石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备及其结构性能研究.docx

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1、石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备及其结构性能研究2012届暨南大学硕士学位论文摘要纳米银具有安全无毒,高效、广谱和长效抗菌性,无耐药性的特点，已开始应用在医疗卫生、生态环境、建筑厨卫、电子电器和日用品等领域。但是其价格高、难分散和易氧化变色的缺点限制了其广泛应用。石墨烯是单原子厚度的二维石墨碳材料,具有高比表面积、突出的导热性能和力学性能、非凡的电子传递性能等一系列优异性质，是功能材料的理想载体。因此,本文先以水溶性有机物修饰还原氧化石墨烯(rGO)得到水溶性还原氧化石墨烯载体,然后将纳米银负载于其上获得石墨烯基纳米银复合抗菌材料,研究了其制备、结构和性能。首先,制备了采用聚乙烯亚胺修饰的石墨

2、烯基纳米银复合抗菌材料(AgNP/PEbrGO),并通过FTIR、XRDXPSTEMAFMZeta电位、ICP和紫外可见光谱进行表征，同时分析了抗菌活性、细胞毒性和生物相容性。结果表明：聚乙烯亚胺通过0C-NH连接在石墨烯上，聚乙烯亚胺修饰石墨烯厚度约0.6nm;AgNP在AgNP/PEI-rGO表面的分布比较均匀,纳米银的质量分数为4.2%,其粒径为5-15nm,Zeta电位为-46.7mV;在超纯水中浸泡20天后，聚乙烯毗咯烷+酮修饰的纳米银(PVPAgNP)中Ag的释放率为90.7%,而AgNPPEbrGO中+Ag的释放率明显要慢,为72.5%;在无光或有光环境下储存7天,PVPAgNP

3、聚集作用显著,而AgNP/PEI-rGO没有发生明显变化;与PvP/AgNP相比，AgNP/PEI-rGO具有更高的抗菌活性和生物相容性,更低的生物毒性。其次,制备了采用蔡磺酸钠修饰的石墨烯基纳米银复合抗菌材料(AgNP/NArGO),并通过XRD、XPS、TEMAFMZeta电位、紫外可见光谱和荧光光谱进行表征，同时分析了抗菌活性、细胞毒性和生物相容性。发现AgNP/NA-rGO中纳米银的质量分数为3.6%,在水中的溶解度可以达到1.1mgmL,Zeta电位为-42.3mV,所形成的悬浮液可稳定存在水溶液中3个月以上而+不沉淀;NArGO比聚乙烯此咯烷酮更有效阻止Ag氧化,达到缓释效果;其与

4、大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)接触6h后的抗菌率分别是92.4%、96.9%;它是一种带有轻微细胞毒性以及生物相容性较好的纳米复合材料。关键词:石墨烯、纳米银、制备、抗菌活性、稳定性I2012届暨南大学硕土学位论文AbstractWiththeexcellentcharacteristicsofsafetyandnontoxicity,high-efficiency,broad-spectrum,andlong-termantibacterialactivity,silvernanoparticlesAgNPhasbeenappliedinthefieldofme

5、dicalcare,eco-environment,architecture,kitchenandtoilet,electronics,anddailyproducts,etc.However,shortcomingslikeitshighprice,difficultyindispersion,andthetendencytobeoxidizedanddiscolorationarestillrestrictionsforitswiderrangeofapplications.Grapheneisasingle-atom-thicktwo-dimensionalgraphiticcarbon

6、material.Manysuperiorpropertiesofit,suchashighspecificsurfacearea,excellentthermalconductivityandextraordinarymechanicalandelectrontransportationproperties,etc.makegraphenetobeaperfectsubstrateforfunctionalmaterials.Therefore,inthisthesis,weusedwater-solubleorganiccompoundstomodifyreductiongrapheneo

7、xiderGOtoobtainthewater-solublerGOsubstrate,andthenweloadedAgNPonittoprepareanrG0-AgNPcompositeantibacterialmaterial.StructuresandpreparationprocessesareinvestigatedandpropertiesarecharacterizedinthisthesisFirst,wepreparedsilvernanoparticles/polyethyIeneiminePEI-reductiongrapheneoxideAgNP/PEI-rGOcom

