CN102860325A

CN102860325A - 一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN102860325A
Application number: CN2012103352319A
Authority: CN
Inventors: 沈晓芳; 马芸; 庞月红; 徐罕琦
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，制作过程为：第一步：以硝酸银和半胱氨酸为原料溶解于纯水中制备半胱氨酸-银离子配合物；第二步：将该配合物溶液作为前体，利用紫外光辐照产生的水化电子和自由基对前体溶液中银离子进行还原制备纳米银溶胶；半胱氨酸通过巯基与银作用来包被纳米银；半胱氨酸的氨基与羧酸作为亲水残基网络水分子形成水凝胶，从而制得纳米银水凝胶；本发明与现有的纳米银水凝胶制备方法相比，具有制备原材料少、制备方法简单、抑菌效果好、稳定性好等优点，可以在空气中暴露一年无明显变化。

Description

一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法

技术领域：

本发明属涉及一种纳米凝胶的制备方法，具体涉及一种粒径分布均匀、特性稳定的纳米银水凝胶及其制备方法。

背景技术：

随着抗生素、消毒剂和杀菌剂等化学药物的大量使用，由耐药性引起的微生物变异种群越来越多。纳米银作为无机抗菌材料，可以有效地杀灭细菌、真菌、支原体等致病微生物，具有其他抗菌材料无法比拟的抗菌活性。纳米银具有抗菌广谱性、高效性、效力持久、不受pH值影响、安全环保等优点，被越来越多的认识，成为理想的抗菌材料。

通常情况下，水凝胶是将具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部形成。目前水凝胶主要是由亲水性高分子网络体系：包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸、壳聚糖等)、多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)和合成聚乙烯、丙烯酸衍生物(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)构成。

由于具有优良的生物兼容性和医药领域巨大应用潜力，蛋白质和多肽类水凝胶成为近年来的研究热点。如(Zohuriaan-Mehr，M.J.，Pourjavadi，A.，Salimi，H.&Kurdtabar，M.Protein-and homo poly(amino acid)-based hydrogels withsuper-swelling properties.Polym Advan Technol，2009，20，655-671.)、(Seliktar，D.Designing Cell-Compatible Hydrogels for Biomedical Applications.Science，2012，336，1124-1128.)等多篇论文在详细研究并总结了蛋白质和多肽形成水凝胶的条件。近年来，科学家们通过简化并优化多肽结构，由寡肽甚至两个氨基酸连接的二肽制备出了的非共价水凝胶，并应用于体外抗菌药物可控释放等领域。(Salick，D.A.，Kretsinger，J.K.，Pochan，D.J.&Schneider，J.P.Inherent antibacterialactivity of a peptide-based beta-hairpin hydrogel.J Am Chem Soc，2007，129，14793-14799.)、(Liang，G.L.et al.Supramolecular Hydrogel of a D-Amino AcidDipeptide for Controlled Drug Release in Vivo.Langmuir，2009，25，8419-8422.)、(Ryan，D.M.&Nilsson，B.L.Self-assembled amino acids and dipeptides asnoncovalent hydrogels for tissue engineering.Polym Chem-Uk.2012，3，18-33.)。同时也有科学家在不断探索二肽水凝胶的构成条件，如(Pasc，A.，Akong，F.O.，Cosgun，S.&Gerardin，C.Differences between beta-Ala and Gly-Gly in the designof amino acids-based hydrogels.Beilstein J Org Chem，2010，6，973-977.)、(Johnson，E.K.，Adams，D.J.&Cameron，P.J.Directed Self-Assembly of Dipeptides to FormUltrathin Hydrogel Membranes.J Am Chem Soc，2010，132，5130-5136.)。

将广谱抗菌的纳米银制备成为水凝胶在医药领域将有广阔的应用前景。从目前国际和国内所发表的研究论文和申请的发明专利可以看出，基本策略是先在高温液相条件下还原银离子制备纳米银颗粒，然后将合成好的纳米银添加到可以制备水凝胶的高分子凝胶剂中，如：(Roy，S.&Banerjee，A.Amino acid basedsmart hydrogel：formation，characterization and fluorescence properties of silvernanoclusters within the hydrogel matrix.Soft Matter，2011，7，5300-5308.)、(Shen，J.S.&Xu，B.In situ encapsulating silver nanocrystals into hydrogels.A″green″signaling platform for thiol-containing amino acids or small peptides.Chem Commun，2011，47，2577-2579.)、(“壳聚糖纳米银水凝胶剂及其应用”，专利申请号为：200810016256.6)和(“一种纳米银妇用抗菌凝胶及其制备方法”，专利申请号200810123375.1)等。以上方法需要多步合成，在制作时需要加入大量的还原剂、稳定剂、高分子凝胶剂等，增加了制作工艺、原材料以及成本。

