（无机化学专业论文）基于银的复合纳米抗菌材料的研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rp hd sd e gr e e mult ic om p o nen tnanoma t er ials f oran t i b ac t er iala gen t sba se d onsil v er a u t h o r sn a m e s p e c i a l t y 一 一 一 s u p e r v i s o r f i n i s h e dt i m e w e i p i n gx u in o r g a n i cc h e m i s t r y p r o f s h u h o n gy u m a y 2 0 1 1 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果 除己特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明 作者签名 签字日期 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入 中国学 位论文全文数据库 等有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制 手段保存 汇编学位论文 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 口公开口保密 年 作者签名 签字日期 导师签名 二 签字日期 摘要 摘要 纳米银抗菌材料具有抗菌力强 耐久性好 抗菌谱广 安全性高等优点 它 作为一种长效性的抗菌材料在医学领域中得到越来越广泛的应用 是近年来医用 抗菌材料研究的重点 因此制备具有抗菌性的纳米银复合材料对于医用抗菌材料 的发展有着重要意义 本论文以纳米银为研究对象 合成了一系列纳米银复合材 料 具体内容主要包括以下几个方面 1 以还原性石墨烯氧化物纳米片为载体 在水溶液中制备了不同载银量的 纳米银 石墨烯复合纳米材料 以e d s t e m 等方法对制备得到的纳米银 石墨 烯复合纳米系列材料进行了测试与表征 我们采用抑菌曲线法对该系列材料的抗 菌性能进行了研究 实验结果表明 单纯的还原性石墨烯氧化物纳米片在实验条 件下 并没有明显的抑菌效应 纳米银 石墨烯复合纳米抗菌材料的抑菌性能随 着银负载量的上升而增强 当银与石墨烯组分比为o 2 时 为最佳组分体系 该 材料表现出极佳的抗菌性能 2 以羟基磷灰石为载体 用化学还原法制备了不同载银量的纳米银 羟基磷 灰石复合材料 以x r d s e m t e m f t i r 等方法对材料进行了测试与表征 该实验采用抑菌曲线法和琼脂平板稀释法对该系列材料的抗菌性进行研究 实验 结果表明 该复合材料具有优良的抗菌活性 3 以纳米氧化锌为载体 用光催化还原法制备了不同载银量的纳米银 氧化 锌复合材料 以u v v i s x r d t e m 等对材料进行了测试与表征 在本实验中 用抑菌曲线法对该系列材料的抗菌性进行研究 实验结果表明 复合材料体系抗 菌性能明显提升 当银与氧化锌组分比为1 0 l 时 该材料表现出极佳的抗茵性 能 关键词 纳米银 纳米银 石墨烯 纳米银 羟基磷灰石 纳米银 氧化锌 抗菌性 a b s t r a c t a b s t r a c t n a n o s i l v e ra n t i m i c r o b i a lm a t e r i a lh a s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha s s t r o n g a n t i b a c t e r i a l b e t t e rd u r a b i l i t y b r o a d a n t i b a c t e r i a ls p e c t r u m h i g hs e c u r i t y a sa l o n g t e r m a n t i b a c t e r i a lm a t e r i a l n a n o s i l v e r g e t s m o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fm e d i c i n e a n dt h ep r e p a r a t i o no fs i l v e rb a s e da n t i m i c r o b i a l n a n o c o m p o s i t e si sah o tt o p i cr e c e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n w er e p o r tas e r i e so fs i l v e r b a s e dn a n o c o m p o s i t e s a n d t h em a i nr e s u l t sc a nb eb r i e f l yd e s c r i b e da sf o l l o w s 1 as e r i e so