8、positeantibacterialmaterialwhichismodifiedbypolyethyIeneimine.XRD,FTIR,XPS,TEM,AFM,Zeta-potential,ICPandUV-VISareusedtocharacterizethepropertiesofthematerial,andtheantibacterialactivity,celltoxicityandbiocompatibilityarealsoanalyzed.ResultsshowthatPEIhasbeenattachedtotherGOthrogh0C-NH,andthethicknes

9、sofrGOmodifiedbyPEIwas0.6nm.Inaddition,AgNPhavebeenloadedonthefunctionalizedrGOuniformlywiththediameterdistributedin5-15nm,andtheZeta-potentialis-46.7mVComparedwiththereleaserateofAgNPmodifiedbypolyvinylpyrro1idonePVPwas90.7%,thereleaserateofAgNPinAgNPPEI-rGOwasslower,andjustwas72.5%,inultrapurewate

10、rafter20days.Afterbeingstoredindarkornaturelightlevelfor7days,PVP/AgNPaggregatedsignificantly,butAgNPPEI-rGOdidnotchangedistinctively.ComparedwithPVP/AgNP,AgNP/PEI-rGOhasthehigherantibacterialactivityandbiocompatibility,lowerbiologicaltoxicityII2012届暨南大学硕士学位论文Andthen,wepreparedsodiumnaphthaleneSulfo

11、nateNA/reductiongrapheneoxide-SilvernanoparticlesAgNPNA-rGOcompositeantibacterialmaterialwhichismodifiedby1-sodiumnaphthalenesulfonate.XRD,XPS,TEM,AFM,Zeta-potential,ICP,UV-VISandfluorescencespetraareusedtocharacterizethepropertiesofthematerial,andtheantibacterialactivity,celltoxicityandbiocompatibi

12、lityarealsoanalyzed.ResultsshowthatcontentofAgNPinthecompositematerialis3.6%,solubilityinthewatercouldreach1.1mgmL,andtheZeta-potentialis-42.3mV.Inaddition,thesuspensionformedbythismaterialcouldkeepstableintheaqueouussolutionformorethan3monthswithoutdeposition.ComparedwithPolyvinylpyrrolidonePVP,NA-

13、rGOcouldpreventAgparticlesfromoxidationeffectively,whichleadstoabettersustained-releaseeffect;Theantibacterialratecouldreach92.4%and96.9%aftercontactingwithE.coliandS.aureusrespectivelyfor6h;Thiscompositenano-materialisprovedtohaveagoodbiocompatibilityandjustslightcelltoxicityKeyWords:reductiongraph

14、eneoxiderGO,silvernanoparticlesAgNP,preparation,antibacterialactivity,StabilityIII2012届暨南大学硕士学位论文目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 石墨烯.11.1.1 石墨烯概述.11.1. 2石墨烯在生物材料领域的应用.11. 1.2.1石墨烯在纳米载药体系中的应用.11.1. 2.2石墨烯在生物检测中的应用.21. 1.3石墨烯及其功能化产物的生物学评价.31.1. 3.1石墨烯及其功能化产物在对微生物的作用.31.1.3.2石墨烯及其功能化产物对人体细胞的生物学评价.41.2抗菌材料.51.

15、2.1抗菌材料概述51.2.1.1无机抗菌材料.51.2.1.2有机抗菌材料.61.2.1.3天然抗菌材料.71.2.1.4其它抗菌剂.71.2.2纳米银抗菌材料.71.2.2.1纳米银的合成.71.2.2.2纳米银抗菌的作用机理91.2.3纳米银无机复合抗菌材料.材1.3本论文的选题意义、研究内容和创新点.111.3.1选题意义111.3.2研究内容121.3.3创新点.12第二章聚乙烯亚胺修饰的石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备及表征.142.1前言.142.2试剂和仪器.142.2.1试剂.142.2.2仪器与设备.152.2.3表征设备162.3实验部分.162.3.1氧化石墨(GO)的

