水溶液合成纳米银/纳米微晶纤维素复合物及其抗菌性能

张念椿，敖玉银，丁恩勇，胡建强

1.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640

纤维素是环境友好的高分子材料，以纤维素为基体，取代目前昂贵的合成高分子基体，开展纤维素基功能纳米复合材料的研究，可以显著降低复合材料的制备成本，促进此类材料的推广应用[1-2].有机抗菌剂热稳定性较差、易分解、持久性差、通常毒性较大以及长时间使用对人体有害，为了克服有机抗菌剂的缺点，人们逐渐将研究方向转向无机抗菌剂[3].银系抗菌材料属于无机抗菌剂，其优点是低毒、耐热、抗菌持久和抗菌性广等，可广泛应用于纺织品、洗涤剂、容器餐具和空调冰箱等领域.银系抗菌材料中的纳米银具有抗菌效果好、安全性高、效力持久、耐候性强且无细菌耐药性等特点受到了研究人员的极大关注.但是银纳米颗粒很容易团聚，会影响其抗菌性能，一般将纳米银分散在无机氧化物或高分子基材上，使其分布均匀以及无明显的颗粒聚集，该类纳米银复合物在生物医学领域以及抗菌性能上具有潜在的应用优势[4-6].纳米银或者游离状态的银对人体是安全的，哈佛大学医学院的外科教授Robert H. D等阐述了纳米银抗菌机理以及毒性等，他认为银通过阻断微生物的呼吸酶系统(阻断其能量产生)来杀灭微生物，且对人体细胞没有负面影响，几个世纪以来银的使用证明了其对人体组织是无毒的[7].

本研究以CNC(纳米微晶纤维素)为基体，以水溶液为介质，利用简单的超声还原法制备了纳米银负载于CNC的复合物(Ag/CNC复合物)，并对其抗菌性能进行了研究.采用CNC作为基底材料，扩大了银/纳米微晶纤维素复合材料的原料来源.所制备的Ag/CNC-3复合物中的纳米银颗粒粒径均一，均匀地分散在微晶纤维素基材上，且工艺简单易行，生产成本低，适合工业化推广.

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

试剂：AgNO3(纯度≥99.9%，分析纯)、无水乙醇(纯度≥99.5%，分析纯)购于广州化学试剂有限公司；质量分数4%的纳米微晶纤维素由本实验室制备；实验用水为净化的二次去离子水，25℃时电阻率≥18.2 MΩ·cm.

仪器：JEOL-2010型透射电子显微镜(TEM，加速电压200kV)；TG16-WS台式高速离心机(湘仪离心机)；KQ3200E型超声波仪器(昆山超声仪器有限公司)；傅里叶红外光谱仪FTIR(EQUINOX-55，Thermo Electron Corporation) 分析；电子天平(BS124S，北京赛多利斯仪器系统有限公司).

1.2 合成Ag/CNC复合物

取10 g质量分数为4%的CNC置于500 mL烧杯中，再加入200 mL的DI水，超声15 min使其分散，然后逐滴加入新配制的1×10-3mol/L的AgNO3溶液5 mL.在超声反应时间分别为20，40，60，80 min时，制备了样品Ag/CNC-1，Ag/CNC-2，Ag/CNC-3和Ag/CNC-4.将上述制得的样品分别在10000 r/min下离心分离15 min，并依次用无水乙醇和DI水(Ag/CNC纳米复合物在DI水中具有良好的可溶性)对产物进行洗涤.最后，将得到的样品在60 ℃真空中干燥3 h.