发明内容：

本发明专利针对现有技术的不足，提供一种采用原料少、制作工艺简单、抑菌效果好、且制得的胶粒径分布范围窄、均匀的纳米银水凝胶及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明专利制作步骤如下：

第一步：以硝酸银和半胱氨酸为原料溶解于纯水中制备半胱氨酸-银离子配合物；

第二步：将该配合物溶液作为前体，利用紫外光辐照产生的水化电子和自由基对前体溶液中银离子进行还原制备纳米银溶胶；半胱氨酸通过巯基与银作用来包被纳米银；半胱氨酸的氨基与羧酸作为亲水残基网络水分子形成水凝胶，从而制得纳米银水凝胶。

所述的半胱氨酸包括D型、L型两者中的一种，或者D型与L型的混合。

所述的形成水凝胶的浓度条件为半胱氨酸质量占水凝胶总质量的0.1％-0.15％。

所述的硝酸银与半胱氨酸的摩尔浓度比为1.5∶1。

所述的紫外光，优选100瓦高压汞灯辐照。

所述的辐照时间为2.5h。

本发明专利与现有的纳米银水凝胶制备方法相比，具有以下优点：

(1)制备原料少：在本发明中前体溶液中半胱氨酸用做银离子的络合剂；银离子被还原后半胱氨酸的巯基与纳米银结合作为纳米银的稳定剂；凝胶化过程中半胱氨酸的亲水性氨基和羧基作为网络水分子的结合剂。

(2)制备方法简单：制备只需紫外灯即可，设备的要求不高，容易实现大批量生产。

(3)抑菌效果好、稳定性好：制得的纳米银粒径分布范围窄、均匀，形状规则呈圆球形；纳米银水凝胶在空气中暴露一年无明显变化，抑菌用量少，抑菌效果好。

本发明利用紫外光下照射下溶液生成具有还原性的

·OH、·H以及次级自由基将银离子还原成银原子，即制备纳米银；利用具有三个功能基团(-SH，-NH₂，-COOH)的半胱氨酸，利用其-SH与贵金属银的相互作用功能化纳米银颗粒；利用-NH₂和-COOH形成的氢键网络锁水形成水凝胶。本发明专利具有采用原料少、产率高、能耗小、无污染、操作简单等优点。

附图说明：

图1是制得的纳米银水凝胶的透射电镜(TEM)照片。

图2是制得的纳米银的能量散射X射线(EDX)光谱图。

图3是制得的纳米银的X射线衍射(XRD)图。

图4是半胱氨酸与半胱氨酸稳定纳米银的傅立叶红外(FTIR)对比图。

图5纳米银水凝胶对大肠杆菌(E.coli)与金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌图。

图6纳米银水凝胶对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的生长抑制曲线。

具体实施方式：

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

在室温条件下，将0.12g半胱氨酸溶解于100mL双蒸水中，形成摩尔浓度为0.01mol/L的半胱氨酸溶液；将0.17g硝酸银溶于10mL双蒸水，形成摩尔浓度为0.1mol/L的硝酸银溶液；取10mL半胱氨酸溶液和1.5mL硝酸银溶液混合均匀，使其摩尔比为1∶1.5。将混合后的溶液放置在100W自镇流荧光高压汞下照射2.5h，从而制得纳米银水凝胶。

实施例2：

本实施例为对实施例1中银纳米抑菌材料的结构表征，具体如下：采用Tecnai G2 F20 S-Twin 200 KV场发射透射电子显微镜测定纳米银水凝胶中银纳米颗粒的形貌和元素组成进行表征，结果如TEM照片(附图1)和EDX能谱图(附图2)。样品制备是将纳米银水凝胶溶于超纯水中，无水乙醇沉淀后分散在TEM铜网上。由TEM图可以看出，纳米银的粒径在5-10nm之间，颗粒大小比较均匀，样品中主要含有Ag、S、C、O四种元素。X-射线衍射(附图3)测得样品的特征衍射峰的2θ值依次为38.2°、44.4°、64.5°、77.5°，显示的衍射晶面分别为(111)、(200)、(220)和(311)与标准晶态银卡片(PDF#04-0783)对照，测得的衍射峰与标准图谱的衍射峰能很好的吻合，说明所制备的样品为银纳米粒子。傅立叶变换红外光谱(附图4)测定得到纳米银水凝胶中含有L-半胱氨酸主要功能基团。