fs i l v e r r e d u c e dg r a p h e n eo x i d e r g 0 1n a n o s h e e t sc o m p o s i t e sw i t l l d i f f e r e n ta m o u n to fn a n o s i l v e rw e r ep r e p a r e dw i t hr g 0a sac a r r i e r t h e o b t a i n e dn a n o c o m p o s i t ew e r ec h a r a c t e r i z e db ye d s t e ma n ds oo n t h e a n t i b a c t e r i a l p r o p e r t i e s o ft h e s e n a n o c o m p o s i t e s w e r e i n v e s t i g a t e db y b a c t e r i o s t a t i cc u r v e a n dt h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s o fn a n o s i l v e r r g oa n t i m i c r o b i a lm a t e r i a l sw e r ee n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h el o a d i n ga m o u n to fs i l v e r w h e nt h er a t i oo fs i l v e ra n dr g on a n o s h e e t s c o m p o n e n t si s0 2 t h i sn a n o c o m p o s i t es h o w se x c e l l e n ta n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s i nc o m p a r i s o n t h ep u r er g on a n o s h e e t sh a dn oo b v i o u sb a c t e r i o s t a t i ce f f e c t u n d e rt h es i m i l a re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 2 b a s e do nh y d r o x y a p a t i t en a n o w i l l o wr e p o r t e dp r e v i o u s l yb yo u rg r o u pa s s u p p o r t e r w eh a v ep r e p a r e dv a r i o u sh y d r o x y a p a t i t en a n o c o m p o s i t e sw i t h d i f f e r e n ta m o u n to fn a n o s i l v e ra s s e m b l i e do n t ot h e i rs u r f a c e st h r o u g hf a c i l e e l e c t r o s t a t i ca b s o r p t i o n t h e nt h e i rp r o p e r t i e sw e r ec h a r a c t e r i z e db vx r d s e m t e m f t i r t h ei n h i b i t i o nc u r v ea n da g a rd i l u t i o nm e t h o dw e r e e m p l o y e dt ot e s tt h e i ra n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t s u c hh a p a gn a n o c o m p o s i t e sp o s s e s se x c e l l e n ta n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s 3 b a s e do nn a n o z i n co x i d ea ss u p p o r t e r w eh a v ep r e p a r e dv a r i o u sn a n o z i n c o x i d ec o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fn a n o z i n co x i d et h r o u g h p h o t o c a t a l y t i cr e d u c t i o np r o c e s s t h e nt h e i rp r o p e r t i e sw e r et e s t e db vu v v i s x r d t