16、合成.162.3.2AgNP/PEI-rGO复合抗菌材料的构建172.3.2.1AgNP/PEI-rGO的合成.172.3.2.2PVP/AgNP的合成.182.3.3抗菌实验.182.3.3.1营养肉汤的配制.182.3.3.2营养琼脂的配制.182.3.3.3杀菌率试验182.3.4细胞毒性实验.182.4结果与讨论.192.4.1X射线衍射(XRD)分析19IV2012届暨南大学硕士学位论文2.4.2傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析.212.4.3X射线光电子能谱(XPS)分析.222.4.4场发射透射电子显微镜(HRTEM)分析.222.4.5原子力显微镜(AFM)分析.242.4.

17、6其他结构分析.252.4.7AgNP/PEI-rGO的缓释性.252.4.8AgNP/PEI-rGO的稳定性.272.4.9AgNP/PEI-rGO的抗菌活性.292. 4.10AgNP/PEI-rGO的细胞毒性.302.5本章小结.32第三章1-蔡磺酸钠修饰的石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备及表征333.1前言.333. 2试剂和仪器.333. 2.1试剂.333. 2.2仪器与设备.343. 2.3表征设备343. 3实验部分.343. 3.1氧化石墨烯(GO)的合成343. 3.2AgNP/NA-rGO复合抗菌材料的构建343. 3.2.1AgNP/NA-rGO的合成.343. 3.2

18、.2PVP/AgNP的合成.353. 3.3抗菌实验.353. 3.4细胞毒性实验.353.4结果与讨论.353. 4.1X射线衍射射RD)分析354. 4.2荧光光谱分析.375. 4.3X射线光电子能谱(XPS)分析.386. 4.4场发射透射电子显微镜(HRTEM)分析.387. 4.5原子力显微镜(AFM)分析.398. 4.6其他结构分析.409. 4.7AgNP/NA-rGO的缓释性.4210. 4.8AgNP/NA-rGO的稳定性.4311. 4.9AgNP/NA-rGO的抗菌活性.4412. 4.10AgNP/NA-rGO的细胞毒性.453.5小结.47第四章结论与展望.481

19、3. 1结论.484. 2展望.485. 文献.506. 期间学术成果.63致谢64V2012届暨南大学硕士学位论文第一章绪论1.1石墨烯2石墨烯(GraPhene)是由单层碳原子以sp杂化构成的,具有蜂窝结构的二1-3维无机碳材料，其基本结构单元是有机材料中最为稳定的苯六元环,是世界上最薄的二维材料,是继1985年发现富勒烯和1991年发现纳米碳管之后的又一重1,4-6大发现，其在电子、信息、能源、材料和生物医药等新兴研究领域展现出在7,8理论研究和实际应用方面的无穷魅力。最近研究发现,石墨烯的层状结构可6以直接刺穿细菌的细胞膜,导致细菌内容物泄露而死亡；2010年,上海应用物4理所樊春海等

20、发现氧化石墨烯纳米悬浮液在与大肠杆菌接触培养2h后,对其抑制率超过90%,进一步的研究证实氧化石墨烯的抗菌性是因为破坏了大肠杆菌的细胞膜。更为重要的是,氧化石墨烯不仅是一种新型的性能优异的无机抗菌材料，而且其对哺乳动物等的真核细胞毒性较小。同一年,Omid也研究比较了石墨和氧化石墨的抗菌性能,结果发现石墨烯具有比氧化石墨烯更强的抗菌活性,是由于石墨烯的边缘更尖锐,更易损害细胞壁。同时,氧化石墨和石墨烯还可9,10为无机纳米粒子载体，使纳米粒子稳定性大大提高。1.1.2石墨烯在生物材料领域的应用目前有关石墨烯及其衍生物的研究,主要集中在其物理学应用研究领域,石11-14墨烯的化学和材料学研究也发

21、展较为迅速，而石墨烯在生物医学和生物材15-202122,23领域的研究工作才起步,包括靶向药物输运、细胞成像、生物检测、21肿瘤治疗以及石墨烯生物安全性等的研究也都处于开始阶段。1.1.2.1石墨烯在纳米载药体系中的应用242008年DaiHongjie课题组首次报道了，利用经过聚乙二醇修饰的氧化石25墨烯(NGO)作为难溶性含芳香结构的抗癌药物的载体。Dai和他的同事还研究了经过聚乙二醇修饰的氧化石墨烯片层用于抗癌药物阿霉素(DOX)的生物26靶向输运。同时,在癌症的靶向治疗方面也有相关文献报道。在此基础上，27南开大学陈永胜课题组研究了DOX在NGo上高效负载及可控释放性质，如图271.

