发明所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖具有显著的协同作用。不仅如此，在长时抗菌性方面，本发明所述的复合抗菌涂层的抗菌性均优于单独的聚乙二醇接枝的壳聚糖或没食子酸修饰的纳米银(图5)。进一步证明本发明所述没食子酸修饰的纳米银与本发明所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖具有显著的协同作用。
当改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的接枝率不高于20％时，可以获得优异的抗菌效果(所得抑菌圈直径均为PEG-g-CS或GA@AgNPs涂层的2-3倍)，但综合考虑到成模性和经济成本时，以2.4％的接枝率为最佳选择。
优选的，所述没食子酸修饰的纳米银的粒径不大于100nm。
所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的制备方法为：
(1)首先将壳聚糖充分溶解于酸性水溶液中，加入(Ⅲ)式所示的改性聚乙二醇，于室温下反应48h；
(2)将反应溶液冻干，利用乙醇洗涤产物除去未反应的改性聚乙二醇及副产物，最后真空干燥箱中烘干乙醇，得到改性聚乙二醇接枝修饰的壳聚糖；
所述没食子酸修饰的纳米银粒子的制备方法为：
(1)将没食子酸与硝酸银在水溶液中，冰水浴中搅拌均匀；
(2)将硼氢化钠逐滴滴入至(1)中溶液中，避光反应得到表面没食子酸修饰的纳米银。
优选的，所述没食子酸与硝酸银的摩尔比大于0.6，优选的，没食子酸与硝酸银的摩尔比为1；所述硼氢化钠与硝酸银的摩尔比为6；所述避光反应的时间为2小时。
本发明另外一个目的在于提供由上述方法制备得到的复合抗菌涂层物质。
本发明的另外一个目的在于提供所得复合抗菌涂层物质在制备具有表面抗菌性能的产品方面的应用，所述产品可以是皮革或纺织品等。对于皮革制品而言，所述应用的步骤包括：将皮革的表面进行充分清洗后烘干，置于所述复合抗菌涂层物质的水溶液中0.5小时以上，即得抗菌皮革。
优选的，所述应用在对皮革的表面进行充分清洗后烘干后，还包括对皮革表面进行等离子处理。
本发明的有益效果：
1、本发明所得复合抗菌涂层物质的抗菌性能优秀，改性聚乙二 醇接枝壳聚糖与没食子酸修饰的纳米银具有非常显著的协同抗菌作用；
2、本发明的制备方法简单，成本低廉；
3、本发明所得复合抗菌涂层物质适于于皮革的表面抗菌应用。
附图说明
图1为改性聚乙二醇接枝壳聚糖与没食子酸修饰纳米银在水溶液中的复合示意图；
图2为扫描电子显微镜对皮样表面进行X射线能谱分析结果；
图3为抑菌定性结果图，(a)和(e)为空白皮样，(b)和(f)为改性聚乙二醇接枝的壳聚糖,(c)和(g)为没食子酸修饰的纳米银,(d)和(h)为本发明的复合抗菌涂层物质，“E.coli”为大肠杆菌，“S.aureus”为金黄色葡萄球菌；
图4为抑菌圈定量结果图，其中，Diameter意为直径，“E.coli”为大肠杆菌，“S.aureus”为金黄色葡萄球菌；
图5为聚乙二醇接枝壳聚糖(PEG-g-CS)涂层、没食子酸修饰纳米银(GA@AgNPs)涂层、聚乙二醇接枝壳聚糖与没食子酸修饰纳米银复合涂层(PEG-g-CS/GA@AgNPs)在不同时间点的抗菌性能图；其中，“Survivial rate”意为存活率，“Contact time”为接触时间；
图6为未经等离子处理和经过等离子处理的皮样的亲水性实验结果，其中，(a)为未经等离子处理的皮样，(b)为经等离子处理后的皮样；
图7为等离子处理后皮样表面抗菌涂层在水洗前与水洗后对大肠杆菌的抑菌结果；“before wash”意为水洗前，“after wash”意为水洗 后，“Survivial rate”意为存活率，“Contact time”为接触时间。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
单口烧瓶中，10g分子量为10000的壳聚糖溶解在30ml pH5.0的水溶液中，充分溶解后，加入(III)式中分子量为2000的聚乙二醇3g，室温条件下反应48小时。反应结束后，将反应溶液浓缩冻干，再充分用乙醇洗涤，烘干后得到接枝率为2.4％的聚乙二醇接枝的壳聚糖,定义为PEG-g-CS2.4％。
