（发酵工程专业论文）pvc季铵盐siox抗菌纳米复合材料的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文摘要 摘要 2 l 世纪，抗茵材料在健康方面所起的作用日益凸显。p v c 作为用途极广的 通用树脂之一，赋予p v c 抗菌功能不仅拓展了其应用领域、同时也加快了其功 能化进程。随着p v c 制品在室内装饰及输水管道上的普遍应用，与人们的接触 日益紧密。而p v c 加工所需增塑剂使细菌较易在其表面附着生长，造成了疾病 传播等危害。材料的抗菌特性可阻断细菌传染链，使人们的健康得到保障。 本论文研究了抗菌纳米复合材料的制备与应用。主要内容包括：表面高分 子季铵化的纳米s i o x 抗菌颗粒( 简称q s i o x ) 的制备及性能研究，p v c q - s i o x 抗菌纳米复合材料的制备及性能研究，比较各种p v c 抗菌材料性能及进行中等 工业化规模试验。 q - s i o x 抗菌颗粒的制备是以纳米s i o x 为载体，通过活化剂处理、高分子聚 乙烯亚胺( p e i ) 接枝及烷基化修饰，使其表面形成高分子季铵盐。通过抗菌率 测试，q s i o x 颗粒对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌均有较强的杀灭效果( 抗菌 率达9 0 左右) 。对放置超过1 2 个月的颗粒抗菌测试后，其抗菌率基本无变化， 说明通过共价接枝制备的q - s i o x 属于非缓释抗菌剂，其具备良好的抗菌长效的 特点。p i 荧光染色与电镜观察等微观抗菌行为研究表明，q s i o x 颗粒的抗菌过 程是通过破坏细胞膜结构来实现的，电镜照片直观地表现出细胞破坏程度的变 化，展现了颗粒抗菌的微观机理。 开展了抗菌q - s i o x 在p v c 材料中的应用研究。通过熔融共混挤出的方法， 制备了p v c q s i o x 抗菌纳米复合材料。材料的抗菌效果、力学性能检测结果表 明，q - s i o x 含量为1 的材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到 8 9 和9 2 ；与对照p v c 材料相比，其拉伸强度和冲击强度分别提高了6 6 3 和1 2 4 1 ；经过自然放置( 1 2 个月) 并加速老化试验后，材料的抗菌性能稳 定保持，表现出良好的抗菌长效特性。通过构建模型，从分子水平推测了其抗菌 与力学改性作用的机理，包括表面抗菌作用过程、颗粒结合作用及纳米力学改性 效果。 基于p v c q - s i o x 抗菌纳米复合材料的基础上进行了扩大规模试验，将 q - s i o x 应用于p v c 型材，母粒及管材。对产品的抗菌及力学等性能进行了评价， 赛髑大学硕士学位论文 a b s t r a c t 结果表明其抗菌效果及力学性能均表现良好。通过母粒制备的二次混合方法，不 仅使产品获得了更好的力学性能，同时也获得了抗菌母粒产晶。 关键词：( 季铵盐) s i o x ：抗菌p v c ；杀菌剂；分散性；增韧增强。 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n t i b a c t e r i a lm a t e r i a l sa r eb e c o m i n gi n e r e a s i n 酉yi m p o r t a n tn o to n l yi nt h e h o s p i t a la n dh e a l t h c a r ee n v i r o n m e n t s ，b u ta l s of o rl a b o r a t o r y , h o m e , m a r i n ea n ds o m e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s m a t e r i a l sa n ds y s t e m sa r eb e i n gd e v e l o p e dt op r e v e n tt h eb u i l d u p ，s p r e a da n dt r a n s f e ro f h a r m f u lb a c t e r i aa n dv i r u s e s ，a sw e l l 蠲a c t i v e l yd i s a b l i n g t h e m 。 