基于玉米秸秆载银复合抗菌材料的绿色构建及应用研究

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玉米秸秆作为一种来源广泛、成本低廉、可再生的生物质资源,在包装运输、家居家装等领域得到了广泛应用。但是,玉米秸秆本身没有抗菌活性,在一定程度上限制了其应用。纳米银(Silver nanoparticles,AgNPs)是一种抗菌效果好、不产生耐药性的广谱抗菌剂。然而,纳米银存在因过快释放引起的累积毒性问题,且其制备过程一般需要用到化学还原剂和稳定剂。基于此,本文以玉米秸秆为还原剂和稳定剂,绿色合成纳米银,并分别以水热碳球、氧化石墨烯、甲壳素为复合载体,借助物理、化学方法探讨纳米银的固定化技术,制备出安全无毒的基于玉米秸秆的纳米银复合抗菌材料,并探究其抗菌机理及应用效果。本文主要研究内容及结论如下:(1)载银玉米秸秆基水热碳球抗菌纸的制备及对草莓保鲜的研究以玉米秸秆为还原剂和碳源,采用一步水热法同时实现碳球的制备和AgNPs的合成与固定,获得载银水热碳球(AgNPs@CS)。并采用分散-混合-抽滤方法将AgNPs@CS和纳米纤维素复合制成抗菌复合纸(CNF/AgNPs@CS)。结果表明,复合纸对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌性能。由于水热碳球和纳米纤维素的双重锚定作用,AgNPs的释放速率得到控制,且最终释放量是安全的,可有效解决其累积毒性问题,同时实现持久性抗菌。此外,AgNPs@CS的添加提高了复合纸的结构致密性,从而改善了纳米纤维素纸的机械和阻隔性能。保鲜实验表明,该复合纸可以让草莓保鲜达9天之久,无腐烂变质现象,且复合纸安全无毒。(2)三明治状壳聚糖/还原氧化石墨烯固定化纳米银抗菌膜的制备及性能以玉米秸秆为还原剂,氧化石墨烯(GO)为模板,采用微波辅助制备AgNPs,同时GO被还原成r GO,一步得到r GO@AgNPs。进一步地,采用流延溶剂蒸发法将r GO@AgNPs和壳聚糖(CS)溶液层层静电自组装制备得到三明治状CS/r GO@AgNPs复合膜。结果表明,该三明治结构有效降低了AgNPs的释放率,在14天后AgNPs的释放率仅为1.9%,且复合膜仍然对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性。与单纯壳聚糖膜相比,r GO和AgNPs的协同作用还改善了复合膜的机械和阻隔性能。细胞毒性分析表明该复合膜具有生物安全性,对细胞无毒性,可以应用于食品包装领域。(3)块状玉米秸秆绿色合成并固定纳米银及其持久抗菌性能研究利用块状玉米秸秆的还原特性和蜂窝状结构原位合成并固定AgNPs,开发了一种高效持久抗菌的填充材料。结果表明,AgNPs持续释放12天后,其最大释放量仅为0.011mg/L,在安全范围内,该固定纳米银的块状秸秆对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有优异且持久的抗菌能力。主要归因于从秸秆中缓慢释放的AgNPs可以穿透细胞膜,破坏细胞完整性,泄漏细胞内容物并使细菌窒息而达到杀菌效果。该研究为原位合成并固定AgNPs的生物质基抗菌材料提供了新途径,其可以持久抑制细菌的生长,在食品包装和家装领域具有较大的应用潜力。(4)载银蒙脱土/块状玉米秸秆的制备及耐火阻燃抗菌性能研究以脱木质素处理后的块状玉米秸秆为还原剂和固定剂,在其蜂窝状结构上原位还原并固定AgNPs,然后采用真空抽滤法将蒙脱土颗粒(MMT)固定到部分脱除木质素秸秆的管胞和维管束中,制备得到抗菌和耐火的块状玉米秸秆(DLCS/MMT/AgNPs)。结果表明,该块状秸秆在高温800oC的氮气和空气氛围燃烧后仍然保留原有质量的65.8%和61%,而未处理之前的样品基本燃烧殆尽。在模拟条件下,该复合秸秆在5 s内基本保持形貌不变,而未处理的样品在1 s内就开始燃烧逐渐变成焦炭。采用抑菌圈、抑菌率和OD600值法验证了该复合秸秆良好的抗菌活性和持久抗菌性。该耐火抗菌秸秆适合用于食品包装和家装领域。(5)玉米秸秆/纳米银/甲壳素复合海绵的制备及抗菌止血性能研究采用玉米秸秆和AgNPs改善纯甲壳素海绵的物理结构和止血抗菌性能,开发了一种新型的多孔可压缩复合海绵(CH/CS/AgNPs)。结果表明,复合海绵的血液吸附率分别是甲壳素海绵和商业海绵(PVF)的2.4倍和2.7倍。体外凝血指数(19%)也远低于甲壳素海绵(45%)和PVF海绵(65%),表明了其良好的止血性能。细胞毒性和溶血率(3.18%)也证明了该复合海绵的生物相容性和安全性。大鼠肝脏止血实验证明了该复合海绵良好的止血能力和效率,且不会引起伤口炎症反应。由于玉米秸秆还原得到AgNPs的加入,该复合海绵对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展示了良好的抗菌活性,能够有效避免止血过程的伤口感染,并能促进伤口愈合。
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