e m i nt h i se x p e r i m e n t t h ei n h i b i t i o nc u r v em e t h o dw a se m p l o y e dt o t e s tt h e i ra n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea n t i m i c r o b i a l p r o p e r t i e so ft h i ss e r i e sm a t e r i a l sw e r ee n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr a t i oo f s i l v e rt oz i n co x i d e w h e nt h er a t i oc o m e st o10 1 t h ea n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s a r r i v e st h eb e s t k e y w o r d s n a n o s i l v e r n a n o s i l v e r r g on a n o c o m p o s i t e s s i l v e r h y d r o x y a p a t i t e n a n o c o m p o s i t e s s i l v e r z i n co x i d en a n o c o m p o s i t e s a n t i b a c t e r i a lp r o p e r t y 目录 目录 第1 章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 抗菌材料 l 1 2 1 抗菌材料的定义 1 1 2 2 抗菌材料的分类 1 1 3 银系抗菌材料 4 1 3 1 银系抗菌材料的特性 4 1 3 2 银系抗菌材料的抗菌作用机理 4 1 3 3 银系抗菌材料的医药学应用实例 4 1 4 纳米技术 5 1 4 1 纳米技术的概念 5 1 4 2 纳米技术的起源及应用 5 1 5 银系纳米抗菌材料 6 1 5 1 银系纳米抗菌材料的定义 6 1 5 2 银系纳米抗菌材料的抗菌作用机理 6 1 5 3 银系纳米抗菌剂的分类 7 1 5 4 纳米银材料抗微生物作用 8 1 5 5 银系纳米抗菌材料的医药学应用实例 1 8 1 6 纳米银 氧化锌 2 0 1 6 1 纳米氧化锌的抗菌机理 2 0 1 6 2 纳米氧化锌的光催化机理 2 0 1 6 3 纳米银 氧化锌的特性 2 0 1 6 4 纳米银 氧化锌的应用 2 l 1 7 纳米银 石墨烯复合材料 2 1 1 7 1 石墨烯的特性 2 l 1 7 2 石墨烯纳米复合材料的特性 2 l 1 7 3 纳米银 石墨烯复合材料的特性 2 2 1 7 4 纳米银 石墨烯复合材料的应用 2 2 1 8 本论文的主要研究内容 2 2 v 目录 第2 章银 还原性石墨烯氧化物的制备及其抗菌性能研究 3 3 2 1 引言 3 4 2 2a g o 还原性石墨烯氧化物复合材料制各与表征 3 4 2 2 1 实验试剂 3 4 2 2 2a g o 还原性石墨烯氧化物复合材料的制备 3 5 2 2 3a g o 还原性石墨烯氧化物复合材料的测试表征 3 5 2 3a g 还原性石墨烯氧化物复合材料抗菌性能实验 3 5 2 4 结果与讨论 3 6 2 4 1a g 还原性 墨烯氧化物复合材料的制备 3 6 2 4 2a g o 还原性石墨烯氧化物复合材料抗菌实验结果 4 0 2 4 3a g o 还原性杠墨烯氧化物复合材料的刺激性 4 3 2 5 本章小结 4 4 第3 章纳米银 羟基磷灰石抗菌材料的制备及其抗菌性能 4 7 3 1 引言 4 8 3 2 实验仪器与试剂与菌种 4 9 3 3 纳米银 羟基磷灰石的制备与表征 5 0 3 3 1 纳米羟基磷灰石的合成 5 0 3 3 2 纳米银 羟基磷灰砸的制备 5 0 3 3 3 样品表征 5 0 3 4 抗菌性能检测 5 1 3 4 1 不同浓度h a p a g 抗菌效应 5 l 3 4 2 琼脂平板稀释法实验 5 1 3 5 结果与讨论 5 l 3 5 1x r d 分析结果 5 l 3 5 2s e m t e m 分析结果 5 3 3 5 3f t i r 分析结果 5 6 3 5 4 抗菌实验结果 5 8 3 6 结论 6 0 第4 章银 氧化锌复合抗菌材料的制备及其抗菌性能 6 3 4 1 引言 6 4 目录 4 2a g z n o 复合材料制备与表征 6 4 4 2 1 实验试剂 6 4 4 2 2a g z n o 复合材料的制备 6 5 4 2 3 样品的表征 6 6 4 3a g z n o 复合材料抗菌性能实验 6 6 4 3 1a g z n o 复合材料m i c 的测定 6 6 4 3 2a g z n o 复合材料抑菌曲线测试 6 7 4 3 3a g z n o 复合材料光催化氧化实验 6 7 4 4 结果与讨论 6 8 4 4 1a g z n o 复合材料的表征 6 8 4 4 2a g z n o 复合材料抗菌性能检测 