t h ep r e p a r a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ea n t i b a c t e r i a ln a n o c o m p o s i t e sw e r e s t u d i e di nt h i sp a p e r i tm a i n l yi n c l u d e s ：t h ep r e p a r a t i o na n da n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e so f h i 曲一m o l e c u l e rs u r f a c e - q u a t e m i z e ds i o xa n t i b a c t e r i a ln a n op a r t i c l e s ，t h ep r e p a r a t i o n o fp v c q - s i o xa n t i b a c t e r i a ln a n o c o m p o s i t e sm a t e r i a l s ，t h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n t a n t i b a n c t e r i a lm a t e r i a l s ，a n dt h es c a l e - u pe x p e r i m e n t su n d e rp i l o t - p l a n t s c a l e q - s i o x a n t i b a c t e r i a l p a r t i c l e s w e r ep r e p a r e d b y s u r f a c e - c o v e r e dw i t h h i g h - m o l e c u l a rq u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l t sa n dm e yw e r et r e a t e db ya c t i v a t i o n r e a g e n t , r e a c t e dw i 氇h i g h - m o l e c u l a r - w e i g h tp o l y e t h y l e n i m i n e ( p e i ) a n dm o d i f i e db y t h eh a l i d e t h ea n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s ，a n t i b a c t e r i a lp e r m a n e n c ea n da n t i b a c t e r i a l m e c h a n i s mo ft h eq - s i o xp a r t i c l e sw e r es t u d i e d , a n dt h er e s u l t ss h o w e do u tt h eh i 啦 a n t i r a t et o w a r db o t h g r a m - p o s i t i v e a n d g r a m n e g a t i v e b a c t e r i aa n d g o o d a n t i b a c t e r i a lp e r m a n e n c e t h es h a p ev a r i e t i e so fb a c t e r i aa n dm i c r o c o s m i c a n t i m i c r o b i a lp r o c e s sw e r es t u d i e dt h r o u g ht e mm i c r o s c o p ya n dp ie x p e r i m e n t s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec e l ls t r u c t u r eo fb a c t e r i ac o u l db ed e s t r o y e de f f e c t u a l l yb y q s i o xp a r t i c l e s t h ea n t i b a c t e r i a lp v c q - s i o xn a n o c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db ym e l t i n g l y b l e n d i n go fp v ca n dq s i o xn a n o p a r t i c l e s t h ea n t i b a c t e r i a l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n da n t i b a c t e r i a lp e r m a n e n c eo ft h em a t e r i a l sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ee f f i c i e n c yo fa n t i b a c t e r i a lt oe c o l ia n ds a u r e u so ft h ec o m p o s i t e sw a s8 9 a n d 鳓r e s p e c t i v e l y , t h ec o m