银基抗菌材料的制备及其性能研究

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生存环境的恶化打破了自然界微生物与人类的和谐共存,滥用抗生素导致耐药菌的形成,工业垃圾、生活垃圾的排放加速了致病微生物的传播。传统灭菌方法包括紫外线照射、氯气、臭氧等强氧化物作用,反应过程耗时长、易对环境产生二次污染。开发新型无毒无污染抗菌剂是社会可持续发展的必然要求。纳米银具有优异的广谱抗菌性,可被应用在生物医疗、工业净水、民生服饰等领域。而单一纳米银抗菌剂在应用过程中依然存在弊端,因此,开发基于纳米银的多功能协同抗菌剂能够弥补单一抗菌剂的缺点,提高抗菌效率,减小对环境危害,为高效精准抗菌提供新的思路。本文制备了三种基于纳米银的抗菌剂以实现协同高效杀菌。以新鲜猪皮的明胶粗提取液作为反应液,采用水浴加热原位还原的方式制备了明胶分子包覆的明胶/银纳米粒子抗菌剂,通过紫外-可见光谱监测明胶/银纳米粒子的生成,系统研究了反应物浓度、反应时间、加热温度等因素对生成物的影响。通过傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱等表征明确明胶的作用,通过透射电子显微镜和连续紫外-可见光谱监测探究了银纳米粒子的形貌、尺寸和稳定性。构建了银纳米粒子紫外特征吸收峰强度与银含量的标准曲线,并测定了明胶/银纳米粒子对大肠杆菌的最小抑菌浓度为9.8 mg/L,该浓度下可在480 min内实现98.9%的杀菌效率。通过600 nm处的光学密度(OD600)监测大肠杆菌的动态生长曲线,以扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察菌体微观形貌的变化,发现明胶/银纳米粒子能够有效破坏细菌膜,使细胞质泄露。利用真空冷冻干燥技术制备了明胶/银复合海绵用于终端净水,实现了便捷杀菌净水功能。以热缩聚法制备的氮化碳(g-C3N4)纳米片为载体,制备了银纳米粒子负载的Ag/g-C3N4光催化抗菌剂。利用静电吸附将Ag+均匀的锚定于g-C3N4纳米片,通过原位紫外光还原的方式将Ag+还原为银纳米粒子,采用基础表征方法探究了Ag/g-C3N4复合物的结构、形貌和银的复合状态。采用紫外漫反射光谱、荧光光谱以及稳态表面光电压、光电流等光电化学法系统探究了银纳米粒子负载量对Ag/g-C3N4复合物在可见光范围内光响应和光学性能的影响。发现银纳米粒子的表面等离子共振效应可提高g-C3N4的可见光响应,有效促进光生电子和空穴的分离、迁移,抑制电子-空穴对的复合,并且3%银负载的光催化剂表现出最优的光催化活性。将Ag/g-C3N4复合光催化剂用于可见光处理大肠杆菌,光催化剂产生的光生空穴和溶出的Ag+可协同杀菌,在75 min时达到99%的杀菌效果。以水热法制备的石榴状四氧化三铁纳米粒子为基底,通过二次水热法在四氧化三铁表面垂直生长硫空位的二硫化钼纳米片,通过调控硫源和钼源的摩尔比例确定了完全包覆的最佳条件。再通过静电吸附Ag+实现原位紫外光沉积银纳米粒子制备了具有类过氧化物酶活性的Fe3O4@Mo S2-Ag纳米酶抗菌剂。二硫化钼片层结构改变了复合物表面拓扑结构,通过物理接触和化学键合的方式增强了对菌体的粘附性。以TMB为底物对Fe3O4@Mo S2-Ag的类过氧化物酶活性、对p H和温度的敏感性和酶促动力学反应进行了研究。同时,Fe3O4@Mo S2-Ag对近红外光谱有较好的吸收性能,在808 nm近红外激光照射下表现出优异的光热转换性能,在15 min内可升温至50.7℃。Fe3O4@Mo S2-Ag对菌体的粘附性与产生的光热、类过氧化物酶性释放的活性氧和溶出的Ag+相结合作用于大肠杆菌,实现高效精准杀菌,可在15 min内达到~100%的杀菌效率。此外,该方法对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、抗药性细菌和真菌都有杀灭作用,具有广谱抗菌性。
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