6 9 4 5a g z n o 复合抗菌材料抗菌机理讨论 7 2 4 6 本章小结 7 3 致谢 7 5 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果 7 7 v 目录 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来 环境污染 能源短缺问题己成为各国普遍关注的重大问题 人们的 健康也随时随地受到各种细菌病毒的侵蚀 大量的有害细菌广泛存在于自然界 中 空气 水 土壤 各种物体表面 人体表面及与外界相通的体腔 均存在种 类繁多 数量巨大的有害细菌威胁着人类健康 引起了一系列严重的问题 据报 道 日常生活中人们经常接触的许多用品上都带有各种各样的致病菌 它们的传 播和蔓延严重威胁着人类的生存健康 同时i l 备床也存在大量抗生素的滥用现象 大量耐药菌群不断出现 因此降低微生物的耐药性 减少院内交叉感染 是临床 要重点解决的问题 也是当前卫生部着力解决的重大医疗难题 随着科技的进步 人类生活质量的提高 人们对自身生存条件的环境卫生要 求进一步提高 如何有效降低和防止人类生活环境中各种病原微生物对人类生活 的影响和危害 以及避免耐药性 减少由此引发的各类感染性疾病逐渐成为社会 的共识 研发高效 无毒 低毒 持久的抗菌剂是一个既有社会意义又有经济意 义的重大课题 1 2 抗菌材料 1 2 1 抗菌材料的定义 抗菌材料 指自身具有杀死或抑制微生物功能的一类新型材料 l 抗菌材料 中的主要成分是抗菌剂 抗菌剂是某些细菌 霉菌等微生物高度敏感的化学成分 极少量的抗菌剂添加到普通材料中 即可制成抗菌材料 1 2 2 抗菌材料的分类 抗菌材料包括天然 有机和无机抗菌材料三大类型 1 2 2 1 天然生物抗菌材料 天然生物抗菌材料来源于所有生物体 包括多糖 多肽及糖肽聚合物类等物 质 受到安全性和加工条件的制约 目前还不能实现大规模市场化 但是 是未 第1 章绪论 来抗菌材料发展的主要方向 其作用于微生物胞外结构层或酶等生物活性物质 影响微生物的运动 跨膜物质运输和生化反应等 天然抗菌剂主要有壳聚糖和山梨酸等 这种抗菌剂安全环保且抗菌性好 但 由于其耐热性差 有效期短且生产条件有限 难于实现产业化 1 2 2 2 有机抗菌材料 有机抗菌材料以开发专效于生物分子 如微生物代谢酶 膜受体等 的抗菌材 料为发展方向 它通过作用于细胞壁和细胞膜系统 生化反应酶 遗传物质等达 到抑菌或杀菌作用 但作用时间短并对人体有害 易水解 而且只能在3 0 0 c 以 下使用 有机系抗菌剂主要可用作杀菌剂 防腐剂 防霉剂 有机抗菌剂虽然克服 了天然抗菌剂的一些缺陷 且杀菌力强 杀菌迅速 价格便宜 但其耐热性差 易产生耐药性 毒性大 使用中存在严重的安全隐患 1 2 2 3 无机抗菌材料 1 无机抗菌材料的定义 无机抗菌材料主要是利用银 铜 锌等金属本身所具有的抗菌性能 将银 铜 锌等金属 或其离子 通过物理吸附或离子交换等方法固定于沸石 硅胶等 多孔材料的表面或孔道内 再将其加入到制品中即获得具有抗菌性的材料 2 无机抗菌材料的优点 无机抗菌材料是上世纪8 0 年代研发出的一种新型抗菌材料 相比于有机抗 菌材料 无机抗菌材料具有广谱抗菌性 加工方便 长效 不产生耐药性 化学 稳定性及热稳定性好 安全无毒等优点 在抗菌领域倍受关注 随着人们对环境 质量要求的提高 无机抗菌材料具有广阔的市场前景 无机抗菌材料将无机材料固有的稳定性和抗菌剂的高效性 广谱性相结合 克服了有机抗菌材料的缺点 不足之处是价格比较昂贵及抗菌的迟效性 不能像 有机系抗菌剂那样能迅速杀死细菌 由于无机抗菌剂有着种种优点 无机抗菌材 料的研制 开发已成为目前抗菌材料领域的研究热点 是控制环境微生物的最具 有前景的方法与措施之一 也位于无机功能材料研究的重点中 3 无机抗菌材料的分类 无机抗菌材料根据其对微生物的作用机理可分为两类 一类是光催化半导体 材料 如纳米氧化锌 二氧化钛等 光催化型无机抗菌材料的抗菌机理是依赖光 第l 章绪论 致激发的强氧化自由基而达到杀菌效果 另一类为抗菌活性金属材料 如银系无 机抗菌材料等 抗菌活性金属材料是通过与活性基团如硫基键合或置换金属离子 辅基等方式使微生物失活而起抗菌作用的 光催化型半导体抗菌剂的抗菌性必须借助光照才能起作用 这就大大限制了 它的应用范围 抗菌活性成分为金属的无机抗菌剂是迄今为止研究最广泛的抗菌 剂 它将具有抗菌性的金属离子负载到各种无机载体 如沸石 硅胶等多孔材料 的表面上 使用时通过释放抗菌金属离子或活性氧组份进而使材料达到抗菌和杀 菌效果 金属系无机抗菌剂主要由具有抗菌活性金属离子和无机载体两部分构 成 通常利用离子交换 吸附 沉淀等方法将具有抗菌活性金属离子附着在无机 载体上而制得 抗菌活性金属离子与无机载体有四种结合方式 利用离子交换 化学反应使 抗菌金属离子嵌入无机载体的结构内部 金属离子以物理形式吸附到无机载体 上 用有机化合物或高分子材料对无机载体表面进行处理 使金属离子负载在其 表面上 金属离子与无机载体分子通过化学结合 另一类抗菌材料是化合物本身 中含有银 在实际使用过程中接触到水等介质 通过溶解作用释放出具有抗菌活 性的银离子 此类抗菌材料主要集中于银 铜 锌的难溶化合物 有溴化银 磷 酸银 硫氰酸银 钨酸银 草酸银 碘化银等 