一种无机介孔抗菌材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种载有氧化锌(ZnO)或银(Ag)纳米颗粒的无机介孔抗菌材料及其制备方法。这类材料的制备过程是：首先将介孔材料与无机金属盐溶于挥发性溶剂，搅拌均匀；再在空气中放置，使溶剂挥发；然后经过直接焙烧或在氮气保护下高温焙烧，使金属盐完全分解并且晶化，得到所要得介孔抗菌材料。材料外形为粉末。该材料保留了原有的无机介孔材料有序的孔道结构、较大的比表面和孔体积；获得的氧化锌或银纳米颗粒与传统方法得到的相比，具有尺寸较小，粒径分布较窄，杀菌效果更好等特点。它们的有效杀菌浓度下限与目前已报道的同类材料相比，下降了两个数量级以上。

1.  一种无机介孔抗菌材料，其特征是以介孔氧化硅材料或介孔碳材料为无机载体，负载ZnO或Ag纳米颗粒组成，ZnO或Ag纳米颗粒的平均粒径为2-12nm，并可由载体材料的孔径调节。

2.  根据权利要求1所述的无机介孔抗菌材料，其特征在于介孔氧化硅材料由表面活性剂模板法制得，是两维六角结构的SBA-15、MCM-41，三维六方结构的SBA-2、FDU-1，体心立方结构的SBA-16，三维连通的双连续孔道结构的FDU-5、KIT-6、MCM-48，简单立方结构的SBA-1；介孔碳材料为上述各种介孔氧化硅材料作为硬模板反相填充得到的介孔材料。

3.  一种如权利要求1所述的无机介孔抗菌材料的制备方法，其特征在于首先将无机介孔材料与锌和银的前驱物无机金属盐溶于挥发性溶剂，搅拌均匀；再在空气中放置，使溶剂挥发；然后经过直接焙烧或在氮气保护下高温焙烧，使金属盐完全分解并且晶化，即得到所要得无机介孔抗菌材料。

4.  根据权利要求3所述的无机介孔抗菌材料的制备方法，其特征在于介孔碳材料需经过氧化预处理，氧化剂分别采用浓硫酸、浓硝酸、双氧水和王水。

5.  根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述前驱物采用易分解的无机锌盐：硝酸锌、醋酸锌、氯化锌、柠檬酸锌、草酸锌，以制备ZnO纳米颗粒，前驱物采用硝酸银，以制备Ag纳米颗粒。

6.  根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于溶解无机金属盐的挥发性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙睛、水其中之一或者它们的混合溶剂。

7.  根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于无机介孔材料和无机金属盐形成均匀分散的溶液时，无机金属盐的摩尔量与介孔材料的质量比为10-2-10-5mol/g，并在磁力搅拌器上剧烈0.5-6个小时，使之均匀混合；溶剂挥发时，温度保持为5-80℃；

8.  根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于热分解时，将负载有无机锌盐的介孔氧化硅材料置于马弗炉中，在350-900℃下焙烧3-10个小时使锌盐分解晶化，即得到负载ZnO的介孔氧化硅抗菌材料；将负载有银源的介孔氧化硅材料置于管式炉中，在氮气保护下在300-500℃下焙烧3-10个小时使银盐分解晶化，即得到负载Ag的介孔氧化硅抗菌材料；将负载有锌源的介孔碳材料置于管式炉中，氮气保护，在350-900℃下焙烧3-10个小时使锌盐分解晶化，即得到负载ZnO的介孔碳抗菌材料；将负载有银源的介孔碳材料置于管式炉中，氮气保护，在300-500℃下焙烧3-10个小时使银盐分解晶化，即得到负载Ag的介孔碳抗菌材料。