实施例2
单口烧瓶中，10g分子量为10000的壳聚糖溶解在30ml pH5.0的水溶液中，充分溶解后，加入(III)式中分子量为1000的聚乙二醇3g，室温条件下反应48小时。反应结束后，将反应溶液浓缩冻干，再充分用乙醇洗涤，烘干后得到接枝率为4.5％的聚乙二醇接枝的壳聚糖,定义为PEG-g-CS4.5％。
实施例3
单口烧瓶中，10g分子量为10000的壳聚糖溶解在30ml pH5.0的水溶液中，充分溶解后，加入(III)式中分子量为12000的聚乙二醇3g，室温条件下反应48小时。反应结束后，将反应溶液浓缩冻 干，再充分用乙醇洗涤，烘干后得到接枝率为0.4％的聚乙二醇接枝的壳聚糖,定义为PEG-g-CS0.4％。
实施例4
单口烧瓶中，10g分子量为100000的壳聚糖溶解在30ml pH5.0的水溶液中，充分溶解后，加入(III)式中分子量为12000的聚乙二醇6g，室温条件下反应48小时。反应结束后，将反应溶液浓缩冻干，再充分用乙醇洗涤，烘干后得到接枝率为0.8％的聚乙二醇接枝的壳聚糖,定义为PEG-g-CS0.8％。
实施例5
没食子酸(1.7g,0.01mol)与0.01mol硝酸银在水溶液中充分混合，在零度条件下，缓慢滴加0.06mol的硼氢化钠溶液，避光条件下反应两小时。经反复三次离心与洗涤，得到没食子酸修饰的纳米银粒子，定义为GA@Ag NPs，测得粒径小于100nm。
实施例6
综合对比实施例1,2，3，4中的PEG-g-CS聚合物的成膜性和经济成本，确定实施例1中的PEG-g-CS2.4％聚合物为最优。以下实施例中所述的PEG-g-CS均指PEG-g-CS2.4％聚合物。
实施例7
选择大肠杆菌(E.Coli)及金黄色葡萄球菌(S.aureus)分别作为革兰氏阴性菌和阳性菌为研究对象。将初始浓度为12mg/mL、1mg/ml的PEG-g-CS与GA@AgNPs进行倍比稀释，与细菌共培养分别定量的考察不同浓度的PEG-g-CS和GA@AgNPs对两种细菌的抑菌能力，综合确定了聚乙二醇接枝的壳聚糖的最小抑菌浓度为1.2mg/ml，没食子酸修饰纳米银的最小抑菌浓度为0.12mg/ml，结果如表1所示。
表1
“-”表示无细菌生长，“+”表示有细菌生长
实施例8
在水溶液中将PEG-g-CS与GA@AgNPs分别进行复合，两者的浓度均略大于其最小抑菌浓度，分别为1.5mg/mL与0.2mg/mL。充分混合均匀后，即获得复合抗菌材料溶液。在水溶液中，PEG-g-CS材料上的氨基与GA@AgNPs表面的羧基通过静电作用将两种材料复合在一起，如图1所示。通过这种静电复合，有助于将两种材料的抗菌性能协同起来。
实施例9
以传统铬鞣法鞣制的绵羊皮蓝革为基体。将皮样裁剪为直径为5厘米的原片，其表面充分清洗后烘干。将皮样浸入到实施例4中的复合材料溶液中，半小时后取出，将水分烘干，皮样表面形成复合抗菌材料涂层。利用扫描电子显微镜对皮样表明进行X射线能谱分析，可以看出含纳米银的复合材料在皮样表面形成涂层，结果如图2所示。
实施例10
将实施例9中制备的皮样分别浸入到1.5mg/mL的PEG-g-CS溶 液中和0.2mg/mL的GA@AgNPs溶液中，及实施例8中的复合材料溶液中。皮样表面水分挥发后，分别与大肠杆菌与金黄色葡萄球菌共培养，测试每个皮样的抑菌圈。结果如图3所示。抑菌圈结果表明，PEG-g-CS/GA@AgNPs构成的复合材料抗菌涂层的抑菌能力比单独的PEG-g-CS或GA@AgNPs涂层更强，体现出复合抗菌涂层的抗菌优势。图4中所示的定量数据表明，复合抗菌材料涂层的抑菌能力超过单独PEG-g-CS或GA@AgNPs涂层抗菌能力的一倍以上，所得抑菌圈直径为PEG-g-CS或GA@AgNPs涂层的2-3倍。
实施例11
将实施例10中涂有三种涂层的皮样分别与大肠杆菌与金黄色葡萄球菌共培养，在不同的时间点测试每个皮样表面的细菌存活率，结果如图5所示。结果表明，PEG-g-CS/GA@AgNPs构成的复合材料抗菌涂层在长时抗菌性方面均优于PEG-g-CS或GA@AgNPs涂层。
实施例12
将实施例9中制备的皮样利用DT-O2S等离子设备进行表面等离子处理，处理气体为二氧化碳，气体流速为30sccm，放电功率为150w，处理时间为5分钟，气体压力25Pa。皮样表面经等离子体处理后，表面带有羧基。利用静态接触角测得，等离子处理后皮样表面亲水性增加，如图6所示。