22、L所示。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的Zhang课题组将干扰12012届暨南大学硕士学位论文RNA(SiRNA)和DOX通过非共价键作用装载到经过聚乙烯亚胺PEI修饰的NGO上,能显著地抑制BCI-2蛋白的表达,SiRNA和DOX表现出显著的协同增强抗肿瘤效果的作用。图1.1.功能化的石墨烯负载DOX的示意图Fig1.1.GraphabstractofDOXloadedonfunctionalizedgrapheme他们的研究工作发现,NGO具有较高的比表面积,对药物的装载率可以达28到238%,远远超过普通纳米载药材料。他们还发现,NGO在不同PH下药物释放动力学行为不同,为石墨烯

23、载药的控释提供了重要依据。1.1.2.2石墨烯在生物检测中的应用28新加坡国立大学的Loh课题组经过研究发现,经过石墨烯稳定修饰的单链DNA(SDNA)和血红蛋白(CytC)可以明显降低在进行激光飞行时间质谱26(SELDD的背景噪音,如图1.2.所示。Dai课题组还发现,经过精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)、花青染剂和聚乙二醇修饰的石墨烯,可以用于近红外激光29治疗癌症。中国长春应用化学研究所的Warlg课题组发现使用石墨烯负载纳米银颗粒可以使得拉曼光谱对叶酸的检测最低限降低到9nMo德国洪堡大学的30Rabe课题组发现,石墨烯还可以用于以原子力显微镜为基础的DNA检测方面。31Tang等

24、人在以石墨烯为载体作为生物探针方面也进行了不少研究。32,33虽然,在将石墨烯作为抗菌材料方面也有一些研究报道，但是,研究缺22012届暨南大学硕士学位论文乏系统性且不够深入。图1.2.石墨烯应用于SELDlFig1.2.GrapheneappliedinSELDI1.1.3石墨烯及其功能化产物的生物学评价石墨烯及其功能化产物在纳米载药、生物检测、癌症治疗等生物医学、生物材料等领域具有广泛的应用前景和巨大的发展空间,但是石墨烯及其功能化产物的生物学评价和安全性评价目前还相对比较缺乏，对其可能存在的环境和健康风险尚不明确。1.1.3.1石墨烯及其功能化产物在对微生物的作用石墨烯因具有巨大的比表面

25、积,较为尖锐的边缘,和细胞较为相近的尺寸，4故而,很多研究者将其应用在了抗菌领域。中国上海应用物理研究所的Fan课7 34题组,伊朗沙里夫大学的Akhavan课题组以及新加坡南洋理工大学的Chen课题组,先后针对石墨粉(Gt)、氧化石墨(Gt0)、氧化石墨烯(GO)和石墨烯(rG0)的抗菌性能进行了研究。研究结果虽有差异,但是都表明氧化石墨烯(Go)和石墨烯(rGO)在不同程度上具有抗菌性能。印度东北科技研究院的35Das课题组对石墨烯负载纳米银(AgNP)的抗菌性能进行了相关研究,结果表明，复合材料的抗菌性能的强弱依赖于AgNP的粒径大小,AgNP的越小，复36材料的抗菌性能越强。我们课题组

26、也进行了相关的抗菌工作的研究,结果表32012届暨南大学硕士学位论文明经过考马斯亮蓝(BB)和十四烷基三苯基澳化磷(TTP)修饰的石墨烯(rG0)对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的半致死剂量(LD)分别为250mg/L和15050mg/L,如图1.3.所示。图1.3.（八）正常的金黄色葡萄球菌和(E)正常的大肠杆菌的透射电镜图;经过BB/rGO/TTP处理的(B)金黄色葡萄球菌和(F)大肠杆菌的透射电镜图；作用之后的(C、D)金黄色葡萄球菌和(G、H)大肠杆菌的细胞膜损伤透射电镜图Figure1.3.TEMimagesofnormalS.aureuscellsA,E.colicellsE;S.au

