一种抗菌纳米银溶胶的制备方法 【技术领域】
本发明属于生物纳米材料技术领域，具体涉及一种抗菌纳米银溶胶的制备方法。
【发明背景】
银及银化合物的抗菌应用已经有很长的历史了，可是直到20世纪初人们才发现银胶体的抗菌活性。抗生素类药物的发现一度使该领域的发展陷入停滞状态，然而随着病原微生物对抗生素耐药性的不断增强，人们又重新开始关注银胶体的生物效应。纳米银胶体对某些菌株的抗菌效果可以与抗生素相媲美。目前，纳米银已经成功应用于创伤修复、抗菌织物等实验研究。此外，纳米银在环境保护、纺织服饰、水果保鲜和食品卫生领域也有广泛的应用。
纳米银的抗菌作用机制还不是很明确，迄今为止，有多种机制用来解释纳米银的抗菌特性：(1)纳米银吸附到细胞膜表面改变细胞膜的特性。纳米银颗粒可以使脂多糖分子降解，通过形成凹陷在细胞膜内侧聚积，最终导致细胞膜的渗透性崩解(Sondi，I.等，2004，J.Coll.Inter.Sci.275(1)，177-182)。(2)纳米银颗粒穿透进入细菌细胞造成DNA损伤，阻止DNA的复制。(3)纳米银溶解释放出抗菌银离子，银离子可以与细菌蛋白质中的巯基相互作用，导致呼吸酶的失活和活性氧的产生。(Morones，J.R.等，2005，Nanotechnology，16(10)，2346-2353)。纳米银溶胶的抗菌性能与纳米银的粒径大小、均一程度、浓度及稳定性等具有直接关系。利用化学还原法制备纳米银，常用的还原剂有柠檬酸钠、葡萄糖、多元醇、过氧化氢、硼氢化物、水合肼等。已有研究表明，使用强还原剂(如硼氢化物)可以在一定程度上形成小的单分散颗粒，但是反应中大颗粒的产生却难以控制。弱还原剂(如柠檬酸盐)的使用可以减缓反应速率，但是颗粒的分散度却比较差。有机还原剂进行热还原的方法简单，但是所制备的纳米银溶胶稳定性不好。Siddhartha Shrivastava等利用葡萄糖和水合肼组成的混和还原剂来还原制备纳米银，通过提高纳米银的稳定性而增强了其抗菌能力(SiddharthaShrivastava等，2007，Nanotechnology，18：225103)。但是从其文章中的结果来看，所制备的纳米银溶胶分散性较差，且粒径分布不够均一。
纳米银用于治疗应用，其稳定性是一个重要问题。先前的研究表明，纳米银颗粒在溶液中是不稳定的，当它的平均粒径大于40nm或在高浓度状态下就容易发生聚集。通过对纳米银进行修饰来提高其抗菌性能的研究也早有报道，主要的修饰剂包括表面活性剂、SDS、吐温80、聚合物、PVP360等。经过SDS修饰的纳米银的抗菌活性明显加强，而利用吐温80修饰的纳米银的抗菌性能却没有明显改变。SDS对纳米银的稳定作用比吐温80要好，因此其抗菌性能更强。另外，SDS是一种离子型表面活性剂，可以渗透或破坏细胞壁尤其是对革兰氏阳性菌。相反，土温80是非离子型表面活性剂，不能与细菌的细胞壁发生作用。对于PVP修饰的纳米银颗粒，其抗菌性能改善是明显的，因为聚合物对纳米银的稳定作用是最好的。但是这些高分子修饰剂或保护剂很难满足绿色生产的要求，而且还可能会对人体产生毒害作用。
中国发明专利CN1653907A公开的以高聚物为稳定剂的纳米银溶液和纳米银粉的制备方法，成功地以淀粉、壳聚糖、纤维素衍生物等为稳定剂进行了纳米银溶液的制备。但是这些高聚物有的水溶性较差，对纳米银的保护作用有限，因此无法合成较高浓度的纳米银溶胶。而且有研究表明，淀粉与纳米银颗粒之间的粘合作用是比较弱的，在较高温度下可以发生可逆转变使合成颗粒分离。
中国发明专利CN1903946A公开的一种高分散纳米银颗粒的制备方法，它以多元醇为还原剂及溶剂在高分子保护剂存在地情况下还原制得高分散的纳米银颗粒。但实验研究发现，其制备的纳米银的稳定性较差，放置一段时间后纳米银溶胶中会有黑色粉状沉淀产生。
从纳米银的研究应用来看，我们有必要寻找一种优良的、可靠的纳米银合成方法，提高纳米银溶胶的均一性和稳定性，增强纳米银的抗菌性能，以满足人们对纳米银的各种应用需求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种抗菌纳米银溶胶的制备方法。本方法制备的纳米银溶胶具有高浓度、高稳定、高分散性，而且其抗菌性也有明显增强。
一种高效抗菌纳米银溶胶的制备方法，按照如下操作步骤进行：
(1)将水溶性保护剂溶于浓度为0.001mol/L～0.1mol/L的硝酸银水溶液中，混合均匀后备用，其中，水溶性保护剂与硝酸银的质量比为0.5～10.0∶1；
(2)将浓度为0.001mol/L～0.2mol/L的硼氢化钠水溶液冰浴10～30分钟；
(3)将步骤(1)中含有水溶性保护剂的硝酸银水溶液滴入冰浴后的硼氢化钠水溶液中，滴速为30～60滴/分钟，同时用磁力搅拌器加以搅拌，待滴加完后继续搅拌20～40分钟，即得本发明的纳米银溶胶，其中，硼氢化钠与硝酸银的摩尔比为1.0～30.0∶1。
所述的磁力搅拌器的转速为500～2000转/分钟。
所述的水溶性保护剂为葡聚糖，或葡聚糖与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、柠檬酸钠和明胶中的一种或多种的混合物。
所述葡聚糖在水溶性保护剂中所占的质量百分比不少于20％。
本发明中使用的水溶性保护剂以葡聚糖为主，同时还可辅以其它水溶性保护剂。葡聚糖是一种低聚糖，与其它多糖类相比具有很好的水溶性，而且能抵抗过滤性病毒、真菌、细菌等引起的感染，因此葡聚糖具有广阔的医学应用前景。葡聚糖在纳米银形成过程中发挥了很好的保护作用，大大提高了纳米银溶胶的稳定性和分散性，与此同时葡聚糖所具有的生理活性有助于提高纳米银的生物效能。经过比较，本发明使用了效果最为理想的强还原剂硼氢化钠，并通过冰浴的方式来控制其反应速率，以免反应过快而使纳米银颗粒发生聚沉。另外，本发明可以通过调节保护剂的配比、反应物的浓度以及反应物的摩尔比来控制纳米银颗粒的大小和纳米银溶胶的浓度。最终可制得粒径为5～80nm的纳米银溶胶。