2 结果与讨论

2.1 TEM分析

图1为不同超声反应时间下制备的纳米银负载于纳米微晶纤维素的Ag/CNC纳米复合材料的TEM图.从图1(a)看出，超声反应为20 min时，得到的纳米银颗粒较小，但纳米银负载不均匀.从图1(b)看出，Ag/CNC-2的纳米银粒径比Ag/CNC-1的大，分布稍均匀，但颗粒大小不均.继续延长超声反应时间至60 min时，从图1(c)可看出，在CNC表面分布的纳米银颗粒大小均匀，为球形颗粒，粒径在30～50 nm，银纳米粒子均匀地覆盖CNC表面.图1(d)是超声反应80 min的Ag/CNC-4的TEM图.图1(d)显示，CNC表面的银颗粒大小不均，呈团聚状.说明用超声反应法可制备出Ag/CNC复合物，但受超声反应时间的影响较大.从上面的测试结果得出其影响机制如下：初期，随着超声还原时间的增加，不断有银纳米粒子生成，是纳米银逐渐增多的过程，在此过程银粒子较少且分布不均.当超声时间达到一定时间时，本实验为60 min，生成的纳米银颗粒大小均一，并均匀地覆盖CNC表面.后期，当超声反应时间足够长时，生成的纳米银粒径增大并出现团聚.从图1可知，CNC的纳米网络结构为纳米银生成提供了空间.因此，CNC可以作为负载纳米银的载体.当超声反应时间为60 min时，获得的Ag/CNC复合物的纳米银颗粒大小均匀，负载量足够多，且在CNC表面分布均匀.

图1 Ag/CNC复合物的TEM图像照片

2.2 XRD分析

分别对基体CNC和负载银后的复合物Ag/CNC进行X-衍射仪分析，如图2所示.

图2(a)是CNC的XRD图.从图2(a)可观察到三个强峰，这3个峰位分别在12°，20°，22°.其中20°处的峰最强，与典型的纤维素II的XRD图谱一致.图2(b)是复合物Ag/CNC-1的XRD图.从图2(b)可看出，Ag/CNC-1纳米复合物具有明显的银晶体结构特征峰，与粉末衍射标准卡片(PDF)中银的衍射峰对比可以确认，位于38.12°，44.12°，64.13°，78.11°处的峰分别为Ag (111)，Ag(200)，Ag(220)，Ag(311)晶面的衍射峰.衍射结果表明，银晶体为面心立方结构[8]， XRD显示所制得的产物含有银和CNC的衍射峰，说明产物为Ag/CNC复合材料.在衍射图谱中未见有其他杂质峰，说明制得的产物的纯度较高.

图2 CNC和产物Ag/CNC-1的X-射线衍射图谱

2.3 红外图谱分析

图3为CNC和Ag/CNC-3的红外光谱图.由图3曲线b可看出，负载银的CNC在波数2270 cm-1处出现了新峰，这是金属纳米银与CNC羟基中的氧原子发生配位作用后产生的Ag (C-O)特征峰.CNC氢键缔合羟基的伸缩振动特征峰也有所改变，从3415 cm-1移至3446 cm-1，说明银与羟基之间形成了配位键，破坏了CNC分子之间的氢键.

另外,CNC吸收水分后-CH伸缩振动产生的特征峰1618 cm-1，负载纳米银后移至1640 cm-1处，这可能也是由于银与羟基之间形成了配位键而破坏了CNC分子之间的氢键，使CNC吸收的水量发生变化，导致特征峰发生偏移.由此可推断，纳米银与CNC上的羟基发生了配位作用.

2.4 抗菌性能

图3 CNC和Ag/CNC-3的傅里叶红外图谱

图4为Ag/CNC纳米复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌环照片，表1列出了抑菌环数据.抑菌环法是根据抑菌圈直径定性地判断其抗菌性能，抑菌圈越大，抗菌性越强.该抑菌环法操作简单，直观性好，肉眼可辨认.从图4可以看出，纯CNC周围没有形成抑菌环(中心部位的样品)，而Ag/CNC复合材料周围则有非常明显的抑菌环存在.