p o s i t e sh a dh i g h e rt e n s i l es t r e n g t ha n di m p a c ts t r e n g t ht h a n t h a to fc o n t r o lp v ci n6 6 3 a n d1 2 4 1 r e s p e c t i v e l y i ta l s os h o w e dt h a tt h e c o m p o s i t e sh a dg o o db a c t e r i c i d a lp e r m a n e n c e a n dt h em e c h a n i s mo fs y n e r g i s t i c s t r e n g t h e n i n ga n da n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s o np v cw a se x p l a i n e db ys e t t i n g 贵州大学硕士学位论文 al，s嘲 一 b a s e do nt h e l a b l e v e l e x p e r i m e n t o fp v c q - s i o x m a t e r i a l s , s c a l e - u p e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tf o rp v c p r o f i l e , p i p ea n da n t i b a c t e r i a lm a s t e 而a t c h t h e a n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da n t i b a c t e r i a lp e r m a n e n c eo ft h e p r o d u c t sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p e r t i e so fm e mw e r e w e l l - m a i n t a i n e da f t e rs c a l e - u p e x p e r i m e n t s b yt w i c e - b l e n d i n g , t h em 础a 越c 8 | p r o p e r t i e so fp r o d u c t sw e r ei m p r o v e d , a n di ta l s o p r o v i d e da n t i b a c t e r i a lp v c m a s t e r b a t c hp r o d u c t s k e yw o r d s ：( q u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l t ) - s i o x ；a n t i b a c t e r i a lp v c ；m i c r o b i c i d e ； d i s p e r s i b i l i t y ；t o u g h e na n ds t r e n g t h e n 贵州丈学硕士学位论文附泶 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由苓人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毖玲炜签名：越期：2 q q 墨垒蔓 6 3 贵州大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 抗菌、抗菌剂及抗菌材料 “抗菌 ( a n t i m i c r o b i a l ) 是指在一定时间内抑制细菌、真菌等微生物的生 长、繁殖和存活。“抗菌剂”一般是指可以添加到材料当中，赋予材料抗菌性能的 物质，抗菌材料”的制备通常是在材料中直接添加抗菌剂，或者以其他方式将抗 菌基团引入到材料当中，使其获得抗菌性1 2 , 3 1 。 抗菌材料f 铂】自身具有杀灭或抑制微生物功能，虽然在自然界中有许多物质本 身就有良好的杀菌和抑制微生物的功能，如部分带有特定基团的有机化合物，一 些无机金属材料及其化合物、部分矿物和天然物质，但目前抗菌材料更多的是通 过添加一定的抗菌剂从而使其能够抑制或杀灭其表面的微生物。 与常规的物理或化学消毒方法相比，使用抗菌材料具有时效长、既经济又方 便等优点。在许多公共场合触摸频繁的部位，如电话、公交车扶手、电梯按钮、 电脑键盘、电器开关上使用抗菌材料，可以有效地断绝病菌的“污染源”和“传播 源”。在家居用品上使用抗菌材料，有助于改善生活环境，提高卫生质量。 1 2 无机抗菌剂 无机抗菌剂是利用银、铜、锌、钛等金属及其离子的杀菌或抑菌能力制得的 一类抗菌剂。目前无机抗菌剂通常是由具有抗菌活性的金属离子和载体组成的体 系。载体的选用以无机的多孔材料为主，常见的有多孔型硅酸盐载体如沸石、黏 土，不溶性磷酸盐载体如羟基磷灰石、磷酸钛盐、磷酸锆盐，陶瓷、活性碳等。 