本发明不仅具有操作简单、生产周期短、成本低、产率高等特点，而且所制备的纳米银溶胶既可以作为普通的消毒剂使用，也可以用于生产医用抗菌抗病毒产品，应用广泛。本发明所制备的纳米银溶胶能够达到较高浓度1500ppm(1500μg/mL)而不会发生聚沉，而纳米银单体在水中的极限浓度为600ppm，浓度再大就出现过饱和或者沉淀等分散不均匀的现象。本发明所制备的纳米银粒径小且尺寸分布均一，可以稳定保存三个月以上，抗菌能力大大增强。该生产工艺没有使用任何有毒或有害的化学试剂，完全达到了绿色生产的目的。
【附图说明】
图1纳米银溶胶透射电镜图；
(a)实施例2制得的纳米银溶胶透射电镜图；放大12.5万倍(125k×)
(b)实施例3制得的纳米银溶胶透射电镜图；放大12.5万倍(125k×)
图2实施例4制得的纳米银溶胶的紫外-可见吸收光谱图；
图3实施例9制得的纳米银溶胶的抗菌效果实验图。
(a)PBS组大肠杆菌生长情况
(b)市售纳米银组大肠杆菌生长情况
(c)本发明纳米银组大肠杆菌生长情况
【具体实施方式】
通过以下实施例对本发明做详细描述，但是以下实施例仅仅是作为例证，并不对本发明构成任何限制。实施例1-8为本发明的制备例，实施例9为抗菌效果实验。
实施例1
(1)称取0.0085g硝酸银用去离子水配制50ml浓度为0.001M的硝酸银水溶液，然后取0.0085g葡聚糖溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖与硝酸银的质量比为1∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.0189g硼氢化钠用去离子水配制250ml浓度为0.002M的硼氢化钠水溶液，冰浴20min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为60滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为500转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌20min使其充分反应。
最终制得亮黄色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为16nm，粒径分布集中在12～21nm之间。
实施例2
(1)称取0.085g硝酸银用去离子水配制50ml浓度为0.01M的硝酸银水溶液，然后取0.085g葡聚糖溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖与硝酸银的质量比为1∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.189g硼氢化钠用去离子水配制250ml浓度为0.02M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为45滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为800转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得红黑色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为10nm，且粒径分布十分均一，见图1(a)。
实施例3
(1)称取0.17g硝酸银用去离子水配制100ml浓度为0.01M的硝酸银水溶液，然后取0.085g葡聚糖和0.085gPVP混溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖/PVP混合保护剂与硝酸银的质量比为1∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.378g硼氢化钠用去离子水配制500ml浓度为0.02M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖/PVP保护剂的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为45滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为800转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得红黑色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为5nm，粒径分布比较均一。从图1(b)中可以看出颗粒浓度明显增大。
实施例4
(1)称取0.085g硝酸银用去离子水配制100ml浓度为0.005M的硝酸银水溶液，然后取0.425g葡聚糖溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖与硝酸银的质量比为5∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.189g硼氢化钠用去离子水配制250ml浓度为0.02M的硼氢化钠水溶液，冰浴20min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为40滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为1000转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得均一稳定的红棕色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为8nm。用紫外-可见分光光度计对其进行检测，纳米银溶胶在395nm处有其最大吸收峰，而且吸收峰的坡度比较陡，见图2。结果表明，银离子被还原生成了纳米银，而且纳米银的粒径分布比较均一。
实施例5