27、reuscellsB,E.colicellsFtreatedbyBB/rGO/TTP;thechangesofS.aureuscellsC,D,andE.colicellsoutermembraneG,H1.1.3.2石墨烯及其功能化产物对人体细胞的生物学评价以上的结果均表明,石墨烯或者其衍生物具有一定的抗菌性能,但是,在使用时还应注意到其对人体细胞和动植物细胞的生物安全性。这一方面的研究,还处于起步阶段,仅仅只有零星的文献对此有过报道。美国明尼苏达大学的37Haynes课题组发现,氧化石墨烯的粒径越小时，其对于血红细胞的毒性越38如图1.4.所示。Lu等也对氧化石墨烯的细胞毒性进行了研究。但

28、是,实验发现,当NGO浓度达到100mg/L时,细胞仍有接近100%的相对存活率,证实NGO36的细胞毒性较低。我们课题组也对其进行了一些初步研究,结果表明经过BB修饰的石墨烯针对人体喉癌细胞系(Hep2)的半致死剂量(LD)大于100gmL,5042012届暨南大学硕士学位论文生物毒性较小。图1.4.石墨烯对人体血红细胞的毒性Fig1.4.CytotoxicityofGrapheneinHumanErythrocytes以上的研究结果表明,石墨烯及其功能化产物的生物学评价和安全性评价目前还相对比较缺乏共识,有必要作出进一步的研究。1.2抗菌材料1.2.1抗菌材料概述环境污染和生物安全问题已成

29、为人类社会寻求可持续发展所面临的根本性和战略性问题。特别是近几年，由有害微生物(细菌和病毒)引发的全球性微物灾害事件频频发生,给相应国家或地区造成了巨大的经济损失或人员伤亡。因此，如何有效控制有害微生物传染和传播已经成为专家学者的重点研究课题。1.2.1.1无机抗菌材料无机抗菌剂是利用Ag、Cu、Zn、Ti等金属及其离子的杀灭细菌或者将细菌的繁殖和生长能力降低在允许条件内的抑菌能力制得的一类抗菌剂。目前,市售的无机抗菌剂通常是使用多孔材料将具有抗菌或者抑菌能力的一类或者几类金属离子吸附或者负载于其上而构成。无机抗菌剂的抗菌或者抑菌性能是通过调整其载体的结构控制其中金属离子的释放速率达到的,使得

30、金属离子在相当长的时间内可以较为平缓地释放出来,从而使其能够在较长的时间内保持有效的抗菌52012届暨南大学硕士学位论文或者抑菌能力,达到提高抗菌制品的使用寿命的目的。无机抗菌剂中，目前研究最多、开发和应用较快、商业化应用最多的是Ag+系无机抗菌剂。因为Ag的杀菌能力最强,其杀菌强度约为Zn的100O倍。于Hg.Cd、Pb和Cr等其它金属的毒性较大，目前无机抗菌剂使用的主要Ag.Cu和Zn0另外,具有光催化等作用的TiO作为无机抗菌材料,也己受2到越来越多的研究者的关注。不会对环境造成污染、对人体具有较小的毒性作用是这种无机抗菌材料最大的优点,但是其杀菌作用的光效应的范围必须在紫外波段,因此其

31、作为正常使用的抗菌剂,还有相当长的一段路要走。39-42无机抗菌剂通常将贵金属负载在一些载体上，比如活性碳、多孔型硅酸43,4445846盐、陶瓷、玻璃多孔材料之上等。耐热性好、抗菌谱广、有效抗菌期长、毒性较低、不会产生耐药性等是Ag系无机抗菌剂具有的显著优点。但是，与此同时,Ag系无机抗菌剂也具有易变色、制备相对困难等的缺点。近年来,由于教体纳米化,抗菌材料具有更大的表面积,可以对微生物产生更强的吸附作47,48用，从而可以有更好的抗菌效果。1.2.1.2有机抗菌材料有机抗菌剂以化学合成为主,包括季胺盐类、季?盐类、苯胺类、双胭类、醇类、酚类、有机金属类、毗咤类、咪喋类、睡吩类、异睡晚酮及其

