CN112499664A

CN112499664A - 一种掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料及其制备方法

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Publication number: CN112499664A
Application number: CN202011414500.1A
Authority: CN
Inventors: 沈明; 张金贵; 张素芬; 沈培培; 徐沈扬
Original assignee: Jiangsu Huicheng Medical Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Huicheng Medical Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN112499664B

Abstract

一种掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料及其制备方法，属于金属纳米材料的制备技术领域。本发明在复合材料制备过程中以具有二价铜离子的铜盐提供铜源，以抗坏血酸为还原剂，在络合剂的作用下，通过简单的常温常压条件下搅拌制备，最终取得掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料粉末，即掺杂有氧化亚铜的纳米氧化锌，其中纳米氧化锌的粒径为10～100 nm。该复合材料具有生物相容性高、细胞毒性低、抗菌性能好等优点，且在光照条件下能明显提高其抗菌活性。

Description

一种掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属纳米材料的制备技术领域。

背景技术

随着社会发展和人们健康意识的不断提高，人们对生存环境的要求也越来越高。由于抗生素滥用而引起的细菌产生耐药性是目前世界范围内一个日益加深的危机，因此，开发一种绿色环保、生物相容性好、功能性高的新型抗菌剂正处于发展的关键时期。

目前常用的抗菌剂有有机合成抗菌剂、天然抗菌剂和物理抗菌剂，其中有机合成抗菌剂毒性较大很少用于抗菌敷料中，天然抗菌剂因抗菌时效较短也较少用于伤口敷料，而物理抗菌剂因具有较广抗菌谱和较强的抗菌性得到广泛关注。在物理抗菌剂方面使用最多的就是纳米银，它不光在电学、光学、催化等方面有优异的性能，而且在抗菌方面也有很好的抗菌活性。但是由于纳米银会对人体产生一定的毒副作用，美国FDA已经明确禁止纳米银的使用了。

纳米氧化锌是一种新型的环境友好型多功能材料，由于纳米氧化锌具有小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，从而获得一系列优异的物理、化学、表面和界面性质，在光学、电学、催化和抗菌方面得到广泛的应用。然而由于纳米氧化锌的抗菌机制研究并不成熟，没有得到统一的定论，因此还需要进一步研究探讨。但是很多研究证实选择合适的掺杂元素或改型方法可以使纳米氧化锌的抗菌活性得到有效改善，但始终未得到理想的性能指标。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明第一目的是提供一种抗菌性能好的抗菌敷料用掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

本发明所述复合材料为掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌，所述纳米氧化锌的粒径为10～100nm。

本发明以上复合材料相对于掺杂其它纳米银颗粒来说，在一定的浓度范围内氧化亚铜没有细胞毒性，能够较好地应用于抗菌敷料领域，该复合材料具有生物相容性高、细胞毒性低、抗菌性能好等优点。此外，该复合材料在光照条件下能明显提高其抗菌活性。

所述氧化亚铜的掺杂摩尔量为纳米氧化锌的5.0～7.5%。

经过反复试验验证了：虽然随着氧化亚铜掺杂量的增加，复合材料的抗菌性能增加，但当掺杂量为5%时再增加氧化亚铜的掺杂量其抗菌效果增加的不太明显，所以氧化亚铜的掺杂量为纳米氧化锌摩尔量的5.0～7.5%为最佳选择，其杀菌效果优于未掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌，具有显著的增强作用。

本发明的第二目的是提供以上复合材料的制备方法。

本发明方法步骤如下：

1）常温常压条件下，搅拌转速为50～1000 rpm，将粒径为10～100 nm的纳米氧化锌分散于去离子水中，搅拌10～20分钟后，加入络合剂，常压条件下常温搅拌1.0～4.0 h，得络合物和纳米氧化锌的混合物；

2）制备铜离子络合的纳米氧化锌：将具有二价铜离子的铜盐与络合物和纳米氧化锌的混合物混合，于常温常压条件下搅拌拌0.5～4.0h，获得铜离子纳米氧化锌络合物，并将铜离子纳米氧化锌络合物的pH值调整至10～13；

3）制备掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料：将抗坏血酸溶液加入pH值为10～13的铜离子纳米氧化锌络合物，常温常压条件下搅拌0.5～4h，得亚铜离子的纳米氧化锌络合物；再以去离子水洗涤上述亚铜离子的纳米氧化锌络合物，经离心后，于50～70℃温度条件下真空干燥10～14小时，最后研磨成粉末，即获得掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