在各种金属中，以银的灭菌效力最为显著，其中一价银离子( a 矿) 对多种致病 细菌都有强烈的杀灭效果，而且所需的浓度极低，一般用量为1 0 r 6 ( m o l l ) 即 可灭菌。在其它金属中，汞和铅虽然抗菌活性很强，但其毒性太大，不适合普通 场合作抗菌剂用：铜和锌虽然毒性低，但灭菌活性不是很高，况且铜本身带有颜 色，在一定程度上限制了它的应用。 贵州大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 有机( 高分子) 抗菌剂 有机抗菌裁品种很多，根据有机抗菌剂的化学分子结构可以将其分成2 0 余 大类，常见的有卤化物、有机锡、异噻唑、吡啶金属盐、咪唑酮、醛类化合物、 季铵盐等许多种，绝大部分是有机小分子物质。有机抗菌齐j 的用量相对较少，一 般在l 铲级甚至l o 一级就有明显的抗菌效果。 1 3 1 高分子季铵盐类抗菌剂 艄p 【n 卜帆一毒 叶h c h 2 q ? h 2 渊一? 一酬3 a + r = c h 2 c h 3 ，c h ( c h 3 ) 2 ，( c h 3 ) 3 c h 3 ， f c h o 、。c h 口f c h 。k c c h 口e t 图1 1 聚季铵盐型高分子抗菌齐j 的结构示意圈 2 贵州大学硕士学位论文第一章文献综述 j i a nl i n 等翻分别以玻璃、纤维、纳米颗粒为载体，先用西溴丁酰氯对其进行 处理，然后将这些载体与高分子聚乙烯亚胺( p e i ) 在有机溶剂中一起反应，最 后用卤代烷对p e i 进行修饰，制成具有抗菌功能的高分子季铵盐，结构如图1 2 所示。对这种高分子季铵盐进行抗菌检测，结果表明其具备了很强的抗菌力。 p 0 - - ( c h 2 ) 3 - 陡七 图1 2 聚高分子季铵盐抗菌剂化学结构 1 3 。2 高分子季膦盐类抗菌剂 a k i h i k ok a n a z a w a 等f 8 1 研制了以季膦盐为抗菌基团的高分子抗菌剂。他们发 现这种高分子抗菌剂的抗菌活性不仅眈相应的小分子高，而且要比相同结构的季 铵盐型高分子抗菌剂高出两个数量级，如图1 3 所示。对季膦盐上不同的取代基 抗菌活性的研究表明，含有较长链( 辛基) 的化合物有特别高的抗菌活性，可能 是疏水性的提高有利于提高对细菌的杀灭力。 - c h a 一盹| j i i 时产恤一陆一恤一陆。 亨意辜一。吣亨蒜吣孓附 交 rrr 图1 3 聚季膦盐抗菌翔与小分子季膦盐抗菌剂 a k i h i k ok a l l a z a w a 等【咒合成了含长烷基链( cl 良cl8 ) 的聚季膦盐，并考察了 烷基链的长度对抗菌活性的影响。他们发现与小分子抗菌剂有所不同，离分子抗 3 贵州大学硕士学位论文第一章文献综述 菌剂的抗茵活性随着烷基链的伸长而降低。袍们进一步合成了含季膦盐和季铵盐 基团的共聚物【l o j ，并考察了聚季膦盐和聚季铵盐化合物抗菌的协同效应。 e 1 r c f a i ek e n a w y 等瑟1 1 人以环氧丙基异丁烯酸酯( g m a ) 为单体，合成丙二 醇单丙烯酸酯( p g m a ) 聚合物，再对这个聚合物进一步修饰，制得聚季膦盐高 分子抗菌剂。反应最终产物的化学结构如图1 4 所示。对这个聚合物进行抗菌检 测表明，它对g + 菌和真菌有很好的抗菌效果，而对g + 荫的抗菌力要差些。 + 吼一彳h 七a 1 i 洲2 一c lh - - ? h 2 ii l c r p h 3 l b + p + p h a c i 。 彳：2 彳h 2 图1 4 聚季膦盐高分子抗菌剂化学结构示意图 1 3 3 其饱裔分子抗麓裁 带烷基链的有机锡基团具有良好的抗菌活性，一般利用o - s n 和n - s n 键将其 键合到单体和聚合物上。n a y c fs a 1 m u a i k e l 等【1 2 1 合成了两种含有机锡的单体， 并将其和苯乙烯进行共聚。对单体和共聚物的抗菌性研究表臻，含有机锡基团的 抗菌剂对革兰氏阳性菌，尤其是对金黄色葡萄球菌有很好的杀灭率。对革兰氏阴 性菌的杀灭率相对较低。单体共聚矗，由于抗菌基匿浓度下降，抗菌活性也随着 下降。 高分子蠢代胺类抗蔼剂。y u y us u n 等【1 3 】通过高分子化学反应会成了聚( 1 , 3 ，5 兰氯6 甲基( 4 乙烯基苯基) 1 , 3 ，5 一三嗪- 2 ， 三酮) 。由于这种抗菌剂不溶于水， 蔼且在水中氯溶解量小于l m g l ，所以可阻用予净化饮用水。 4 贵州大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 高分子材料引入抗菌基团的方式 抗菌基团是赋予材料抗菌性能的主体，抗菌翔( 基团) 的弓i 入方式对材料 整体的抗菌效果也起n t 重要的作用【4 】。 一般引入抗菌基露的方式大致可以分为物理法和化学法。在物理法操作过 程中，抗菌剂往往与其它材料一起共混或吸附在材料上，这种结合方式不牢固， 抗菌裁容易从材料上脱落，抗菌材料的抗菌性能会随着时间的延长而降低，同时 会在一定穰度上造成环境污染。