一种无机介孔抗菌材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种载有ZnO或Ag纳米颗粒的无机介孔抗菌材料及其制备方法。
技术背景
1996年日本发生了全国范围内的病源性大肠杆菌O-157感染事件之后，尤其是近年来SARS病毒带来的全球范围内的巨大恐慌，世界各地掀起了一股研究抗菌剂和常温杀菌法的热潮。其中，无机金属抗菌材料由于其持久有效的抗菌作用重新引起了人们的浓厚兴趣。大量的抗菌材料被广泛的运用于纺织、陶瓷、涂料等行业。实验证明，与有机抗菌剂相比，它们具有抗菌广谱、杀菌效率高、不易产生抗药性等特点，对大肠杆菌，绿脓杆菌，沙门氏菌等具有强烈的杀灭作用。
将无机金属作为抗菌剂与载体结合，制成缓释性抗菌材料，与非缓释性抗菌材料相比，表现出巨大的优越性。缓释性材料由于能在长时间内缓慢地释放出金属离子，能维持长期有效的金属离子浓度，从而具有抗菌性能稳定、杀菌时间长、使用方便等优点。此外，由于载体材料具有巨大的表面积，以及丰富的孔结构，对细菌具有很好的吸附能力。所以目前对各种缓释性氧化锌、氧化镁、氧化钙、氧化钛和银等的抗菌材料的抗菌性能及抗菌机理的研究日益深入。
在负载型的无机抗菌材料中，无机金属(金属氧化物)颗粒的大小对其杀菌性具有决定性的影响。研究结果表明颗粒越小，它们的杀菌效果就越强。因此，提高抗菌剂活性的一个重要途径是减小并控制颗粒的粒径。但是，传统合成途径得到的金属(金属氧化物)颗粒的粒径通常在微米数量级(μm)，而且粒径分布很宽，不能人为地加以控制，10nm左右或者更小并且可控粒径的纳米颗粒的合成方法并未见于报道，这些限制直接影响了它们在抗菌领域的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提出一种杀菌效果好的无机介孔抗菌材料及其制备方法。
本发明提出的无机介孔抗菌材料，是以介孔氧化硅材料或介孔碳材料为无机载体，负载氧化锌(ZnO)或银(Ag)纳米颗粒组成，ZnO或Ag纳米颗粒的平均粒径为2-12nm，并可由载体材料的孔径调节。
本发明采用的无机载体中，介孔氧化硅材料是通过表面活性剂模板法制得的，包括两维六角结构的SBA-15、MCM-41(p6mm)，三维六方结构的SBA-2、FDU-1(P6₃/mmc)，体心立方结构的SBA-16(Im-3m)，三维连通的双连续孔道结构的FDU-5、KIT-6、MCM-48(Ia-3d)，简单立方结构的SBA-1(Pm-3m)；碳介孔材料为上述各种介孔氧化硅材料作为硬模板反相填充得到的介孔材料。
本发明提出的无机介孔抗菌材料的制备方法如下：首先将作为载体的无机介孔材料与锌和银的前驱物无机金属盐溶于挥发性溶剂，搅拌均匀；再在空气中放置，使溶剂挥发，然后经过直接焙烧或在氮气保护下高温焙烧，使无机金属盐完全分解并且晶化，即得到所要得介孔抗菌材料。
本发明中，介孔碳材料需经过氧化预处理，氧化剂分别可采用浓硫酸、浓硝酸、双氧水和王水。
本发明中，前驱物可采用易分解的无机锌盐(如硝酸锌、醋酸锌、氯化锌、柠檬酸锌、草酸锌)，以制备ZnO纳米颗粒；前驱物采用硝酸银，以制备Ag纳米颗粒。
本发明中，分散无机金属盐(即前述前驱物)的挥发性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙睛、水其中之一或者它们的混合溶剂
本发明中各制备步骤进一步描述如下：
1.介孔材料和无机金属盐形成均匀分散的溶液：将介孔氧化硅材料或介孔碳材料与无机金属盐溶解在挥发性溶剂中，无机金属盐的摩尔量与介孔材料的质量比为10^-2-10^-5mol/g，并且在磁力搅拌器上搅拌0.5-6个小时，使之均匀混合。
2.溶剂的挥发：将由前述步骤所得到的溶液敞口挥发至干，此时的温度保持范围为5-80℃。
3.热处理：将由前述步骤所得到的挥发干燥的粉末转移至坩埚或瓷舟。将负载有无机锌盐(锌源)的介孔氧化硅材料置于马弗炉中，在350-900℃下焙烧3-10个小时使锌盐分解晶化，即得到负载ZnO的介孔氧化硅抗菌材料；将负载有硝酸银(银源)的介孔氧化硅材料置于管式炉中，在氮气保护下在300-500℃下焙烧3-10个小时使银盐分解晶化，即得到负载Ag的介孔氧化硅抗菌材料；将负载有无机锌盐(锌源)的介孔碳材料置于管式炉中，氮气保护，在350-900℃下焙烧3-10个小时使锌盐分解晶化，即得到负载ZnO的介孔碳抗菌材料；将负载有硝酸银(银源)的介孔碳材料置于管式炉中，氮气保护，在300-500℃下焙烧3-10个小时使银盐分解晶化，即得到负载Ag的介孔碳抗菌材料。