本发明工艺中采用的纳米氧化锌的粒径为10～100nm。

纳米氧化锌是一种直接带隙Ⅱ-Ⅵ族的多功能性的新型光催化型无机材料，具有良好的抗菌广谱性、比表面积高、光催化活性高、粒径小、无毒、制备成本低、机械性能稳定和紫外发射率高等特征，其抗菌性能仅次于银系抗菌剂。ZnO 纳米粒子的抑菌效果与其选择的浓度和大小密切相关，氧化锌颗粒尺寸大小对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌等细菌菌株均显示出随着颗粒尺寸的减小，纳米颗粒的抗菌功效随之增加。

以上步骤1）中，常温常压条件下搅拌1.0～4.0 h，可使络合物和纳米氧化锌得以充分混合。

步骤2）中常温常压搅拌时间在0.5～4.0 h，可使络合物能够较好地使纳米氧化锌与铜离子络合在一起。

以上常压常温条件下搅拌均达到了耗能少、节约成本、收率高的效果。

步骤2）中，调整铜离子络合的纳米氧化锌pH值，可保障反应所需环境为碱性环境，有利于氧化亚铜的形成。

步骤3）中采用抗坏血酸作为还原剂，是一种温和的还原剂，有利于氧化亚铜的生成，具有良好的生物相容性。

为了保障干燥时Cu₂O不被氧化，本发明步骤3）中选取了真空干燥。

综上，本发明在复合材料制备过程中以具有二价铜离子的铜盐提供铜源，以抗坏血酸为还原剂，在络合剂的作用下，通过简单的常温常压条件下搅拌制备，最终取得掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料粉末。

进一步地，本发明步骤1）中所述络合剂为氨三乙酸钠（NTA）、乙二胺四乙酸二钠（EDTA－2Na）、乙二胺四乙酸四钠盐（EDTA－4Na）、二乙烯三胺五羧酸盐（DTPA）中的至少任意一种。此些络合剂与铜离子络合后不容易解离，耐化学稳定性好，而且易生物降解。

更进一步地，所述络合剂与纳米氧化锌的投料比为1.8～7.2mmol∶1 g。

络合剂可以较好地将Cu²⁺与纳米氧化锌结合，根据Cu²⁺的添加量，采用该投料比，并且通过电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）测试，验证该投料比能够较好地将Cu₂O掺杂到纳米氧化锌上。

实验结果表明，当络合剂为乙二胺四乙酸二钠时，且乙二胺四乙酸二钠（EDTA－2Na）与纳米氧化锌最佳的投料比为3.6 mmol∶1g。

所述具有二价铜离子的铜盐为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜中的至少一种，选取的铜盐在水介质中可以提供Cu²⁺。

当以上铜盐本选用硫酸铜时，硫酸铜与纳米氧化锌的投料摩尔比为5～7.5∶100。本发明的出发点是通过掺杂少量的Cu₂O能明显提高纳米ZnO的含量，Cu₂O的掺杂量较少对提高纳米氧化锌的抑菌效果不明显，掺杂量较多会掩盖纳米氧化锌的活性位点也不会起到协同作用，所以本发明选取以上投料比时，可取得良好的抑菌效果。

步骤2）中调节铜离子纳米氧化锌络合物的pH值时，采用氨水、氢氧化钠、氢氧化钾或三乙醇胺。

所述抗坏血酸与纳米氧化锌的投料摩尔比为7～29∶100，可完全将Cu²⁺还原为Cu⁺，使掺杂到纳米氧化锌上的全部为Cu₂O。

总之，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的制备方法简单可控，绿色无污染，耗能较低，相对于其它抗菌敷料来说，成本低廉。

（2）本发明所使用抗坏血酸是一种温和的还原剂，对环境不会产生污染且没有毒性，因此具有一定的工业前景。

（3）经过反复试验，明确了铜盐、络合剂和还原剂等的用量及其类型，提供了一种掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料及其制备方法，并且最终显著提高了纳米氧化锌材料的抗菌效果。

附图说明

图1为氧化亚铜的掺杂量对复合材料的抗菌影响对比图。

图2为EDTA的添加量对复合材料的抗菌影响对比图。

图3为采用纳米氧化锌掺杂不同的金属氧化物取得的复合材料的抗菌性对比图。

图4为别在光照和避光条件下，测试掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的抗菌效果对比图。

图5 为本发明选用的纳米氧化锌的透射电镜图（TEM）。

图6为依据实例一的实验过程，掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的透射电镜图（TEM）。

图7为本发明掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的XRD图。

具体实施方式

一、制备掺杂不同量氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料：

实施例1：

（1）络合物与纳米氧化锌的混合：

在常温常压条件下，搅拌转速为200 rpm条件下，将1g、粒径为30 nm的纳米氧化锌加入40 mL去离子水，搅拌15分钟，接着加入3.6 mmol 乙二胺四乙酸二钠（EDTA－2Na），常温常压条件下搅拌3.0 h，得乙二胺四乙酸二钠（EDTA－2Na）和纳米氧化锌的混合物。