它具有无机抗菌材料的安全性高 耐久性 不易产生耐药性等优点 特别是该抗菌材料不利用载体也能达到缓释性 与耐久性 并且制备方法简单 应用也十分广泛 金属系无机抗菌剂中金属离子的释放速率可通过调整其载体的结构来控制 使其具有缓释 控释的功能 抗菌材料方能够在较长的时间内保持有效的灭菌浓 度 从而达到了提高抗菌材料的使用寿命的目的 4 无机抗菌剂的分类 根据无机载体材料的不同 无机抗菌剂可分为 1 以活性碳 2 4 为载体材料 的活性炭抗菌剂 2 以硅酸盐 1 5 1 6 1 为载体材料的硅酸盐系抗菌剂 如沸石抗菌 剂 1 7 郴 和黏土抗菌剂 2 0 2 5 1 3 以磷酸盐为载体材料的磷酸盐系抗菌剂 如羟基 磷灰石抗菌剂 2 6 磷酸锆盐抗菌剂和陶瓷抗菌剂口7 5 以化学稳定性不高 并 能溶于水的磷酸盐或硼酸盐玻璃为载体材料的玻璃基抗菌剂 2 8 3 0 6 g 无机氧 化物为载体材料的抗菌剂 3 l 7 以金属氧化物为载体材料的抗菌剂 如氧化锌口列 等 3 第1 章绪论 1 3 银系抗菌材料 1 3 1 银系抗菌材料的特性 金属系无机抗菌材料常用的金属离子有a g c u 2 z n 2 n i c 0 2 a 1 3 f e m n 2 s n 2 b e m 9 2 及c a 2 等 其中抗菌效果最好的是a 矿 c u 2 和 z n 2 c u 2 n i c 0 2 具有一定的颜色 影响制品的外观 目前广泛应用a r c u 2 和z n 2 作为金属系无机抗菌材料的活性组分 微量的a 矿 c u 2 和z n 2 对人 体是有益的 但对微生物有害 它们的抗菌性能 针对广谱抗菌性 依次减弱 在 所有金属中a g 的杀菌活性名列第2 h g 名列第l 但有毒 现己不用 a g 的抗 菌性约为z n 2 的抗菌性的1 0 0 0 倍 1 3 2 银系抗菌材料的抗菌作用机理 虽然银对微生物的确切机制仍不清楚 但金属银 纳米银 银可能的作用机 制根据已发现的细菌细胞中形态和结构的变化得到了肯定 在细菌细胞中的呼吸 酶发现银的作用机理是与巯基化合物一起的相互作用 银吸附到细菌细胞壁和细 胞膜上抑制呼吸过程1 3 3 例如大肠杆菌 银通过对磷的吸收抑制并从大肠杆菌 细胞释放出磷酸盐 甘露醇 琥珀酸 脯氨酸 谷氨酰胺等发挥作用的 3 4 7 1 h i l l 等在1 9 3 9 年证明了银离子具有杀菌能力 研究表明 银离子对1 2 种革 兰氏阴性菌 8 种革兰氏阳性菌 6 种霉菌均有强烈的杀菌作用p8 1 也有研究表 明 银离子的抗菌机理是破坏细菌 病毒的呼吸功能和细胞分裂的功能 银离子 的抗菌能力在安全使用的几种金属离子中最强 而且所需浓度极低 一般用量为 1 0 6 9 9 g 2 4 h 或 0 5g g m l 1 h 即可灭菌 由于银对人体危害最小 无耐药 广谱抗菌及具有良好的抗菌性能 目前银系抗菌剂在无机抗菌剂中占主导地位 1 3 3 银系抗菌材料的医药学应用实例 银作为一种金属在新石器时代革命开始前就已经投入使用 古希腊人将银用 于烹调 并用其保证饮水安全 3 9 1 数个世纪以来 银一直应用于烧伤和慢性创 伤的治疗 8 世纪 第一次记录到银的医药学应用报告 4 0 1 1 7 0 0 年 硝酸银被 用于治疗性病 唾液腺管漏 肛周脓肿等疾病p 圳 1 9 世纪 硝酸银用于促进伤 口的愈合 新烧伤创面的治疗 4 1 8 8 1 年 c 矾s ec r e d e 使用硝酸银滴眼液治 愈了他的儿子的新生儿眼炎 b c r e d e 专为皮肤移植设计了浸渍银敷料 4 4 第1 章绪论 2 0 世纪4 0 年代 青霉素的发现限制了银在伤1 2 1 感染治疗方面的应用 4 2 1 2 0 世纪6 0 年代 当莫耶介绍了0 5 硝酸银溶液治疗烧伤后 银作为抗菌材料再一 次进入人们的视野 他认为硝酸银溶液不但具有干预表皮细胞增殖的作用 而且 具有对抗金黄色葡萄球菌 绿脓杆菌 大肠杆菌的抗菌性能 3 引 1 9 6 8 年 硝酸 银与氨苯磺胺相结合 形成磺胺嘧啶银 作为一种广谱抗菌剂应用于烧伤治疗 磺胺嘧啶银能有效的对抗细菌如大肠杆菌 金黄色葡萄球菌细菌 克雷伯菌 假 单胞菌等的感染 它还具有抗真菌和抗病毒活性 4 3 最近 由于抗生素耐药菌株的出现 抗生素的应用受到了一定的限制 因此 临床医生转而使用银敷料进行创口的治疗 a i m 公司研制的商品名为r e a l e a r t h 的含银鳌合物的胶体抗菌剂 在医学上能安全地作为消炎药而无副作用 又如氨基酸银 以蛋白质的组成物质氨基酸作为载体 具有与有机高分子聚合物 质相溶性好 疏水性好的优点 对人体安全 对环境友好 医学中最常用的银系 无机抗菌材料是载银医用敷料 在伤口上使用载银医用敷料可以控制伤口上的细 菌 避免伤1 3 的感染和病区内的交叉感染 并且可以促进慢性伤1 3 的愈合 4 5 4 7 j p r a u e n 等 4 8 将载银生物活性玻璃涂在外科缝线上 并在体外观察其抗菌性能 结果表明表面涂有载银抗菌剂的外科缝线抑制细菌粘附能力明显强于无涂层的 外科缝线 且对金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果 1 4 纳米技术 1 4 1 纳米技术的概念 纳米技术 n a n o t e c h n o l o g y 是用单个原子 