近年，学者对抗菌材料研究越来越深入，考虑采 用化学键含的方法在材料中引入抗菌基团已经越来越受到重视。与物理法相比， 化学法的优势很明显，它能把抗菌剂和材料牢牢地结合在一起。 按照等 入和固定抗菌基团键合的作用不同，可以把抗菌基团的弓l 入方式分为 复合和涂覆( 主要是分子问作用力) 、用配位键固定抗菌基团及用共价键固定抗 菌基团三种。 1 4 。1 复合和涂覆 在抗菌高分子材料的制备过程中，可以将抗菌剂( 通常为粉体) 复合加到塑 料中，混合均匀后赢接进行成型加工，制备得到相应的抗菌塑料制品。这种方法 是制各抗蔚材料最箍单的方法，且成本低。若能解决抗菌剂以团聚体分数的闯题， 使其均匀分布在基材中，则能获得优良的抗菌材料。 1 4 。2 魇配位键固定抗菌裁 无视的抗萤离予在抗菌的广谱性和安全性上都要优予有枕抗菌基匪，但是游 离的无机抗菌离子难以控制其释放量，多余的抗菌离予很容易污染周围的环境。 仅仅用复合和涂覆法是不能解决这个问题的。为了解决这个闷题，一般通过化学 键合的作用，将抗菌基团固定在材料上，这样就可以控制a 矿等离子的盲目释放。 1 4 3 用共价键固定抗菌基团 通过辐射在聚烯烃链上孳l 入功能基团是最典型的方法。匿前辐射的方式主 要有光照、放射线照射、紫外线辐射及等离子照射等。此外，在高分子有机抗菌 5 贵州大学硕士学位论文第一章文献综述 材料的制备过程中，以接枝方式弓l 入抗菌基团楚也是常见的方法之一。通常用双 功能试剂( 如硅烷类偶联剂) 对材料进行预处理，使材料带上一些功能基团，然 鼯将抗菌基团接枝在材料上，制成具有抗菌功能的材料。 李风艳等【1 5 1 以硅胶为载体，先在硅胶表面上固载p 氯丙基三甲氧基硅氧烷， 然后将处理后的硅胶与十二叔胺在= 氧六环溶液中室溢反应4 8 小时，最后制成 了具有抗菌活性的硅胶，制备过程如图1 5 所示。对最终的产品进行抗菌检测发 现其对异样菡的杀菌率在9 0 以上，这种硅胶为水处理带来了一种新途径。 一。十眺嗣 o m e 0 m e p 。一卜蚴剩 o m e 八? ? h 3 一p 。一i - - ( c h 2 ) 3 - - 卜， o m e c h 3 图1 5 抗菌硅胶的表面接枝反应制备过程 1 5 高分子抗菌复合材料 1 5 1 抗菌塑料 高分子材料本身( 基材树脂) 并不能给微生物提供营养源，然而高分子加工 过程中需添加多种助荆可被微生物利用，从而造成材料松数、寿命降低。微生物 对塑料的破坏会还引起塑料制品的变质，这种变质是一种化学变化，直接导致塑 料制品力学性能、电性能等发生一些变化，使材料失去应有的价值。其中细菌、 霉菌等微生物侵蚀增塑剂表现尤为明显，如油酸酯类、硬脂酸酯类、环氧脂肪类， 邻苯二甲酸酯类，甲苯磺酸酯类。为解决此闯题，加工过程中一般添加抗微生物 添加剂，如肽酰亚胺、异噻脞、喹啉铜等。但是，随着技术的发展这些有较大毒 性的添加剂暴露出不足之处，含有这些添加荆的制品被指定为避免与人体、饮用 水及食品直接接触材料，这就需要新代高安全性抗菌剂的研制。此外，高分子 6 即 h吒 c | n c + 赛强大学矮士学餐论文第一章文献综述 医用材料相关性感染的危害暴露，与之相关的医院悫感染赫题正尽益弓l 起人们的 关注f 1 6 】。 1 5 2 抗菌聚氯乙烯( p v c ) 材料 聚氯乙烯是一种性裁优良，应建广泛的透用型树嚣。鐾嚣在聚氯乙烯箴晶市 场中，翔予硬铡晶生产的挺脂漕耗量极大，其在型材门窗，管材及室蠹装饰材料 占骞率也在逐年提嘉。2 0 0 4 年，率嚣聚氯乙矮产量已经超过5 0 0 万吨，羼沈增 长2 6 ；2 0 0 5 年上半隼产量达3 1 2 万吨，霹魄增长2 寒。刭2 0 0 5 年赢，中嚣聚 氯乙烯产能将达9 3 0 多万吨，将超过美国成为世界第一大聚氯乙烯生产i n t l 7 i 。 聚氯乙烯侔为王程塑料霹肄，不断趋向予功麓纯。聚氯忍烯纳米改链是冀孛 的一个主要方鬣。8 年代k r u a u c h i 等嘲提出了剐健粒予增强、增韧聚合物鲍概 念，这耪想法强调热入剐性粒子在保证不降低基体塑料强度鞠蹦性的同时，可提 高基体冲击性笺，焉且改性材料嚣加王流动性和热变形温度瞧不受影响。纳米技 术豹出现则轰聚氯乙烯的增强增韧改绦提供了一静薪酶方法秘途径，将纳米粒子 孳l 入到聚氯乙烯中可使季才料的强度、韧性鬻尺寸稳定缝协露提高，可解决强度稻 韧性的矛詹。纳米粒子其有一系列德赵嚣物理耩讫学特性 1 2 个月) 的抗菌颗粒进行了长效 性评估；通过p l 荧光染色实验及电镜直接观察对颗粒的抗菌机理进行了一定蛉 阐述。 ( 2 ) 开展了抗菌q - s i o x 在p v c 材料中的应用研究。通过熔融共混挤出的方 法，制备了p v c q - s i o x 抗菡纳米复合材料。严格按照抗菌材料标准对复合材料 的抗菌效果进行了评价，遥过巍然放置( 1 2 个月) 及加速老纯( 1 5 天) 对其进 行了长效性测试，按力学检测匿家标准对材料进行了测试。通过构建模型，推测 其抗菌性麓与力学改性捺鼹作用的枫理。 3 基于p v c q s i o x 抗嫠纳米复合材料的基础上进行了扩大规模试验，将 q - s i o x 应用于p v c 型材，母粒及管材。对产品的抗菌及力学等性能进行了评价。 