（2）配置铜离子络合的纳米氧化锌：

向上述混合物中加入0.6 mmol硫酸铜，继续常温常压条件下搅拌1.0 h，接着，利用0.036 mol（1.5mol/L）的氢氧化钠水溶液调节其pH至12.0，取得铜离子络合的纳米氧化锌。

（3）掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备：

向以上铜离子络合的纳米氧化锌中加入1.8 mmol（0.1mol/L）的抗坏血酸溶液，常温常压条件下搅拌1h，获得亚铜离子络合的纳米氧化锌，接着使用去离子水洗涤，离心，取得固相。然后，将该固相在60℃下真空干燥箱内干燥12h，再经研磨至粉末状，即得掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

实施例2：

（1）络合物与纳米氧化锌的混合：

在常温常压条件下，搅拌转速为100 rpm条件下，将1g、粒径为10 nm的纳米氧化锌加入40 mL去离子水，搅拌10分钟，接着加入1.8 mmol 氨三乙酸钠（N TA），常温常压条件下搅拌1.0 h，得氨三乙酸钠（NTA）与纳米氧化锌的混合物。

（2）配置铜离子络合的纳米氧化锌：

向上述混合物中加入0.3 mmol硝酸铜，继续常温常压条件下搅拌0.5 h，接着，利用0.018 mol (1.5mol/L)的三乙醇胺水溶液调节其pH至10.0，取得铜离子络合的纳米氧化锌。

（3）氧化亚铜掺杂的纳米氧化锌复合材料的制备：

向以上铜离子络合的纳米氧化锌中加入0.9 mmol（0.1mol/L）的抗坏血酸溶液，常温常压条件下搅拌0.5 h，获得亚铜离子络合的纳米氧化锌，接着使用去离子水洗涤，离心，取得固相。然后，将该固相在50℃下真空干燥箱内干燥14 h，再经研磨至粉末状，即得到掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

实施例3：

（1）络合物与纳米氧化锌的混合：

在常温常压条件下，搅拌转转速为300 rpm条件下，将1g、粒径为100 nm的纳米氧化锌加入40 mL去离子水，搅拌30分钟，接着加入7.2 mmol 二乙烯三胺五羧酸盐（DTPA），搅拌状态下回流4.0 h，得二乙烯三胺五羧酸盐（DTPA）与纳米氧化锌的混合物。

（2）配置铜离子络合的纳米氧化锌：

向上述混合物中加入1.2 mmol氯化铜，继续常温常压条件下搅拌2.0 h，接着，利用0.072 mol（1.5mol/L）的氢氧化钾水溶液（或氨水）调节其pH至13.0，取得铜离子络合的纳米氧化锌。

（3）氧化亚铜掺杂的纳米氧化锌复合材料的制备：

向以上铜离子络合的纳米氧化锌中加入3.6 mmol (0.1mol/L)的抗坏血酸溶液，常温常压条件下搅拌4.0 h，取得亚铜离子络合的纳米氧化锌，接着使用去离子水洗涤，离心，取得固相。然后，将该固相在70℃下真空干燥箱内干燥10 h，再经研磨至粉末状，即得到掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

以上各例中纳米氧化锌的粒径为10～100 nm。

二、复合材料抑菌性能验证：

效果测定：根据《中国药典》2015版中的抑菌效力检查法（通则1121）测试选用金黄色葡萄球菌为灭菌对象和稀释涂布法研究其抗菌性能。培养皿中菌落数的数目显示出该材料的抗菌性能，与对照组对比，菌落数越少代表其抗菌性越强。用菌落数的Log值代表抗菌效果，Log值越少代表菌落数越少，其抗菌效果越好。为了保证数据的准确性，每个稀释梯度多涂几块板子，减少之间的误差且每个样品做三遍。

纳米氧化锌的粒径为10～100 nm，将氧化亚铜的掺杂量分别调整为纳米氧化锌摩尔量的5%、7.5%和10%，其余工艺参数、工艺步骤、测定方法与实例1完全相同。

图1的结果表明：氧化亚铜的掺杂能够有效增强纳米氧化锌的抗菌性能。此外，随着氧化亚铜掺杂量的增加，复合材料的抗菌性能获得显著增加，当氧化亚铜掺杂量大于7.5%时，复合材料的抗菌性能趋于平稳，因此，本发明所述氧化亚铜的掺杂摩尔量优选为纳米氧化锌的5.0～7.5%。