32、衍生物等,49,50具有作用速度快、可操作性强、稳定性较好、防霉效果优良等优点，用于消毒剂、防细菌剂、防腐剂、防霉剂、防藻剂等,可直接喷洒,也可添加在材料及49制品中。其中,最具有代表性的是季钱盐和季?盐类抗菌材料。季钱盐类抗菌剂价格低廉、抗菌速度快、实用性较强,发展较快。国内外对季钱盐类低分子50-5455-58抗菌剂都有较为深入的研究，本课题组也有较为深入的研究。季镀盐类抗菌剂存在抗菌持续时间较短,药用剂量大,长期使用易于使细菌对其产生抗药性等缺点。相比较而言,季?盐类抗菌剂的优越性表现在以下几个方面：（1）季?盐更容易吸附细菌细胞；（2）相对于季钱盐,季?盐较更加稳定，与一般的氧化还原剂

33、以及酸、碱等都不发生化学反应,使得其具有更广阔的使用范围；（3）季?盐抗菌剂具有更广的耐酸碱性,pH2T2均可发挥较好的抗菌效力,而季钱盐抗菌剂只有在pH大于9时才表现出较高的抗菌活性。因此,近年59,60来,季?盐类抗菌剂得到了广泛的研究。但是,有机抗菌剂的毒性大,使用62012届暨南大学硕士学位论文时会对人类健康和生态环境造成极大的威胁。1.2.1.3天然抗菌材料天然抗菌剂是人类使用最早的抗菌剂，目前在古代墓葬中发现的抗菌剂多为天然的抗菌剂。天然抗菌剂有壳聚糖、天然萃取物等。目前最常用的天然抗菌剂是壳聚糖,壳聚糖是目前发现的唯一一种带有正电荷的多糖。壳聚糖具有较强的抗菌能力，当含量达到0.

34、1%时就具有明显的抗菌效果,但是,其耐酸性较差,因此环境因素对壳聚糖的抗菌性能会产生较大的影响。常用的其他天然抗菌剂还有山梨酸、芥末、薨麻油、山葵等。天然抗菌剂具有杀菌或者抑菌能力较高、使用时安全无毒等优点。但是,天然抗菌剂加工较为困难、耐热性较差、易受环境61,62等因素影响，因此限制了它的应用。1.2.1.4其它抗菌剂有机金属聚合物在近几年获得了显著的发展,尤其以有机锡聚合物在抗菌材料方面应用最为广泛。另外,低分子毗咤盐抗菌剂有很好的抗菌效果,将其接63,64到高分子链上可以提高抗菌基团密度,使其抗菌性能得到进一步改进。1.2.2纳米银抗菌材料纳米银是指粒径在纳米级（IToOnm）的金属银

35、单质。纳米银为零价,固体呈粉末状,黄褐色,加入水中之后为黄色,具有荧光性,不产生沉淀,颗粒直径65多在10-50nm之间。纳米银主要以三角片层、球状、棒状为多,最近XiaYounan课题组合成了形貌较为独特的纳米银立方。66纳米银,在物理、化学及生物学方面具有显著而独特的性能，包括表面29,67-69707172增强拉曼散射、催化、数据存储、生物和医学传感器以及较好的73-77广谱抗菌活性,对人类细胞无毒害等。而且纳米银具有比同类常规无机抗菌材料更强的抗菌活性，其合成方法和抗菌性能和抗菌机理受到更广泛的关注。1.2.2.1纳米银的合成纳米银的合成方法主要包括以机械粉碎法、光照法、蒸发冷凝法等为