(1)称取0.085g硝酸银用去离子水配制50ml浓度为0.01M的硝酸银水溶液，然后取0.0425g葡聚糖和0.085gPVA混溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖/PVA保护剂与硝酸银的质量比为3∶2)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.189g硼氢化钠用去离子水配制250ml浓度为0.02M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖/PVA保护剂的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为30滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为1200转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得灰黑色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为25nm。
实施例6
(1)称取0.085g硝酸银用去离子水配制25ml浓度为0.02M的硝酸银水溶液，然后取0.255g葡聚糖溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖与硝酸银的质量比为3∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取0.4725g硼氢化钠用去离子水配制250ml浓度为0.05M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为30滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为1200转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得红褐色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为20nm。
实施例7
(1)称取0.425g硝酸银用去离子水配制50ml浓度为0.05M的硝酸银水溶液，然后取0.85g葡聚糖和0.85g明胶混溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖/明胶与硝酸银的质量比为4∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取1.89g硼氢化钠用去离子水配制1000ml浓度为0.05M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖/明胶的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为30滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为1500转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌30min使其充分反应。
最终制得紫黑色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为30nm。
实施例8
(1)称取0.85g硝酸银用去离子水配制50ml浓度为0.1M的硝酸银水溶液，然后取8.5g葡聚糖溶于上述硝酸银水溶液(葡聚糖与硝酸银的质量比为10∶1)，缓慢搅拌备用；
(2)称取1.89g硼氢化钠用去离子水配制1000ml浓度为0.05M的硼氢化钠水溶液，冰浴30min；
(3)将步骤(1)的含葡聚糖的硝酸银水溶液逐滴加入到冰浴下的硼氢化钠水溶液中，滴速为30滴/分钟，同时使用磁力搅拌器加以剧烈搅拌，转速为2000转/分钟；
(4)待滴加完后继续搅拌40min使其充分反应。
最终制得黑色纳米银溶胶，纳米银颗粒的平均粒径为10nm。
实施例9本发明纳米银溶胶的抗菌效果实验
(1)按照实施例4制备纳米银溶胶；
(2)用无菌生理盐水将大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓假单胞菌(由军事医学科学院提供)进行适当稀释，分别制备成含菌量为104cfu/mL的菌悬液；
(3)将PBS缓冲液、市售纳米银抗菌液(180～220ppm，购自武汉沪正纳米科技有限公司)和自制的纳米银溶胶(约为200ppm)分为三个实验组，各取100μl加入到不同的EP管中，然后将步骤(1)制备的菌悬液30μl分别加入到不同的EP管中混匀；
(4)待15min后，将各混合液分别接种到营养琼脂平板培养基表面并涂布均匀；
(5)将涂好的各平板倒置于37℃恒温培养箱中进行培养，24h后观察平板上的细菌生长情况。
结果表明，本发明所制备的纳米银溶胶具有高效的抗菌性能。图3(a)为PBS对照组的大肠杆菌的生长情况，菌落几乎长满整个平板；图3(b)为市售纳米银组的大肠杆菌的生长情况，菌落受到一定程度抑制，但是仍有大量细菌生长；图3(c)为本发明纳米银组的大肠杆菌的生长情况，菌落完全被抑制，只是在平板的周边存在零星小菌落。
参考文献
1.Sondi，I.，Salopek-Sondi，B.，2004.Silver nanoparticles as antimicrobial agent：a case study onE.coli as a model for gram-negative bacteria.J.Coll.Inter.Sci.275(1)，177-182.
2.Morones，J.R.，Elechiguerra，J.L.，Camacho，A.，Holt，K.，Kouri，J.B.，Ramirez，J.T.，Yacaman，M.J.，2005.The bactericidal effect of silver nanoparticles.Nanotechnology 16(10)，2346-2353.
3.Siddhartha Shrivastava，Tanmay Bera，Gajendra Singh，P Ramachandrarao and DebabrataDash，2007.Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles.Nanotechnology 18(2007)225103(9pp).