通过母粒铡备的二次混合方法，不仅使产品获得了更好的力学性能，嚣时也获得 了抗菌母粒产品。 9 贵州大学硕士学位论文第二章抗菌纳米颗粒q - s i o x 制备及性能 2 1 引言 第二章抗菌纳米颗粒q s i o x 的制备及性能 季铵盐类抗菌剂是研究较多的一类有机抗菌剂，高分子季铵盐由于其优良的 抗菌性能、较好的稳定性和较高的安全性已成为当今抗菌剂研究和开发的一个热 点【n 2 。本章介绍的高分子季铵盐是在纳米载体上以共价方式接枝具有抗菌功能 的有机高分子季铵盐。以纳米材料为载体，先用活化剂对其进行处理，使纳米材 料表面带上活性官能基团，然后将活化后的纳米材料与高分子胺类聚合物在有机 溶剂里反应，最后用其它有机化合物进行修饰，最终制成携带高分子季铵盐抗菌 剂的抗菌纳米材料，由于抗菌功能的高分子与纳米颗粒之间是共价连接的，不易 脱落，抗菌分子不必经过缓慢释放到材料表面产生抗菌功能，而是通过接触杀菌。 本章还介绍了q s i o x 抗菌性能的相关检测，抗菌长效性及抗菌机理的方面的内 容。 2 2 材料与设备 2 2 1 主要试剂、原料及来源 表2 - 1 试剂规格 l o 贵州大学硕士学位论文第二章抗菌纳米颗粒q - s i o x 制备及性能 洁净工作台 漩涡混合器 电热恒温培养箱 电热鼓风干燥箱 立式压力蒸汽灭菌器 离心沉淀机 分光光度计 恒温磁力搅拌器 电子精密天平 s w c j i f d 型 x h c 型 h h b l l - - 4 2 0 型 d b 2 0 6 s c 型 y x q - l s 5 0 s i 型 l x j 型 7 2 1 1 0 0 型 8 1 - 2 型 朋晒2 0 型 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 江苏省姜堰市康健医疗器具有限公司 上海跃进医疗器械厂 成都天字试验设备有限责任公司 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 上海医用分析仪器厂 上海第三分析仪器厂 上海司乐仪器有限公司 奥豪斯仪器公司 2 3 实验方法 2 3 1 抗菌q - s i o x 颗粒的制备 抗菌q s i o x 颗粒的制备是通过一系列的有机合成方法，使纳米s i o x 颗粒在 表面形成了接枝高分子有机链，赋予纳米s i o x 抗菌性能。 反应过程如图2 1 所示，整个反应分四步完成，具体如下： 纳米q - s i o x 颗粒的活化 暴露于硅表面的硅原子倾向于与氧原子的四面体配位，通常以结合单价羟 基，即形成表面硅羟基来完成这种配位结构陇l 。在本步反应中，选用四溴丁酰氯 和卜氯丙基三甲氧基硅烷作活化剂，对纳米s i o x 进行处理，使纳米s i o x 带上 活性官能团。反应过程如图2 1 中s t e p l 所示。具体操作步骤：加入s i o x ( 15 0 9 ) ， 二氧六环( 5 0 0 - - - 1 5 0 0 m 1 ) ，硅烷( 1 5 0 9 ) ，8 0 摄氏度水浴，搅拌反应2 4 小时， 再通过甲醇洗涤，最后干燥。 纳米q - s i o x 颗粒的胺基化 本步反应选用了高分子聚乙烯亚胺( p e i ) 作为高分子含胺化合物，目的是 贵州大学硕士学位论文 第二章抗菌纳米颗粒q - s i o x 制备及性能 在纳米s i o x 表面接技上高分子含胺化合物。反应过程如图2 1 中s t e p 2 所示。 具体操作步骤：取上一步干燥产物，加入p e i ( 2 0 0 9 ) ，异丁醇( 5 0 0 - 1 5 0 0 ) ， 水浴8 0 摄氐度，搅拌反应2 4 h ，再洗涤干燥。 s 下e pl ： 9 。h s t e p 2 ： + = o 二蒜0 = 薄l+*-卜ch2-chz-nh-；ome_ ；- 一 兮。十hl s t e p 3a n d4 ： a 十严c h 2 - 一t 。 lo m e 萨扣盼c 屹 e ：屯心喜矬r 0 e 吁嗡一| 9 吁一 禽辎卜嫩叫一l 拙r 兮# 别l 兮掣。 图2 1 抗菌纳米q s i o x 颗粒的制各过程 纳米s i o x 颗粒的烷基化 本步反应选用的烷基化试剂是溴己烷。由予烷基化试裁的碳链长短稳抗菌效 果直接相关，烷基化试剂碳链长度为6 时的抗菌效果最好f 2 孤。因此，本实验选用 1 2 f 瞻 心 嗡 a 秘 一 瞄 n 吣 心 一 贵州大学硕士学位论文 第二章抗菌纳米颗粒q - s i o x 制备及性能 了6 个碳的溴己烷。反应过程如图2 1 中s t e p 3 所示。具体操作步骤：取上一步干 燥产物，加入溴己烷( 2 0 0 9 ) ，异丁醇( 5 0 0 - 1 5 0 0 m 1 ) ，8 0 摄氏度水浴，搅拌反 应2 4 d x 时。 纳米s i o x 颗粒的充分烷基化 碘甲烷是一种燕型的烷基化试剂，本步操作是为了使p e i 上的胺基充分烷基 化，增加季铵盐所带的正电荷数。根据季铵盐的机理推测，正电荷是抗菌所必需 渊。反应过程如图2 1 中s t e p 4 所示。具体操作步骤：加入碘甲烷( 7 5 9 ) ，4 5 摄氏度下搅拌2 4 小时，洗涤干燥。 