36、代表的物理方法，以酶催化法、非酶还原法等为代表的微生物方法，以及应用最为广泛、工艺流程简单、产率高、简便易行的化学方法。化学方法主要包括：29,78化学还原法。该法是使用水合肿、硼氢化钠、次磷酸钠、葡萄糖、72012届暨南大学硕士学位论文柠檬酸钠、双氧水等作为还原剂,在聚乙烯毗咯烷酮或者其他分散剂或者稳定剂，还原Ag的化合物或者配合物,如图L5.所示。79微乳液法。路林波等研究在环己烷/异戊醇/十二烷基硫酸钠/水所组成的反相微乳液体系里制备纳米金属银粉的方法,从银锈盐溶液中制备出粒径为20-30nm的纯净银粉。80模板法。Zhang等在碱性条件下还原银离子,诱导单分散的银纳米粒子在空气一一水界

37、面下自然地一步形成。结果表明，朗缪尔单层膜使银纳米粒子均匀地分散。81光化学法。姚素薇等人发现在碘鸨灯的照射下,壳聚糖能产生自由基，+将Ag原位还原,最终得到直径分布在5-8nm范围内的纳米银。82电化学法。廖学红等人采用了超声电化学还原过的方法,在一定量EDTA的存在下,获得了类球形和树枝状纳米银。83溶胶-凝胶法。何峰等人用溶胶-凝胶法在浮法玻璃表面制备了掺杂银2+胶体粒子的SiO涂层,通过热处理并利用浮法玻璃下表面的Sn将Ag还原2成纳米粒子,从而使玻璃显色。超声波还原法。超声波在化学反应中应用相当广泛,在合成纳米银的过程中,主要作用使纳米银颗粒分散更为均匀。图1.5.化学还原法的流程图

38、Figl.5.FlowchartofthesynthesisofAgnanoparticlesbychemicalreductionmethod82012届暨南大学硕士学位论文1.2.2.2纳米银抗菌的作用机理近年来,纳米银对细菌形态的损伤有了许多共性研究:经纳米银作用后,菌体细胞畸形且不完整；细胞外膜受到损伤，胞壁上出现小坑，胞膜上出现小孔；84-88纳米银不仅作用于细胞外膜,而且进入了菌体细胞内部。纳米银抗菌的作用机理众说纷纭,主要有：84DNA损伤经过纳米银作用后的大肠杆菌的DNA在核区呈现出浓缩的紧张状态,而不是随机分布在核区，并且使得大肠杆菌DNA的降解程度增加，如图L6.所示；图1

39、.6.透射电镜下大肠杆菌形态结构:a未经纳米银处理的大肠杆菌放大20000倍,箭头所指为随机分布在细胞内的电子明亮物质；b未经纳米银处理的大肠杆菌放大40000倍,箭头所指为随机分布在细胞内的电子明亮物质；c经纳米银处理的大肠杆菌放大15000倍,箭头所指为电子明亮区域;d经纳米银处理的大肠杆菌放大40000倍,箭头所指为在电子明亮区域浓缩呈线性的DNA;e经纳米银处理的大肠杆菌晚期细胞放大40000倍,箭头所指为破损的细胞壁；f经纳米银处理的大肠杆菌晚期细胞放大100000倍,是细胞壁破损的细胞Fig1.6.MorphologyandstructureofE.colicellsundertr

40、ansmissionelectron92012届暨南大学硕士学位论文microscope:anormalE.colicells,theelectronlightmaterialsarrowdistributedrandomlyincells20000;bnormalE.colicells,theelectronlightmaterialsarrowdistributedrandomlyincells40000;cE.colicellstreatedbynanosilver,theelectronlightregionarrowinthecenterofcells15000;dE.colicel

41、lstreatedbynanosilver,condensedformofDNAarrowintheelectronlightregion40000;etheterminalE.colicellstreatedbynanosilver,damagedcellwallarrow40000;ftheterminalE.colicellstreatedbynanosilver,thecellwallwasdamaged10000085-87细胞膜通透性改变经纳米银处理后,细菌的细胞膜的通透性产生变化,造成细胞液中的大量的营养物质和代谢物质泄漏,从而导致了细菌的死亡；85脱氢酶失活纳米银颗粒可以和菌体