（1）比较EDTA－2Na的添加量对复合材料的抗菌影响：EDTA－2Na的添加量选定为1.8、3.6、5.4、7.2 mmol，分别标记为Cu₂O/ZnO1～4，其余工艺参数、工艺步骤、测定方法与实例1完全相同，其比较结果见图2。

图2的结果表明：EDTA－2Na的添加量过多反而会使该复合材料的抗菌性降低，所以EDTA－2Na的添加量优选为3.6 mmol。

（2）比较采用不同的金属氧化物Cu₂O、CuO、Fe₂O₃、CeO₂、Bi₂O₃进行掺杂，其余工艺参数、工艺步骤、测定方法与实例1完全相同，其比较结果见图3。

图3的结果表明：相对于掺杂其它金属氧化物，掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌的抗菌性明显提高。

（3）为了比较该复合材料在光照和避光条件下的抗菌效果，分别在光照和避光条件下进行抗菌试验，其试验结果见图4。

从图4的抗菌结果来看，无论是纯的纳米氧化锌还是掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌其抗菌效果都是光照条件下显著高于避光条件。因此，采用光照能够有效提高该复合材料的抗菌效果。

图5 为本发明采用的纳米氧化锌的透射电镜图，其尺寸大小在10～100nm。

图6显示了实例1方法制得的纳米氧化锌掺杂氧化亚铜复合材料的透射电镜图。

由图6的透射电镜图可见：所制备的纳米氧化锌掺杂氧化亚铜复合材料的尺寸在10～100nm，掺杂氧化亚铜后没有明显改变纳米氧化锌的尺寸大小及其形貌。

图7显示了本发明方法制得的纳米氧化锌掺杂氧化亚铜复合材料的XRD图。

由图7的XRD图谱可见：在31.76°、31.42°、36.25°、47.53°、56.59、62.85°、66.37°、67.94°和69.08°处均出现较强衍射峰，依次对应于六方晶单相纤锌矿纳米ZnO结构（JCPDSNo. 99-0111）的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)晶面；另一方面，在29.57°、36.42°、42.31°、61.37°和73.52°处的衍射峰分别对应于Cu₂O (JCPDS No.99-0041)的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面，说明该方法能成功制备出了掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

Claims

1.一种掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料，其特征在于所述复合材料为掺杂有氧化亚铜的纳米氧化锌，所述纳米氧化锌的粒径为10～100 nm。

2.根据权利要求1所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料，其特征在于所述氧化亚铜的掺杂摩尔量为纳米氧化锌的5.0～7.5%。

3.根据权利要求1所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）常温常压条件下，搅拌转速为50～1000 rpm，将粒径为10～100nm的纳米氧化锌分散于去离子水中，搅拌10～20分钟后，加入络合剂，常温常压条件下搅拌1.0～4.0 h，得络合物和纳米氧化锌的混合物；

2）制备铜离子络合的纳米氧化锌：将具有二价铜离子的铜盐与络合物和纳米氧化锌的混合物混合，于常温常压条件下搅拌0.5～4.0h，得铜离子纳米氧化锌络合物，并将铜离子纳米氧化锌络合物的pH值调整至10～13；

3）制备掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料：将抗坏血酸溶液加入pH值为10～13的铜离子纳米氧化锌络合物，于常温常压条件下搅拌0.5～4h，得亚铜离子的纳米氧化锌络合物；再以去离子水洗涤上述亚铜离子的纳米氧化锌络合物，经离心后，于50～70℃温度条件下真空干燥10～14小时，最后研磨成粉末，即取得掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料。

4.根据权利要求3所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述络合剂为氨三乙酸钠、乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠盐、二乙烯三胺五羧酸盐中的至少任意一种。

5.根据权利要求4所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，所述络合剂与纳米氧化锌的投料比为1.8～7.2 mmol∶1 g。

6.根据权利要求5所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠，乙二胺四乙酸二钠与纳米氧化锌最佳的投料比为3.6mmol∶1g。

7.根据权利要求3所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述具有二价铜离子的铜盐为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜中的至少任意一种。

8.根据权利要求7所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述铜盐与纳米氧化锌的投料摩尔比为5～7.5∶100。

9.根据权利要求3所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中调节铜离子纳米氧化锌络合物的pH值时，采用氨水、氢氧化钠、氢氧化钾或三乙醇胺中的至少任意一种。

10.根据权利要求3所述掺杂氧化亚铜的纳米氧化锌复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述抗坏血酸与纳米氧化锌的投料摩尔比为7～29∶100。