2 3 2 抗菌纳米q s i o x 颗粒的抗菌性能测试 a 细菌菌悬液的制备 按国家消毒技术规范1 2 研中的微生物操作规范，细菌菌悬液制备的程序如下： 取冻干菌种管，在无菌操作下打开，以毫细吸管加入适当的营养肉汤( 附 录a 1 ) ，轻柔吹吸数次，使菌种融化分散。取含5 0 m l 至1 0 。0 m l 营养肉汤培养 基试管，滴入少许菌种悬液，置于3 7 培养1 8 h - - 2 4 h 。用接种环取第l 代培养 的菌悬液，划线接种于营养琼脂培养基( 附录a 一2 ) 平板上，予3 7 培养1 8 h 2 4 h 。挑取上述第二代培养物中典型的菌落，接种于营养琼脂斜阿，于3 7 培养 1 8 h - - 2 4 h ，邸为第三代培养物。 取菌种第3 代第1 4 代的营养琼脂培养基斜面新鲜培养物( 1 8 h - - 2 4 h ) ， 用5 0 m l 吸管吸取3 0 m i - , 5 0 m l 稀释液( 附录a 一3 ) 加入斜蟊试管内，反复吹 洗，洗下菌苔。随后，用5 0 m l 吸管将洗液移至另一无菌试管中，用电动混合器 混合( 振荡) 2 0 s ，以使细菌悬浮均匀。 b 抗菌纳米q 。s i o x 颗粒的抗细菌检测过程 2 4 1 抗菌颗粒浊液的制备 准确称取1 0 克抗菌纳米颗粒，放入盛有l o o m l 无菌水的三角烧瓶中，用 旋涡混合器充分摇匀，再用超声波处理3 0 分钟，使颗粒在无菌水中充分分教。 用一支1 0 m l 无菌吸管从中吸取1 o m l 悬浮液加入盛有9 m l 无菌水的大试管中， 充分混合，制成浓度失l o m g n 畦的抗菌颗粒浊液，然露用1 0 m l 无菌吸管从此 试管中吸取1 0 m l 加入另一盛有9 m l 无菌水的试管中，混合均匀，制成0 1 m g m l 1 3 费州大学硕士学位论文第二章抗菌纳米颗粒q - s i o x 铡备及性能 的抗菌颗粒浊液，以此类推制成0 0 1 m g m l 至0 0 0 1 m g m l 的抗菌颗粒浊液。 抗菌纳米颗粒与细菌的接触作用 分别取1 0 m l 菌悬液加到盛有不同浓度抗菌颗粒浊液的大试管中，另取一 支盛有9 m l 无菌水的大试管，同样往里加1 0 m l 菌悬液，作为空白对照。用旋 涡混合器将上述试管充分混合均匀詹，放置在操作台上3 0 分钟。 涂布 分别从上述试管中取0 1 0 m l 液体放入平板中，每个试管傲3 个平行，用 无菌玻璃涂布棒把液体均匀涂在平板上。常温下静置3 0 分钟，使菌液充分渗透 进培养基，最后将培养皿倒置放入3 7 恒温培养箱中培养。 菌落计数 培养2 4 小时后，取出培养皿进行菌落计数，并算出同一稀释度两个平板上 的菌落平均数。 抗菌率的计算 r =( b a ) b 1 0 0 其中，r ：抗菌率， a ：加入q s i o x 培养2 4 小时后菌落平均数 b ：空白对照组培养2 4 小时后的菌落数 2 3 3 微蕊抗菌行为研究 a 荧光显微镜观察 采用k i ml e w i s 提供的方法【2 6 1 ，墩大肠杆菌、金黄色葡萄球菌为试验菌种， 分别配制成1 0 9 c f u i m l 蕴悬液，然后将抗菌颗粒配制成1 5 m g m l 的溶液，经超 声波处理2 0 m i n 后，加入浓度为1 0 9 菌悬液，使二者充分接触一定时间后，再加 入o i m g m l 碘化丙锭染色1 0 m i n ，然后滴加该溶液于载玻片上，立即放在荧光 显微镜下镜检。 b 透射电镜观察 以大肠杆菌为试验菌种，分别配制成1 0 9 c f u m l 菌悬液，加入1 5 m g m l 的 抗菌颗粒浊液作用一定时闻惹，用毛缨管吸取少量混合溶液，直接滴加在有支持 膜的载网上，数分钟后，用一片干净的滤纸从网边吸去液体，稍干后用另一毛细 1 4 贵州大学峨l 学位论立 第一尊抗苗纳米额粒0 - s i o x 制* 厦忡能 管吸取一滴磷钨酸染液滴在载删上染色约i m i n ，t 布，用滤纸吸去染液，立即置 透射电镜下观察细胞形态。 2 4 结果与讨论 2 3 1 抗苗纳米q s i o x 的粒径 q - s i o x 颗粒粒径电镜照片如图2 2 所示。通过高分辨率透射电镜及激光粒度 分析仪对颗粒的形态和大小进行分析后得出：q s i o x 呈粒状，单个颗粒尺寸分 布范围为2 0 4 0 h m 占1 8 、4 0 6 0 h m 占2 5 、6 0 8 0 n t o 占2 1 、其余3 6 。 图2 2q s i o x 颗粒透射电镜照片 2 , 3 2 抗菌纳米q s i o x 颗粒的抗菌性能 颗粒抗菌效粜是通过直接与微生物接触的方式达到抗菌效果，故颗粒的抗菌 效果虽准确的检验方法即为接触培养，颗粒分散于菌液中再涂靠培养。通过此方 法检测，结果表明抗菌纳米q s i o x 颗粒对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均获得了 良好的抗苗效果，达到了9 0 左右的抗菌率，如图2 3 所币( 仅示意抗菌效果不 表示直接以此计数，下文同) 。 薹 贵州大学碰l 学化沦立 第$ 抗日镕米# o - s i o x 制备艟性能 2 3 3 抗菌纳米q s i o x 颗粒浓度对其抗苗性能的影响 抗苗颗粒的浓度对其抗苗效果影响很大。