本发明中，无机金属源是通过和介孔材料内表面的相互作用，借助毛细管凝聚作用进入材料的孔道内部，并在内部分解晶化。
本发明中，得到的ZnO或Ag纳米颗粒平均粒径可由载体的孔径在2-12nm地范围内进行调节。
本发明制备的无机介孔抗菌材料保留了载体材料有序的孔道结构、大而均一的孔径、较大的比表面积和孔体积，获得的ZnO或Ag纳米颗粒尺寸较小且可控，大大提高了材料的抗菌效果。
本发明中，制备得到的材料的抗菌性采用菌落计数法进行定量测定。对于微生物，在理论上可认为高度稀释时每个活的单细胞均能繁殖成一个菌落，因而可以用培养的方法使每个活细胞生长成一个单独的菌落，并通过生长出的菌落数去推算样品中剩余的活菌数。
本发明中，采用的菌种是大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、黑曲霉菌、青霉菌等。
本发明中，采用的菌落计数法的步骤如下：首先将菌种恒温培养；再向菌液中加入抗菌材料，在摇床内恒温培养；然后取菌液涂布在培养皿的固体琼脂培养基上，在烘箱中培养；最后记录菌落个数，即为涂板菌液中细菌的个数。这里以抗氨苄的大肠杆菌BL21为菌种为例，说明菌落计数法的具体步骤：
1.菌种培养：取3-20微升菌种、3微升氨苄加入到装有3毫升灭菌水的试管中，在摇床中31-38℃、转速1000-4000转/分钟的条件下，恒温培养8-12个小时。
2.抗菌材料的引入：分别将3-20微升由步骤1得到的菌液和3微升氨苄加入到3个装有3毫升灭菌水的试管中，充分混合后向其中2个试管分别加入0.01-0.5克抗菌材料(1^#)、0.01-0.5克(应与抗菌材料质量一致)无负载介孔材料(2^#)，另一个试管不加任何材料(空白对照组，3^#)。在摇床中31-38℃、转速1000-4000转/分钟的条件下，恒温培养8-48个小时。
3.涂板：将由步骤2得到的1^#菌液用灭菌水均匀稀释0一100倍后(通常不稀释)，取0.1-1毫升均匀地涂抹在培养皿的固体琼脂培养基上，放置在37℃烘箱中培养12-24个小时。由步骤2得到的2^#和3^#菌液用灭菌水均匀稀释100-10000的倍后(通常为10000)，取0.1-1毫升均匀地涂抹在培养皿的固体琼脂培养基上，放置在37℃烘箱中培养12-24个小时。
4.计数：分别记录由步骤3得到的各个培养皿中菌落得个数，即为各涂板菌液中细菌的个数。
本发明中，菌落计数法的计算原则为：材料吸附率＝(3^#菌落个数×稀释倍数-2^#菌落个数×稀释倍数)÷(3^#菌落个数×稀释倍数)；材料杀菌率＝(3^#菌落个数×稀释倍数-1^#菌落个数×稀释倍数)÷(3^#菌落个数×稀释倍数)。
本发明中，得到的材料的杀菌效果大大提高，当负载浓度为10^-4mol/g时，0.05g该材料对于3mL细菌浓度为10⁷CFU/mL大肠杆菌的浓溶液的吸附率为15％-95％，杀菌率为99.99％以上。和已报到的同类材料相比，最低有效浓度下降了2个数量级以上。
具体实施方式
实施例1，载有ZnO纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔氧化硅(SBA-15、SBA-16、FDU-1、FDU-5)抗菌材料的制备：1g介孔氧化硅材料(SBA-15、SBA-16、FDU-1、FDU-5)和0.001(或0.0001)mol Zn(NO)₃·6H₂O溶解在50ml乙醇中，搅拌2-3个小时。在20℃下缓慢挥发干。然后转移至马弗炉中，控制550℃焙烧6个小时，即得到负载ZnO纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mo/g的介孔氧化硅抗菌材料。