实施例13
将实施例12中的皮样浸入实施例8中的复合材料溶液中，制备表面抗菌涂层。考察了复合抗菌涂层在水洗前与水洗后对大肠杆菌在 不同时间点的抑菌能力。结果如图7所示。表明，经等离子处理后的皮样经水洗后不会破坏皮革表面的抗菌涂层，其抗菌能力与水洗前的抗菌效果类似。

Claims (13)

1.一种复合抗菌涂层物质的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将改性聚乙二醇接枝的壳聚糖与没食子酸修饰的纳米银粒子置于水溶液中混合均匀，即得所述复合抗菌涂层物质；混合后，所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的浓度不低于1.2mg/ml，所述没食子酸修饰的纳米银粒子的浓度不低于0.12mg/ml；
所述改性聚乙二醇的化学结构式为式(Ⅰ)所示；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的接枝率不高于20％；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖中所述改性聚乙二醇的分子量为1000～20000，所述壳聚糖分子量为5000～500000；所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的化学结构式为式(Ⅱ)所示：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的接枝率为2.4％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述没食子酸修饰的纳米银的粒径不大于100nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改性聚乙二醇接枝的壳聚糖的制备方法为：
(1)首先将壳聚糖充分溶解于酸性水溶液中，加入(Ⅲ)式所示的改性聚乙二醇，于室温下反应48h；
(2)将反应溶液冻干，利用乙醇洗涤产物除去未反应的改性聚乙二醇及副产物，最后真空干燥箱中烘干乙醇，得到改性聚乙二醇接枝修饰的壳聚糖；
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述没食子酸修饰的纳米银粒子的制备方法为：
(1)将没食子酸与硝酸银混合在水溶液中，于冰水浴搅拌均匀；
(2)将硼氢化钠逐滴滴入至(1)中溶液中，避光反应得到表面没食子酸修饰的纳米银。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述没食子酸与硝酸银的摩尔比大于0.6；所述硼氢化钠与硝酸银的摩尔比为6；所述避光反应的时间为2小时。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述没食子酸与硝酸银的摩尔比为1。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的复合抗菌涂层物质。
9.权利要求8所述的复合抗菌涂层物质在制备具有表面抗菌性能的产品方面的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述产品包括皮革、纺织品中的一种。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述产品为皮革，应用的步骤包括：将皮革的表面进行充分清洗后烘干，浸置于所述复合抗菌涂层物质的水溶液中，即得抗菌皮革。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述浸置的时间为0.5小时以上。
13.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述应用在对皮革的表面进行充分清洗后烘干后，还包括对皮革表面进行等离子处理。
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