通常以最低抑荫浓度( m i c ) 柬衡 弋l i i 尸飞 i i l _ 一 呵 备_ 量其抗菌力。m i c 足指在一定测试条件f 。抗菌颗粒抻制所有受试菌发行所需 的最小浓度，它表征扰茼剂阻l r 微生物繁殖繁育的能力。m i c 值越小，说明其 扰菌能力越强。为了确定制备的抗菌q s i o x 颗粒的m i c ，分别取不同浓度的抗 菌q - s | 0 x 颗粒，对其进行抗菌检测，抗菌效果如图2 a 所示。 由图2 4 中数据可知，由于抗菌q s i o x 颗粒属十非水溶性抗菌剂，与町溶 性抗菌剂小_ | 的是它在溶液叶 的分布不是一个均相体系，且其杀菌方式是表面触 杀，当其浓度达到一个临界值后，抗菌效果就不会随其浓度增加而明显递增，这 为抗菌纳米q s i o x 颗粒的应用提供了 个重要的依据避免通过大量添加抗茼 q - s i o x 颗粒来提高抗菌效果。 1 6 爨髑大学硖 学位论文第二章撬滚续苯鬏粒q 。s i o x 利答发憔能 0 00 51 o1 52 02 5 c o n c e n t r a t i o no fa n t i m i c r o b i a tn a n o _ s i 0 2 ( m g m 1 ) 图2 4 抗菌纳米q s i o x 颗粒浓度对其抗菌性能的影响 2 3 4 抗菌长效性 在r 常生活各个领域的抗蘸应用中，人们对抗菌材料有很高的要求，其中抗 菌长效性就是一个重要的要求。为了考察实验室制备的抗菌纳米q s i o x 颗粒的 抗菌长效性，分别在不同时期检测了同一组产品的抗菌效果，结果如图2 5 所示。 一2o24681 01 2 t i m eo fp l a c e m e n t ( m o n t h ) 图2 5 抗菌纳米q s i o x 颗粒的抗菌长效性 1 7 ；8 强 加 一零一孰恕茹莲一掰埘u誊静wom 柏 o 一零一x=ilu一弼doij罄芑毋 爨翔大学硬毒学位论交第二嫩抗菌纳米颡粒q - s i o x 制各及性能 由图2 5 可知，在不同时鬏内，抗菌纳米q - s i o x 颗羧的抗菌率均维持在9 0 左右。即使放置了1 2 个月，其仍然保持了较高的抗菌活性，这说明实验室自 制的抗菌纳米q - s i o x 颗粒不属于缓释型抗蘸剂，其其备良好的抗蕊长效性。 2 3 5q s i o x 颗粒的微蕊抗菌行为研究 a 抗蘸过程荧光染色溅察 碘他蕊锭( p d 是一种核酸荧光染糕，它不能透过完整魏缨德膜羚1 5 l ，当缁 胞死亡时，p l 荧光染料分子捶入到d n a 懿两个碱基对之瓣，每隔s 个碱基插入 个荧光分子嘲，从焉使缨胞核红染。实验考察静对象是大肠辑菌、金黄色葡萄 球菌，实验中以空彝菌悬液海飘性对照，添加纳米s i o x 颗粒炎阳性对照，逶过 荧光显徽镜检测加入q - s i o x 后p l 的染色情况，以确定细胞的破坏程度。实验结 祭掘圈2 6 和嚣2 7 所示。 在图2 6 和图2 7 孛，图是大肠杆菌、金黄色葡萄球菌懋液的荧光染色照 片，出于其细胞膜究好，对p 差挺染，只有少许豹早麓凋亡细腱被染成红色，氆) 图为添加普通纳米s i o x 颗粒的荧光染色照片，其效果与图渤相同，只有少许细 胞被染成红色，说冁微生物的细胞膜没有被破坏， 图为添趣q - s i o x 侔用一段 时间后，褥雳p l 染色靛情况，凡乎所有缨胞都被染成红色。因为当细胞死亡时， p 薹可以通过破掇的缨胞膜，进入刘缨髓蠹部与d n a 结合，两活体缨胞魏其缨胞 膜完好，p 薹不能进入细胞蠹部，d n a 不能被染色1 2 8 1 。豳此可知，q - s i o x 对大肠 杼菌、金黄色葡萄球菌的抗蓊效采楚嚣著的，可以遥过教坏细胞膜杀灭掰有与它 接触的微生物。 b 抗蓊( 大肠杼菌) 过程靛透射毫镜观察 将大肠杆菌配制成浓度为l 妒鹃悬液，添如i m g m l 的q - s i o x 侔用一段时阍 詹，经磷鹤酸负染色，在透射毫镜下观察大肠杆菌的形态以及抗菌颗粒终餍詹的 大肠杆菌鲶形态变化，实验结果如图2 8 所示： 匿2 8 ( a ) 是正常大弱抒菌的形态，伯) 隽添加了空自纳米s i o x 的大瑟杼 藩，其它为添加了q s i o x 的大肠杆菌形态瞄。由圈( a ) 可以看出，大肠杆菌形 状规贱，形态饱满，边赛清曦，细胞蹙和缨胞袋完整，缨麓杰部物质清糍，其中 还有正在分裂的细胞，蓠体活性较高；由图( b ) 可见，大肠杆菌形状规则，体 贵州大学h 洋位论i 第 抗苗纳米颗粒0 s i o x 制备厦性能 态饱满，细胞无变形、破坏现象，| 兑明纳米s i o x 颗粒对大肠杆菌没有影响；由 图( c ) 、( d ) 可见，大肠杆菌个体被多个抗菌颗粒所吸附，其内部物质已模糊不 清，可能是由于细胞表面被大量的颗粒包围所致，说明了抗菌颗粒与大肠杆菌之 问有强烈的吸附作用，此时。细胞形态比没有较大的变化，说明细菌还没有死亡： 图( c ) 中的太肠杆菌细胞膜和细胞壁没有被破坏的现象，而图( d ) 中的细胞已 有部分细胞膜和细胞壁被破坏，由图( e ) 到图( g ) 可以看出，被抗菌颗粒吸附 的大肠杆菌，有的细胞边界模糊，形态发生严重变化，有的细胞膜已经