ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的制备及其抗菌抗溃疡作用

2018-09-17王跃武安彩艳梁朗超郭俊英

西安工程大学学报 2018年4期

王跃武,安彩艳,梁朗超,郭俊英,李君

(1.内蒙古医科大学新药安全评价研究中心,内蒙古呼和浩特 010059;2.内蒙古医科大学附属医院，内蒙古呼和浩特 010059;3.内蒙古大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特 010059)

0 引言

目前,纳米抗菌材料在生物医学领域已得到了广泛应用,发挥着不容忽视的作用．其中,无机纳米抗菌材料因其具有安全、高效、广谱、释性好、不易产生抗药性和耐热性等优点,越来越受到重视[1]．无机纳米抗菌材料大都含有纳米金属离子或者纳米金属离子氧化物,其抗菌机理包括金属离子溶出抗菌,光催化杀菌和接触型灭菌等[2-3]．其中最具代表的无机纳米抗菌材料就是纳米银,其在生物医药领域已广泛应用,并开发了纳米银敷料[4-6]、纳米银凝胶[7-8]、纳米银栓剂等多种产品．可是,银离子作为一种重金属,有较大的毒性[9-12]．为了克服纳米银的缺点,推广纳米材料的使用,寻找更多低毒性的纳米材料成为了研究热点,锌离子作为人体必须的微量元素受到了科研人员的关注．

据文献报道,Mirhosseini M等人发现纳米ZnO对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门菌属等致病菌具有强烈的抑制或杀灭作用[13]．日本东京工业大学与国立传染病研究所等单位的研究人员发现纳米ZnFe2O4对葡萄球菌、绿脓菌、枯草菌以及大肠菌等细菌的杀菌效果较为明显[14]．目前,对ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒的研究主要集中在降解污染物、光催化活性、光电化学性能等方面[15-16],其抗菌性能和抗溃疡作用的研究较少．而且,纳米氧化锌经皮肤接触动物实验研究,未发现明显的毒性反应[17]．所以,本课题拟合成制备毒性低且具有抗菌抗溃疡作用的ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒,以拓展ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒在医学领域的应用．本课题采用化学共沉淀法制备了ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒,并对其进行了表征,研究了其抗菌性能,还通过动物实验研究了其抗溃疡作用．实验结果显示,ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒具有良好抗菌抗溃疡作用,本实验为将ZnO@ZnFe2O4复合纳米颗粒开发成为抗溃疡外用药物提供了科学依据．

1 实验

1.1 仪器与药品

(1) 仪器 DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市孝义合众仪器供应站),SX2-10-12箱式电阻炉(天津市中环实验电炉有限公司),DGG-9240B智能鼓风干燥箱(杭州卓驰仪器有限公司),BCD-186KB冰箱(青岛海尔股份有限公司),KH5200DE型数控超声波清洗器(昆山禾创超声仪器有限公司),DHT型搅拌恒温电热套(苏州学森仪器设备有限公司),电子天平(上海菁海仪器有限公司),HC-2518高速离心机(安徽中科中佳科学仪器有限公司),蒸发皿,烧杯等．ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的结构和形貌由X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)表征．

(2) 药品铁氰化钾(天津市化学试剂一厂),聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)(国药集团化学试剂有限公司),氯化锌(国药集团化学试剂有限公司),pH为5～6的盐酸(永飞化工厂), 蒸馏水．

(3) 实验动物 SD大鼠,重量(200±20)g,由北京维通利华实验动物技术有限公司提供,动物合格证为SCXK (京)2016-0011．

1.2 ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的制备和表征

准确称量铁氰化钾固体0.5 g,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)0.2 g,倒入洁净的大烧杯A中,加蒸馏水至200 mL置于超声波清洗机中超声混合均匀．准确称量氯化锌固体0.25 g,溶解于新配制的pH值为5～6的盐酸至200 mL,置于大烧杯B中超声溶解．氯化锌固体完全溶解后立即将烧杯A、B中溶液混合．将混合后的溶液放到搅拌机上搅拌30 min,搅拌后避光陈放6 h．取陈放后乳状溶液离心,离心所得沉淀水洗3次,醇洗2次．避光晾干．将晾干后的固体颗粒研磨放入高温煅烧炉内煅烧,即可得到ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒．

