3种磷酸盐型载体的载银能力及抗菌性能

沈凯旋，郑 敏，赵松铭，鲁译夫，钟 珊，宋希桐

（苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州215006）

磷酸盐型载体具有与离子交换树脂一样的离子交换性能［1］，还具有沸石一样的催化和选择吸附性能，而且化学稳定性、热稳定性、耐酸碱性好，无变色，有稳定的骨架结构和丰富的离子取代性［2-3］，因此被广泛用作离子交换载体，特别是作为银系抗菌剂的载体［4］。为探究不同种类磷酸盐型载体的载银能力和载银后的抗菌性能，本实验制备了3种载银磷酸盐型抗菌剂，并比较这3种载体载银能力的大小；通过抑菌圈、抑菌率和最小抑菌浓度实验，研究了3种磷酸盐型载银抗菌剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

1 实验

1.1 材料及仪器

材料：八水氧氯化锆（ZrOCl2·8H2O），氢氟酸（HF），盐酸（HCl），硝酸银（AgNO3），磷酸（H3PO4），磷酸二氢钠（NaH2PO4），磷酸氢二钾（K2HPO4），一水合柠檬酸，硝酸（HNO3）。

仪器：KQ-800TDB型高频数控超声波清洗器，DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，JJ200型精密电子天平，Hitachi H600A-Ⅱ型透射电子显微镜，DHG-9070型电热恒温鼓风干燥机，TGL-16L型高速台式离心机，D/max-ⅢC型X射线粉末衍射仪，S-4800型冷场发射扫描电镜，Optima-2000型电感耦合等离子体发射光谱仪。

1.2 样品制备

α-磷酸锆（ZrP）：将0.16 g ZrOCl2·8H2O溶解于20 mL去离子水中，加入0.2 g柠檬酸，搅拌10 min，缓慢滴加4 mL H3PO4，85℃搅拌30 min，然后转移到聚乙烯反应釜中，85℃水热反应36 h，取出离心、水洗、醇洗，60℃烘干得到磷酸锆样品［5］。

磷酸锆钠（NZP）：将0.07 g ZrOCl2·8H2O溶解于50 mL去离子水中，再滴加1.5 mL HF和3 mL HCl，搅拌10 min，加入0.1 g NaH2PO4，搅拌溶解，转移到聚乙烯反应釜中，150℃水热反应48 h，取出离心、水洗、醇洗，60℃烘干得到磷酸锆钠样品。

磷酸锆钾（KZP）：将2.2 g ZrOCl2·8H2O溶解于50 mL去离子水中，再滴加1.5 mL HF和3 mL HCl，搅拌10 min，再加入3.2 g K2HPO4，搅拌溶解，转移到聚乙烯反应釜中，150℃水热反应48 h，取出离心、水洗、醇洗，60℃烘干得到磷酸锆钾样品［6］。

载银抗菌剂：取3种载体ZrP、NZP、KZP各2.5 g，均匀分散在100 mL去离子水中，配成2.5%的悬液，将3份0.85 g AgNO3分别加到悬液中，80℃搅拌6 h，用去离子水反复洗涤反应产物，直至洗液中检测不到Ag+，最后产物在65℃下真空干燥，即得3种载银抗菌剂Ag/ZrP、Ag/NZP和Ag/KZP。

1.3 抗菌性能检测

大肠杆菌和金黄色葡萄球菌是具有代表性的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，本实验选取这两种细菌作为测试菌种。将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌加入20 mL灭菌营养肉汤中，于37℃恒温摇床培养箱中培养18～20 h，将培养好的细菌稀释成1×108～1×109cfu/mL待用。

抑菌圈［7］：采用滤纸片法测试。剪8片直径为20 mm、具有较强吸水性的圆形滤纸片，各取两片滤纸片分别放入5 mL 0.1 mol/L的3种载银磷酸锆型抗菌剂分散液中，另取两片于无菌水中作为空白对照，均浸泡24 h。取出滤纸片沥去余液，60℃烘干，放入洁净的培养皿中，干热灭菌（121℃，20 min）；各取一片滤纸片，紧贴涂有100μL大肠杆菌和100μL金黄色葡萄球菌的琼脂培养皿中，于37℃倒置培养18～24 h，取出，拍照记录。

抑菌率：参照GB/T 21510—2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》进行测试。

最低抑菌浓度（MIC值）［8］：用双料肉汤稀释法测定样品的MIC值。取试管若干，利用二倍梯度稀释法将320 mg/L抗菌液稀释至10 mg/L，并增加一个抗菌剂质量浓度为240 mg/L的抗菌液，每个梯度5 mL；将所需物品121℃灭菌20 min，冷却，向试管中各加入5 mL双料肉汤，充分摇匀后，再分别接入稀释好的50μL大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌液。对照试管中为5 mL蒸馏水和5 mL双料肉汤，其中阴性对照试管中再加入50μL PBS缓冲溶液，阳性对照试管中再加入50μL菌液，充分摇匀，37℃培养24 h。将实验组和空白对照分别稀释一系列相同的梯度后倒平板，放置于37℃恒温培养箱中培养24 h，观察生长情况，与空白对照相比，菌落数明显减少的平板所对应的质量浓度为该样品对实验菌的MIC。