42、蛋白中的筑基、氨基等基团结合,使一些含航基或者裸露氨基等基团的酶失去活性。经纳米银处理后,大肠杆菌呼吸链中脱氢酶的活性明显降低,并且纳米银的浓度越高酶活性越低；活性氧自由基的氧化损伤菌体表面微量的银能起到催化活性中心的作用。Ag激活空气或水中的氧，8889产生羟自由基及活性氧离子,抑制或杀灭细菌；PaI等发现纳米银与细菌共培养初期的杀菌作用与其产生的活性氧有关,并证明杀菌的有效成分是羟自由90基。Kim等观察到相同的结果并发现在培养基中加入抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸可以抵消纳米银的杀菌作用，即纳米银产生的自由基与它的抗菌性有关。诸多研究已经证实:纳米银先黏附在细菌外膜上,再穿过外膜对细菌造成损8

43、4-88伤。但是,纳米银与细菌外膜结合的机理仍不清楚。一般认为带正电荷的纳91-95米银通过静电吸附作用黏附到带负电荷的细菌外膜。1. 2.3纳米银无机复合抗菌材料以无机载体负载纳米银作为抗菌材料,能有效地控制纳米银的物理特性,并更好地发挥纳米银的抗菌性能。除将纳米银负载于沸石、蒙脱土、海泡石、磷酸96-100101错、磷酸钙、硅胶、氧化锌等无机载体上，还可将其直接制成凝胶。这些方法改善了纳米银易团聚和结构难以控制的特性,但其水溶性差的问题仍未解决。目前,研究者主要通过在纳米银表面修饰具有亲水基团的有机物来实现纳米102012届暨南大学硕士学位论文102,103银水溶，如图L7.所示,但修饰后

44、纳米银抗菌活性明显减弱。96-100复合是提高材料性能的有效途径之一，如果基于石墨烯片层结构的抗菌活性和负载能力，以水溶性的功能化石墨烯为载体负载纳米银,制备一种具有协同抗菌作用的水溶性石墨烯/纳米银复合物,不仅能使纳米银负载在石墨烯的片层上，保持纳米银的稳定性，同时还将赋予纳米银水溶性,更重要的是，由于石墨烯和纳米银协同抗菌作用，使得复合材料性能优于单一组分性能的简单的加和,甚至展示出新的功能。图1.7.聚乳酸修饰的纳米银Fig1.7.SilerparticlesmodifiedbypolyL-lacticacid1.3本论文的选题意义、研究内容和创新点1.3.1 选题意义目前以载银为主要抗

45、菌活性成分的缓释型无机抗菌剂具有无毒、长效、耐热性高等优点，最重要的是不会产生微生物耐药性,其可直接作用于致病微生物的细胞膜,使其破裂而死亡,或由离子形态穿透细胞膜进入细菌体内，与蛋白质上的筑基、氨基等发生反应破坏蛋白活性中心结构导致细菌死亡。如英国南安普敦大学的一项最新研究表明，使用铜质的接触面来替代常用的接触而，可阻止含有102“超级细菌”的传播,使接触面的细菌污染面积缩小至90%以上。所以,使用载银无机抗菌剂是预防致病微生物传染的安全措施。但载银无机抗菌剂的易变色(稳定性差)、抗菌活性无法满足实际应用要求,限制了其推广应用。因此,在利用缓释型载银无机抗菌剂高度安全性优点的同时如何克服其易

46、变色和抗菌活性较差的缺点,成了抗菌材料领域的研究热点。112012届暨南大学硕士学位论文36本课题组已经成功制备出了具有良好水溶性甲基蓝/石墨烯复合材料,和季?盐柱撑多层石墨烯的抗菌材料,也进一步合成出了考马斯亮蓝(BB)/石墨烯(rGO)/季?盐(TTP)复合抗菌材料。BB/rGO/TTP对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的半致死剂量(LD)分别为250mg/L和150mgL,此种复合抗菌材50不仅具有良好的水溶性,而且具有特殊的靶向性,即TTP在PBS溶液中的释放量几乎为零,但在血清中的释放量可以高达30%。1.3.2研究内容(1)石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备与结构表征通过研究石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备方法,组成结构和稳定性,获得能分散在水