图4 Ag/CNC抑菌环照片

Fig.4Photographs of Ag/SiO2nano-composites (Ag/CNC-1, Ag/CNC-2, Ag/CNC-3, Ag/CNC-4 and CNC(control) antibacterial test results on (a) E. coli, (b) S. aureas and (c) C. albicans

表1银负载纳米微晶纤维素的抑菌环值

Table1Diffusion disk showing the antibacterial activity of Ag/CNC nano-composites

细菌抑菌环直径/mmAg/CNC-1Ag/CNC-2Ag/CNC-3Ag/CNC-4大肠杆菌8.512.513.313.0金黄色葡萄球菌9.215.616.215.6白色念珠菌10.316.018.417.0

由图4和表1可知，抑菌圈的大小与Ag/CNC复合材料中的银纳米粒子的均一性和载银量有关，抑菌环直径呈现出先增大后减小，说明抑菌圈的大小与银的负载量、表面负载银颗粒大小及覆盖均匀性直接相关，因此要提高产物的抗菌性能，其表面须均匀覆盖一定量的纳米银粒子.由于纳米银具有小尺寸效应和表面效应，其抗菌性能要远远强于微米级银粒子，所以本研究制得的纳米银颗粒具有很强的抗菌性.关于纳米银的抗菌机理，现有的研究认为，银原子的杀菌过程均是通过与细胞膜作用，使其失去正常传输介质的能力，而导致细菌死亡.银原子可在细胞壁的外部形成不规则的凹陷，进而影响细胞膜的通透性，致使银颗粒在细胞内堆积而使细菌死亡[9].

金属银离子在纤维素表面的还原反应与CNC表面官能团有关，其机理可能如下：金属银离子的还原与CNC粒子表面吸附的OH-有关，首先Ag+由溶液扩散到CNC粒子表面，然后Ag+与CNC粒子表面富集的OH-反应生成氧化银，最后Ag2O在超声作用下逐渐还原析出金属银.由于CNC粒子表面为银的成核反应提供了富集反应物的载体或支持面，使得银在CNC粒子表面容易成核并成长为粒子，具体反应式如下：

(1)

H2O )))))))H·+·OH

(2)

(3)

其中，ads代表吸附，))))))) 代表超声反应.

3 结 论

采用CNC作为基底材料，可以明显防止纳米银团聚，且Ag/CNC复合物在水中具有良好的可溶性.超声反应60 min时，所制得的Ag/CNC-3纳米复合物中纳米银颗粒大小均匀，可均匀地分散在CNC表面，其抗菌活性较好.该合成工艺简单易行，生产成本低，适合工业化推广，在生物医学领域以及抗菌性能上具有潜在的应用优势.

参考文献：

[1] HABIBI Y，LUCIA L A，ROJAS O J.Cellulose nanocrystals:chemistry,self-assembly,and applications[J]. Chem Rev，2010，110，3479-3500.

[2] WANG H S，QIAO X L，CHEN J G，et al.Preparation of silver nanoparticles by chemical reduction method [J].Colloids Surf A，2005，256(2-3):111-115.

[3] 孙剑，乔学亮，陈建国.无机抗菌剂的研究进展 [J].材料导报，2007，21(5):344-348.

[4] 石和彬,刘羽,钟宏.磷灰石在抗菌材料中的应用 [J].化学与生物工程,2003(6):48-49.

[5] SMIECHOWICZ E，KULPINSKI P，NIEKRASZEWICZ B，et al.Cellulose fibers modified with silver nanoparticles [J].Cellulose，2011，18:975-985.

[6] KIM Y H，LEE D K H，CHA G，et al.Synthesis and characterization of antibacterial Ag-SiO2nanocomposite [J]. J Phys Chem C，2007，111:3629-3635.

[7] ROBERT H D. Effects of silver on wound management [J]. Wounds，2001，13:1-15.

[8] 雷忠利，范友华.聚合物存在下纳米银复合材料的制备与表征 [J].物理化学学报，2006，22(8): 1021-1024.

[9] WEN X，AN S J，HOU Z F，et al.Ag-loaded sustained release antimicrobial dressings [J]. Progress chem，2009，21 (7-8):1644-1654.