实施例3：

本实施例选择的是大肠埃希氏杆菌和金黄色葡萄球菌作为革兰氏阴性菌与阳性菌的代表，对实施例1进行了抑菌性的测试(附图5)。

抑菌圈试验的操作步骤如下：将LB琼脂固体培养基灭菌溶化后倒入已灭菌的培养皿中，待培养基冷却凝固后，分别加入2mL浓度为1×10⁶CFU/mL的菌液，然后用无菌涂布棒将其涂布均匀，再用无菌镊子夹取牛津杯，轻轻放置在平板的中间，然后将其静置一会，使其能固定在平板上。然后再移取2mL的纳米银水凝胶溶液加入到牛津杯中，并用无菌水作为空白对照，每种菌体做三个平行样。将培养基至于37℃的培养箱中培养24h，然后用尺子分别量出抑菌圈的直径，然后取平均值。纳米银水凝胶的抑菌效果如图5所示，试验结果如表1。

表1纳米银水凝胶抑菌圈试验结果

实施例4：

纳米银水凝胶的最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)测试：采用二倍稀释法和平板培养法分别来测定纳米银水凝胶对大肠埃希氏杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度和最小杀菌浓度(附图6)，具体试验过程如下：

(1)最小抑菌浓度：取10只已灭菌的试管，每一管加入LB液体培养基2mL，然后向第1管加入0.70mg/mL(即0.05mol/L)的纳米银水凝胶溶液2mL，混匀后吸取2mL加入到第2管中。以此类推，依照此方法一直稀释到第9管，然后将第9管中吸取2mL弃之，第10管作为空白对照组，试管中加入2mL的无菌水，混匀后，吸取2mL，弃之。向上述10只试管中分别加入浓度为1×106CFU/mL的大肠埃希氏杆菌悬液0.2mL，摇匀后，置于37℃恒温培养箱培养24小时，然后肉眼观察结果。浓度最小且明显不浑浊的试管所含纳米银水凝胶的浓度即为该抑菌材料的最小抑菌浓度。试验结果如表2所示。

表2纳米银水凝胶的最小抑菌浓度试验结果

由表2可知，纳米银水凝胶对大肠埃希氏杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度是：43.75mg/L。

(2)最小杀菌浓度：利用测定最低抑菌浓度以上各试管培养物，分别吸取0.1mL涂布在已灭菌的LB琼脂培养基上，在37℃的恒温培养箱中培养24h，然后用肉眼观察结果。纳米银水凝胶溶液用量最少且菌落数少于5个的培养基平板所对应的银纳米溶液浓度即为该材料的最小杀菌浓度。试验结果如表3所示。

表3纳米银水凝胶的最小杀菌浓度试验结果

由表3可知，纳米银水凝胶对大肠埃希氏杆菌和金黄色葡萄球菌的最小杀菌浓度均为350mg/L。

以上结果表明，本发明专利纳米银水凝胶具有很强的抑菌杀菌能力，且对常见的革兰氏阳性菌和阴性菌均能产生显著的抑制作用；当纳米银水凝胶的浓度达到0.35mg/mL时，即可杀死绝大多数常见的细菌。

Claims

1.一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：制作步骤如下

2.根据权利要求1所述的一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：所述的半胱氨酸包括D型、L型两者中的一种，或者D型与L型的混合。

3.根据权利要求1所述的一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：所述的形成水凝胶的浓度条件为半胱氨酸质量占水凝胶总质量的0.1％-0.15％。

4.根据权利要求1所述的一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：所述的硝酸银与半胱氨酸的摩尔浓度比为1.5∶1。

5.根据权利要求1所述的一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：所述的紫外光，优选100瓦高压汞灯辐照。

6.根据权利要求1所述的一种杀菌纳米银水凝胶及其制备方法，其特征在于：所述的辐照时间为2.5h。