分子制造物质的科学技术 是 研究结构尺寸在o 1 至1 0 0 纳米范围内材料的性质和应用 纳米科学技术是以许 多现代先进科学技术为基础的科学技术 它是现代科学 混沌物理 量子力学 介观物理 分子生物学 和现代技术 计算机技术 微电子和扫描隧道显微镜技 术 核分析技术 结合的产物 1 4 2 纳米技术的起源及应用 这一切都始于1 9 7 4 年 日本东京大学研究员谷口纪男提出的 纳米技术 这一在纳米尺度精确的进行材料的组装的概念 捌 当时纳米技术的源动力来自 电子工业 其目的是发展工具在4 0 7 0 纳米硅芯片上制造更小型的电子设备 在 这个术语提出来以后 纳米技术 己被越来越多的泛指材料科学的 微小的一 5 第1 章绪论 系列技术 并在电子领域 芯片 计算机 元器件 半导体等被普遍关注 在生 物技术领域 也不断应用在诊断和新的药物输送系统 5 0 5 2 j 纳米技术 可以控制材料在分子水平的科学应用 众所周知 活细胞运作 就是在纳米水平表现的最好的例子 一系列的工作都以极高的效率从相应的材料 中获取能源 核糖体 组蛋白 染色质 高尔基体的内部结构线粒体 光合反应 中心 以及出色的a t p 酶细胞动力都是纳米结构 这些纳米水平细胞器的工作 非常有效率1 5 引 在医学领域由于纳米材料研究而获得新生的药物比比皆是并且广泛应用 纳 米材料在生物医学和工业应用对人类健康和环境有着潜在的利益 现在已被诸多 文献所公认 5 4 5 5 在生物方面 最近的研究着重于纳米材料的大小 形貌 生物 利用度 吸收和亚细胞分布的影响 纳米技术在医学领域的应用最为突出 然而 目前只有很少的纳米产品用于医疗用途 金属纳米颗粒 由于其具有极大的比表面积 显示了其良好的抗菌性能 另 一方面 日益增长的微生物抗对抗抗生素作用和耐药菌株的发展 使纳米金属颗 粒研发成为极具发展潜力的一个方向 人们对不同类型的纳米材料 如铜 锌 钛 5 6 1 镁 金 5 7 1 藻酸盐 5 8 和银等进行了广泛而深入的研究 纳米银因为其独 特的性质 如良好的导电性 化学稳定性 催化和抗菌活性而引起人们的兴趣 脱颖而出 5 9 6 3 1 目前的研究着眼于银纳米粒子在医药开发上的抗细菌 抗真菌 抗病毒 抗炎治疗 同时提高生物相容性 提高这些疗法在人体的利用率 一些 文献也考察了银纳米粒子在肿瘤治疗中的作用 以及关于银纳米粒子如何在药物 靶向系统中应用的可能方式畔j 1 5 银系纳米抗菌材料 1 5 1 银系纳米抗菌材料的定义 纳米载银无机抗菌材料是银与无机纳米载体的复合材料 它是利用纳米载体 较大的比表面积和较高的表面活性的特性 通过物理吸附 离子交换等方法将银 负载在纳米载体上而获得的 第l 章绪论 达到提高银系纳米抗菌材料的生物化学活性 6 5 6 6 1 杀菌能力 6 7 1 的目的 据 h e n g l e i n t 6 8 的研究结果显示 银纳米粒子具有较强的光催化能力 通过激活水和 空气中的氧 产生羟基自由基及负氧离子 从而使其获得光催化杀菌的能力 这 使得其抗菌性能远大于传统的银离子杀菌剂 纳米粒子粘附到细胞膜表面并且渗透进入细菌内 纳米银在细胞中与细菌膜 中含硫的蛋白质相互作用的 当银纳米粒子进入细菌细胞形成一个小分子量区域 细菌的中心 该细菌集团成簇 粒子攻击呼吸链 细胞分裂从而最终导致细胞死 亡 在细菌细胞中该纳米粒子释放出银离子 从而提高其杀菌活性 6 弘 j 由于纳米粒子载体较大的比表面积和极高的表面活性 抗菌剂与细菌能够充 分接触 抗菌剂的使用量可减少 所以银系纳米抗菌剂在抗菌持久 广谱性 耐 高温 无耐药 不易分解 安全卫生及效率高等很多方面有了极大的改善 其抗 菌性能优于传统抗菌剂 可广泛应用于纺织品 塑料 涂料 水处理 陶瓷等的 抗菌处理中 1 5 3 银系纳米抗菌剂的分类 银系抗菌剂纳米载银无机抗菌剂可分为 纳米载银沸石无机抗菌剂 纳米载 银二氧化钛无机抗菌剂 纳米载银氧化锌无机抗菌剂 纳米载银二氧化硅无机抗 菌剂 1 纳米载银沸石无机抗菌剂 沸石是由 s i 0 2 及 a 1 0 4 两种四面体通过共用氧原子构成的三维骨架环状结 构 此结构特征使沸石具有离子交换功能 纳米载银沸石无机抗菌剂正是利用其 阳离子交换性能 将银离子结合到沸石结构中而制得 纳米载银沸石无机抗菌材 料可克服普通载银沸石无机抗菌材料易变色 综合性能差等缺点 是未来取代普 通载银沸石无机抗菌剂的理想材料 2 纳米载银二氧化钛无机抗菌剂 二氧化钛光催化抗菌剂近来已成为人们的研究热点之一 但二氧化钛抗菌剂 需要紫外光照射才能表现出较好的抗菌性 纳米二氧化钛具有较强的紫外线吸收 和屏蔽能力 较强的可见光反射能力 较高的表面催化活性 较强的广谱杀菌功 能等 纳米载银二氧化钛无机抗菌剂有以下几个特点 即有效性高 安全性 高 此类抗菌剂既利用了二氧化钛的光催化作用杀菌 又能克服其在避光处无抗 菌性的缺点 既利用了银的强抗菌性 又使银具有缓释功能 所以抗菌性良好 3 纳米载银氧化锌无机抗菌剂 纳米氧化锌颗粒无味 无毒 质地细腻 难溶于水 具有良好的抗菌性能和 7 第l 章绪论 紫外光屏蔽功能 但不足的是纳米氧化锌和纳米二氧化钛一样 它的抗菌机理属 于光催化机理 只有在光照 尤其是紫外光 作用下纳米氧化锌方能显示出优良的 抗菌性能 4 纳米载银二氧化硅无机抗菌剂 纳米二氧化硅具有其它纳米材料一样的性能 它具有较大的比表面积 