新型纳米抗菌剂的制备及应用研究

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在自然进化和抗生素滥用的共同作用下,细菌发生耐药突变的几率大大增加。超级细菌频频出现也在提醒我们需要研究新型的抗菌剂。纳米材料发展至今,从最初的单一材料,到如今由各种单一材料组合而成的多维的具有纳米结构的体系。这些复合材料具备了不同于宏观物质的特殊性能,例如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应等。在诸多纳米材料中,纳米银兼具了较强催化和抗菌活性,既可以催化多种化学反应,又可以杀死大多数致病菌。纳米银作为非抗生素抗菌剂,直接破坏细菌细胞结构,细菌难以产生抗性。且纳米银外用毒性较低,可以广泛应用于水净化、伤口敷料、手术器械、植入式材料等。而磁性纳米材料具有超顺磁性,在磁场作用下可以定向回收,实现重复利用,大大降低了生产成本。所以近年来以磁性纳米材料为载体的纳米银复合材料受到广泛关注,具有很大的研究意义。但目前磁性纳米银复合材料的研制还受到三方面的限制:现有的磁性纳米材料制备难度大,合成步骤复杂;纳米尺度的材料在溶液中稳定性差;磁性复合材料由于受到磁吸引引起的不规则粒子聚集,易团聚。所以我们的目的是设计一种易合成、结构新颖且性能稳定的磁性纳米银复合材料。本研究主要包括两部分。第一部分是设计并合成了粒径约800 nm磁性纳米银花(Fe3O4@SiO2@Ag microflowers),一种三维立体的具有花状外形的磁性纳米银复合材料。首先,采用本实验室提出的种子生长法,经过四个步骤合成磁性纳米银花。所制备的银花主要包括以下三个部分:以Fe3O4颗粒为核心,提供了强磁响应性;Fe3O4颗粒表面有SiO2壳,使材料具有良好的分散性;银花的表面为高度分枝化的花状银外壳,其特点是具有较大的比表面积。通过改变实验参数可以很好地控制磁性纳米银复合材料的表面形貌。由于银花的尺寸小,难以直接观察,使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、热重分析(TGA)等对银花进行结构表征,证明合成的产物与设计方案一致。合成了四种不同表面形貌的磁性纳米银复合材料,然后以对硝基苯酚(4-NP)和亚甲基蓝(MB)为例,硼氢化钠(NaBH4)为还原剂,系统地研究了表面纳米结构对催化还原反应性能的影响。通过化学反应动力学分析,计算得到反应速率。通过与其他催化剂对比,评价银花的催化性能,证明银花确实有较强的催化效果,且随着花瓣长度增加,催化效果也有所提升。通过多次回收循环使用,对比多次循环使用前后的催化效果评价银花的可回收性。在经过6次循环使用后,银花对4-NP和MB的催化性能分别保持在96.6%和93.4%。纳米材料与抗生素的结合物具有更好的抗菌效果,获得了越来越多的应用前景。第二部分在银花的基础上,设计了万古霉素与磁性纳米银花偶联的复合物,银花-van(van/Fe3O4@SiO2@Ag microflowers)。在银花的基础上,采用两步偶联法合成银花-van,万古霉素通过与11-巯基十一烷酸(MUA)的酰胺反应偶联在银花表面。借助TEM、紫外光谱仪(UV-vis)等仪器确认万古霉素被成功修饰在银花表面。银花作为多功能载体,提供了强磁响应性,也为银离子的有效释放和细菌接触提供了极大的表面积;表面的万古霉素可以与细菌细胞壁结合,增加细胞膜的渗透性,促进银离子进入细菌,导致细胞死亡。然后以大肠杆菌(E.coli)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)为例,测试银花-van的抗菌效果,并且与单独使用银花和万古霉素的抗菌效果对比。银花-van对E.coli和MRSA的最低抑菌浓度(MIC)分别为10μg/m L和20μg/mL,与银花和万古霉素相比,银花-van确实有更强的抗菌效果。经过对比多次循环使用前后的抗菌效果评价银花-van的可回收性。在5次循环使用后,银花-van的抗菌性能依然保持在90%以上。为评价新材料的安全性,选择新西兰兔为实验动物,在家兔皮肤表面进行银花和银花-van的皮肤刺激性实验。观察家兔皮肤状况,并未出现红斑和水肿,家兔的眼睛、粘膜、呼吸、行为无异常,并未出现皮肤刺激性现象。本文证实种子生长法合成的磁性纳米银花,与其他催化剂相比,具有较强的催化性能。表面修饰万古霉素后的银花,对细菌有较强的抗菌作用。银花和银花-van在多次循环使用后,依然保持了90%以上的性能,为新型纳米复合材料的研究提供了新的思路。
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