实施例2，载有Ag纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔氧化硅(SBA-15、SBA-16、FDU-1、FDU-5)抗菌材料的制备：1g介孔氧化硅材料(SBA-15、SBA-16、FDU-1、FDU-5)和0.001(或0.0001)mol AgNO₃溶解在25ml乙醇和25ml水的混合溶剂中，搅拌2-3个小时。在20℃下缓慢挥发。然后转移至管式炉中，在氮气保护下控制400℃焙烧6个小时，即得到负载Ag纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔氧化硅抗菌材料。
实施例3，载有ZnO纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔碳(CMK-3)抗菌材料的制备：1g介孔碳材料(CMK-3)和0.001或(0.0001)mol Zn(NO)₃·6H₂O溶解在50ml乙醇溶液中，搅拌2-3个小时。在20℃下缓慢挥发。然后转移至管式炉中，在氮气保护下控制550℃焙烧6个小时，即得到负载ZnO纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔碳抗菌材料。
实施例4，载有Ag纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔碳(CMK-3)抗菌材料的制备：1g介孔碳材料(CMK-3)和0.001(或0.0001)molAgNO₃溶解在25ml乙醇和25ml水的混合溶剂中，搅拌2-3个小时。在20℃下缓慢挥发。然后转移至管式炉中，在氮气保护下控制400℃焙烧6个小时，得到负载Ag纳米颗粒浓度为10^-3(或10^-4)mol/g的介孔碳抗菌材料。
实施例5，载有ZnO或Ag纳米颗粒浓度为10^-3或10^-4mol/g的介孔氧化硅(SBA-15、SBA-16、FDU-1、FDU-5)抗菌材料的抗菌性能的测定：将10微升大肠杆菌BL21和3微升氨苄加入3毫升灭菌水，在摇床中恒温37℃、转速3000转/分钟的条件下，培养8个小时。各取10微升的菌液和3微升氨苄加入到装有3毫升灭菌水的3个试管中，充分混合后向其中2个试管分别加入0.05g抗菌材料(1^#)、0.05g无负载的介孔材料(2^#)，另一个试管作为空白对照组(3^#)。在摇床中37℃、转速3000转/分钟的条件下，再恒温培养24小时。然后取0.2毫升1^#试管菌液，均匀地涂抹在培养皿的固体琼脂培养基上，放置在37℃烘箱中培养24小时。取10微升2^#和3^#试管菌液，用灭菌水均匀稀释10000倍后，取0.2毫升稀释菌液，均匀地涂抹在培养皿的固体琼脂培养基上，放置在37℃烘箱中培养24小时。记录各个培养皿中菌落的个数。实验得出以SBA-15为载体的材料的对细菌的吸附率为97.3％，负载10^-3mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-3mol/g ZnO时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g ZnO时杀菌率为99.9975％；以SBA-16为载体的材料的吸附率为35.3％，负载10^-4mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-3mol/g ZnO时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g ZnO时杀菌率为100％；以FDU-1为载体的材料的吸附率为74.3％，负载10^-3mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-3mol/g ZnO时杀菌率为100％，负载10^-4mol/gZnO时杀菌率为99.9999％；以FUD-5为载体的材料的吸附率为17.4％，负载10^-3mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g Ag时杀菌率为100％，负载10^-3mol/g ZnO时杀菌率为100％，负载10^-4mol/g ZnO时杀菌率为100％。