表面 存在不同键合状态的羟基 不饱和的残键 以及因缺氧而偏离稳态的硅氧结构 因此 纳米二氧化硅的活性很高 会产生许多奇特的诸如光学屏蔽等性质 纳米 载银 锌二氧化硅无机抗菌剂 可发挥银 锌离子的抗菌协同作用 大大提高了 其抗菌性能 并可减少银系无机抗菌剂变色性的不足 利用纳米粒的特性 人们可以合成原子排列状态完全不同的两种或多种物质 的复合材料 许多研究证明银 聚合物复合抗菌剂能够保留银和聚合物基体的主 要特色 并能通过复合效应获得原组分所不具备的性能 这是一项重要的节银技 术 同时拓宽了高分子材料的应用领域 7 2 7 3 1 5 4 纳米银材料抗微生物作用 最新出现的纳米技术为在医药上使用纳米银治疗提供了一种新的途径 现代 医学之父希波克拉底认为银具有促进愈合和抗病性能 并且可以用于治疗溃疡 但实际上 药用主要是银的化合物 在抗生素还没有出现的第一次世界大战中 当时银的化合物被用来治疗伤口感染 现在金属银正在以一种非常新颖的形态和 特性被用于医学工程技术中 金属银并不制成体积很大 而是制成非常细小的颗 粒 其大小在纳米量级 4 0 7 4 7 8 当达到纳米量级时 就像是其它纳米材料或是微 观大小的物质一样 银纳米粒子表现出超乎寻常的理化性质和生物活性 这些独 特的性能广泛的应用在抗细菌 抗真菌 抗病毒和抗炎的治疗中 1 5 4 1 纳米银材料强力抗菌作用研究 微生物 细菌 酵母和真菌 通过还原金属离子来纠正有毒金属中毒的过程 中起着十分重要的作用 如今人们已经了解纳米银具有抑菌和杀菌的作用 因此 纳米银作为抗菌剂理应得到广泛的推广应用 7 5 7 9 8 3 抗生素和纳米银粒子的结合 使用证明具有较强的协同抗菌作用 这种抗菌效果在使用纸片扩散法测定金黄色 葡萄球菌和大肠杆菌的过程中首次被发现的 在结合应用纳米银抗菌试验的两个 菌株测试中发现青霉素 阿莫西林 红霉素 克林霉素 万古霉素的抗菌活性得 到提高 而在抗生素的测试中并没有发现同样的效果 在结合试验中 上述抗生 素对大肠杆菌的抗菌活性比对金黄色葡萄球菌低 与之比较 红霉素与纳米银对 8 第1 章绪论 抗金黄色葡萄球菌表现出最强的协同作用 骨修复材料聚甲基丙烯酸甲酯作为骨水泥 是人工关节接合的权威标准 像 所有的生物材料一样 当聚甲基丙烯酸甲酯进入人体 植入比较重要的组织时受 感染的风险会升高 8 4 8 5 因此 以抗生素载入聚甲基丙烯酸甲酯使用己被证明是 一个很好的降低感染率的方法 b u c h h o l z 和e n g e l b r e c h t t s 6 是第一个用抗生素作 为载体使用骨结合剂减少关节置换手术感染率的人 t h i e r s e 8 7 1 1 拘报告第一个证 实用庆大霉素作为载体使用骨结合剂比纯粹使用聚甲基丙烯酸甲酯更能降低感 染率 w a n n s k e 和t s c h e m e t 8 8 j 前瞻性的证实以抗生素作为载体和纯粹的聚甲基丙 烯酸甲酯在抗菌活性上是存在显著差异的 已发现在骨结合剂中掺和纳米银具有 抑制细菌细胞的增殖的效果 抗菌的效果与银含量的增加成正比 纳米银骨结合 剂对细胞的毒性影响是很小的 因此它适用于治疗关节成型手术 在骨结合剂中 常使用的抗生素是妥布霉素和庆大霉素 8 9 1 s o n d i 和s a l o p e k s o n d i l 9 0 j 报道了纳米银对以大肠杆菌为代表菌株的革兰氏 阴性菌的抗菌活性 从s e m 照片来看 银纳米粒和死细菌细胞形成了聚合复合 物 该文献同时还指出 银纳米粒与细菌细胞膜相互作用 导致细胞的损害 透 射电镜分析和e d a x 研究证实到的银纳米粒结合到细胞膜的固有成分 从而导 致细胞膜表面形成凹陷 他们的结论是纳米材料可能是简单的 高效低耗 适用 于制备成新型的抗菌材料 b u t k u s 等研究了银离子和紫外线辐射对r n a 病毒的协同效应抗病毒 它可 以有效地提高紫外线辐射的抗病毒性能 这种增强的紫外线辐射可用来使病原体 失活 如脊髓灰质炎病毒 诺沃克病毒和肠道腺病毒 银和紫外线之间的协同反 应当银离子的浓度介于o 0 1 1 m g l 时最为敏感 而对于银浓度高于1 m l 没有 观察到失活效应 b a k e r 等 9 l 报道了通过惰性气体冷凝和协同冷凝技术合成纳米粒 抗菌纳 米粒的效率通过对抗在液体和固体培养基中的大肠杆菌进行测试 观察到该纳米 粒在低浓度表现出较好的抗菌活性 纳米粒在8 1 a g c m 2 浓度时表现出对大肠杆菌 具有细胞毒性 银纳米抗菌活性机制被认为是与纳米粒的表面积与体积比有关 具有较大的表面积与体积比的小颗粒具有更好的抗菌活性 m o r o n e s 等 9 2 研究使用高角环形暗场扫描透射电子显微镜 h a a d f 和透 射电子显微镜 t e m 观察1 1 0 0 n m 的纳米银对革兰氏阴性菌的作用 为了研 究纳米粉体应用于商业的可行性并将纳米粒引入水中与水相互作用 该纳米颗粒 表征通过透射电镜 t e m 来观察 将含有不同浓度 o 2 5 5 0 7 5 1 0 0 p g m l q 纳米银的l b 培养基中加入1 0 1 l i 大肠杆菌培养初始菌液进行相互作用 这种相互 作用当不断增长的细菌细胞数到达对数中期时 在5 9 5 n m 处通过测定光吸收度 9 第1 章绪论 值进行测量与分析 