2 结果与讨论

2.1 SEM和TEM

由图1可知，ZrP具有很好的片层状结构，且表面光滑平整，粒径在100 nm左右；NZP为立方体，粒径约为1μm，形貌较为均一；KZP为四边形的片状，均一性较差。

图1 3种磷酸盐型载体的SEM图

由图2可知，载银后3种样品均保持了原始载体的形貌，形状基本没有发生变化。

图2 3种载体载银后的TEM图

2.2 XRD

由图3可知，3种载体的衍射峰位置与文献［9-10］报道的一致，不含其他杂峰，特征衍射峰尖而窄，峰形规整，表明样品较纯，晶体晶相单一，结晶度较高；而载体载银后的衍射峰与原来的位置一样，没有检测到银的特征衍射峰，这可能是由于搭载的银量相对载体比较少。另外，载银后ZrP的结晶性有所下降，而其他载体载银前后的图像基本没有变化。

图3 3种载体及其载银后的XRD谱图

2.3 EDX

由图4可知，载银后的3种样品除了包含有本身的元素外，还检测出了银元素，这说明抗菌成分银均成功负载到3种载体上。

图4 3种载体载银后的EDX谱图

2.4 载银量

将Ag/ZrP、Ag/NZP、Ag/KZP在高温条件下用微波消解仪消解后，再用ICP测定载体的载银量，结果如表1所示。

表1 3种载体的载银量及银离子的交换率

由表1可知，Ag+交换到ZrP、NZP载体上的量较大，交换到KZP载体上的量较少。因为片状ZrP的交换位置存在于层状间隙中，间隙中的羟基为活性中心，具有丰富的可用于离子交换的活性位点；立方体NZP结构为六面体形，主要通过六面体表面的微孔进行离子交换；KZP具有和NZP相似的晶体结构，都属于NZP族磷酸盐，而KZP载银量较少的原因可能是KZP载体不易发生离子取代［11］。

2.5 抗菌效果

2.5.1 抑菌圈

由图5可以看出，3种载银抗菌剂均产生了比较明显的抑菌圈，说明载银磷酸盐型抗菌剂具有很好的抗菌性。Ag/ZrP对大肠杆菌的抑菌圈最大，抑菌圈宽度为2.97 mm；Ag/NZP次之，抑菌圈宽度为2.60 mm；Ag/KZP的抑菌圈最小，抑菌圈宽度为1.40 mm。Ag/ZrP对金黄色葡萄球菌的抑菌圈最大，抑菌圈宽度为1.27 mm；Ag/NZP次之，抑菌圈宽度为1.26 mm；Ag/KZP的抑菌圈最小，抑菌圈宽度为0.91 mm。这说明不同载体载银量越大，抗菌性能越好。

图5 3种载银抗菌剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈

2.5.2 抑菌率

由图6、7可以看出，Ag/ZrP对大肠杆菌的抑菌率为99.99%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为99.12%；Ag/NZP对大肠杆菌的抑菌率为99.62%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为99.18%；Ag/KZP对大肠杆菌的抑菌率为85.24%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为82.37%。这与抑菌圈的测试结果一致。

图6 3种载银抗菌剂对大肠杆菌的抑菌率图

图7 3种载银抗菌剂对金黄色葡萄球菌的抑菌率图

2.5.3 MIC值

由图8可看出，Ag/ZrP对两种受试菌的MIC值大小相同，均为80 mg/L；Ag/NZP对两种测试菌的MIC值相同，均为90 mg/L；Ag/KZP对大肠杆菌的MIC值为160 mg/L，对金黄色葡萄球菌的MIC值为240 mg/L。表明所制备的载银抗菌剂均具有优异的抗菌性能，相比较，Ag/ZrP、Ag/NZP的抗菌性要优于Ag/KZP，与抑菌圈和抑菌率测试结果一致。

图8 3种载银抗菌剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC值

3 结论

采用水热法制备了磷酸锆、磷酸锆钠、磷酸锆钾载体，用离子交换法将银成功搭载到这3种载体上。磷酸锆、磷酸锆钠均具有较强的载银能力，磷酸锆钾的载银能力较弱，载银能力从大到小为磷酸锆、磷酸锆钠、钠磷酸锆钾。载银磷酸锆、载银磷酸锆钠对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出优异的抗菌性能，载银磷酸锆钾的抗菌能力一般，抗菌能力从大到小为载银磷酸锆、载银磷酸锆钠、载银磷酸锆钾，载体的载银量越大，抗菌性能越好。