采用XRD分析样品的物相,采用SEM和TEM表征样品的形貌．

1.3 ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的抗菌性能

用无菌肉汤将菌液稀释至含菌量为107个/mL,并将菌液用玻璃棒均匀涂布于MH琼脂平板培养基表面．用无菌镊子分别取无菌牛津杯,将其放在琼脂平板培养表面,然后用移液器分别吸取0.2 mL纳米铁酸锌溶液于牛津杯中．将培养基置于37 ℃恒温培养箱中,培养16～24 h后,观察各个牛津杯中样品周围有无出现抑菌圈,如有则用游标卡尺测量其直径．

1.4 ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒抗溃疡作用

选用SD大鼠30只,随机分为3组,即空白组、低剂量组、高剂量组．所有大鼠均采用取皮并涂抹冰醋酸法制造溃疡模型,具体操作:在大鼠背部接近臀部,用脱毛器脱毛9 cm2,每只大鼠用适量乙醚麻醉,然后剪去2 cm×2 cm的皮肤区域,取皮处每天涂抹醋酸,连续7 d．皮肤溃疡模型建立成功后开始给药,在空白组大鼠溃疡处喷蒸馏水,在低剂量组和高剂量组溃疡处喷纳米ZnO@ZnFe2O4喷雾剂,每天给药1次,连续给药30 d,最后一次给药后,测量各组皮肤溃疡面积,计算治愈率,并继续观察记录各组大鼠脱痂所用的时间．

图 1 ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的XRD图Fig.1 XRD of ZnO@ZnFe2O4nanoparticle

2 结果与分析

2.1 结构特征

图1为ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的XRD图,从图1中可以看到立方相ZnO和立方相ZnFe2O4的衍射峰．谱图中各衍射峰强度尖锐,强度高,说明制得的ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒晶体结构完整,结晶性好,大小均匀．同时,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的纯度较高,没有杂质峰出现．

图2为ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的SEM和TEM图.图2(a)中可以看出颗粒呈球形,无明显的团聚现象,粒径保持在300 nm左右．从图中一些破损的颗粒可以看出,样品可能具有空心结构．经过TEM分析,从图2(b)中可以清晰的看到颗粒具有空心结构,这种结构为ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒作为药物载体进行开发提供了可能．

(a) SEM图 (b) TEM图图 2 ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的SEM和TEM图Fig.2 SEM and TEM of ZnO@ZnFe2O4 nanoparticle

2.2 抗菌性能

实验结果显示,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌生长具有抑制作用．图3(a)～(c)分别是质量浓度为0.08 mg/mL,0.04 mg/mL,0.02 mg/mL的ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌的抑制情况,由图3中的抑菌圈大小可知随着浓度的降低,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌的抑制作用呈下降趋势．当ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的浓度为0.04 mg/mL时(加药量为0.008 mg),抑菌圈直径为8.00 mm;当ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒的浓度为0.02 mg/mL时(加药量为0.004 mg),未出现抑菌圈,说明浓度为0.02 mg/mL的ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌生长无抑制作用．由此可知,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌的最低抑制浓度为0.04 mg/mL．

(a) 0.08 mg·mL-1 (b) 0.04 mg·mL-1 (c) 0.02 mg·mL-1图 3 不同质量浓度ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒对金黄色葡萄球菌生长的抑制情况Fig.3 Inhibition effect of ZnO@ZnFe2O4 nanoparticle on the growth of staphylococcus aureus

2.3 抗溃疡作用

实验结果如图4所示,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒组皮肤溃疡面积明显小于空白组,差异有统计学意义(P<0.05),且呈现剂量依赖性,实验结果见表1;ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒组脱痂天数明显少于空白组,差异有统计学意义(P<0.05),且呈现剂量依赖性,实验结果见表2．上述实验结果说明,ZnO@ZnFe2O4纳米颗粒具有良好的抗溃疡作用,能够促进溃疡皮肤的愈合．