通过溶出伏安分析测纳米银的电化学性质 t e m 分析表明 纳米粒的大小在1 6 n m 左右 同时 在h r t e m 研究表明纳米银颗粒形貌为八面 体 复孪晶三十二面体 十面体形状的纳米颗粒 不同浓度的纳米银对细菌生长 影响表明 在浓度高于7 5 p g m l 以并无显著的细菌生长 扫描透射电子显微镜 s t e m 分析表明在细菌细胞膜和菌体内存在银纳米颗粒 只有个别颗粒存在 于细胞膜的表面 高角环形暗场扫描透射电子显微镜 h a a d f 图像表明 小 于 约5 r i m 的纳米粒子抗菌活性更有效 从而得出结论认为 颗粒尺寸的大小 决定了纳米银的抗菌活性 y a m a n a k a 等 9 3 利用能量过滤式透射电子显微镜 e f t e m 双向电泳 f 2 d e 基质辅助激光解吸飞行时间质谱 m a l d i t o fm s 观察以大肠杆菌为生 物模型研究银离子的抑菌效率 从上面的表征技术发现 银离子渗入到细菌细胞 而存在于细胞膜 在双向电泳分析 2 d e f l 的m a l d i t o f 质谱分析指出 核糖 体亚基蛋白和一些酶和蛋白受银离子的影响 因此 结论认为最终导致银离子杀 菌作用基本上是由于银离子和核糖体的相互作用 酶和蛋白的抑制和表达对产生 a t p 很有必要 p a n a c e k 等 9 4 报导了银胶质纳米粒一步合成法 他们发现纳米银对革兰氏阳 性菌和革兰氏阴性菌包括多重抗药性菌株例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有 较高的抗菌和抑菌活性 银的抗菌活性主要取决于纳米粒的大小 该合成方法中 的2 5 n m 纳米粒抗菌活性最高 纳米颗粒在银浓度为1 6 9 p g m l 1 对细菌仍具有细 胞毒性 l e a p e r 9 5 研究了银敷料的使用 纳米晶银敷料在创口处理中的作用以及其在 伤口愈合中的作用 纳米银能促进局部烧伤创面愈合 这提供了一种更好的无疤 痕愈合i 拘g j 面治疗的方案p 6 p a l 等 9 1 7 1 研究了不同形状的纳米银的抗菌性能 发现了纳米银抗菌性能也取 决于粒子的形貌 银纳米粒通过晶种生长法制备球形纳米颗粒和液相法合成棒 状 截角三角形纳米颗粒 纳米银的表征以紫外可见光谱和能量过滤式透射电子 显微镜 e f t e m 观察 由晶种生长法合成的同时也被透射电镜图像 t e m 证实的银纳米粒的紫外可见光谱在4 2 0 n m 处有吸收带 这表明了球状纳米粒的 存在 液相法合成的纳米粒表明在4 1 8 n m 和5 1 4 n m 有两个吸收带 合成的棒状 纳米颗粒形貌被e f t e m 表征 同时合成的截角三角形纳米颗粒由x 射线衍射仪 x r d 证实 生成的纳米颗粒在离心清洗然后再分散在水中 为了测量纳米 银对大肠杆菌 a t c c1 0 5 3 6 的抗菌动力学效应 大肠杆菌被接种于含有不同 浓度的营养肉汤培养基 在3 7 c 2 2 5 r p m 摇床培养 在4 2 0 n m 处测定混合物的 光吸收度值 以分析细菌的生长情况 营养琼脂平板接种分别用不同浓度的纳米 1 0 第1 章绪论 银 1 6 1 2 1 2 5 5 0 或1 0 0 9 9 m l 以 处理的1 0 0 p l 的菌液来评估细菌对纳米 银的敏感性 该平板在3 7 0 c 过夜培养 以上实验研究观察到银含量在1 2 5 9 9 m l 以 时 球状纳米粒抑制细菌的生长 而截角三角型纳米粒在银含量为1 嵋 m l 1 情况 下细菌生长受到抑制 通过营养琼脂平板上的细菌菌落观察到球形纳米颗粒在银 纳米颗粒浓度为6 9 9 m l 1 时显著抑制了细菌菌落的形成 含1 0 9 9 m l 以银的截角 三角形纳米粒的同样能显著抑制细菌菌落的形成 这些研究结果表明 纳米银颗 粒的形貌对其抗菌活性具有同样重要的影响 g o n g 等一驯报道合成双功能的f e 3 0 4 a g 纳米粒具有超顺磁性和抗菌性能 且对大肠杆菌 金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌表现出较好的抑菌性能 通过反 胶束法合成的f e 3 0 4 a g 纳米粒 纳米粒用紫外可见光谱 u v s 透射电子 显微镜 t e m 和x 射线衍射 x r d 进行表征和测试 以测定最低抑菌浓度 m i c 来验证f e 3 0 4 a g 纳米粒的抑菌性能 大肠杆菌 枯草杆菌和金黄色葡萄球菌三 个菌株初始菌悬液由菌种在l b 培养基3 7 0 c 培养到1 0 8 1 0 9 c f u 时培养而成 7 5 微升细菌菌液添加到1 5 毫升含有0 l o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 1 0 0 9 9 m l d f e 3 0 4 a g 复合纳米颗粒l b 培养基中 在3 7 2 0 0 r p m 摇床培养2 4 小时 细 菌的生长受到抑制时的浓度作为最低抑菌浓度 大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的m i c 值为 7 0 嵋 m l 而金黄色葡萄球菌的为 6 0 9 9 m l 抗菌活性使用细胞计数仪 进行测定 f e 3 0 4 a g