石思思,郭守暉，孫宏凱，齊維靖*，張萌

(南昌大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.理學(xué)院，江西 南昌 330031)

近年來，病原性微生物引發(fā)的全球性流行病不斷威脅著人類的健康，而且由于生物抗菌藥物的濫用，病原性微生物的耐藥性越來越強(qiáng)，傳統(tǒng)抗菌劑殺菌效果降低[1-3]。因此，為了防止病原性微生物的傳播和蔓延，開發(fā)新型抗菌材料已迫在眉睫。目前的抗菌材料根據(jù)化學(xué)組成主要分為天然抗菌材料、有機(jī)合成抗菌材料和無機(jī)抗菌材料[4]。天然抗菌材料，例如殼聚糖等[5]，具有良好的生物相容性，但其抗菌性能有限、不易進(jìn)行再加工；有機(jī)合成抗菌材料，例如香草醛或乙基香草醛類化合物等，是目前市場(chǎng)上的主體，但其耐熱性差、容易水解、毒副作用也相對(duì)較大[6]；以銀、銅等金屬材料為代表的無機(jī)系抗菌材料具有以上兩種抗菌材料無法比擬的優(yōu)良性能，不僅抗菌范圍較廣、持續(xù)殺菌的有效期長(zhǎng)，而且不易產(chǎn)生耐藥性、安全性高[7]。因此無機(jī)金屬抗菌材料逐漸成為抗菌材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]。

銅是人類最早使用的金屬之一，也是維持人體生命活動(dòng)所必需的微量元素[9]。人們很早就認(rèn)識(shí)到了銅的殺菌作用和其在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用潛力，在公元前2200—2600年，埃及人就已經(jīng)記錄了用金屬銅對(duì)胸部傷口和飲用水進(jìn)行消毒殺菌[10]。近年來，銅也因?yàn)槠鋬?yōu)異的抗菌性能引起了科研人員的廣泛關(guān)注，它在各個(gè)領(lǐng)域的抗菌應(yīng)用潛力也被逐漸地挖掘出來[11-13]，例如，銅制水管應(yīng)用于飲用水消毒領(lǐng)域時(shí)，能有效控制革蘭陰性桿菌、革蘭陽性球菌、念珠菌等病原菌的生物活性[14]；銅應(yīng)用于空調(diào)熱交換器以替代鋁時(shí)，對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的抑制率達(dá)到99.99%，對(duì)真菌生長(zhǎng)的抑制率達(dá)到99.74%[15]；銅材料應(yīng)用于桌椅和門把手等產(chǎn)品時(shí)，其表面的微生物數(shù)量顯著低于不銹鋼表面的微生物數(shù)量[16]。然而，目前關(guān)于金屬銅防霉應(yīng)用的研究不多，相應(yīng)的報(bào)道還非常少。此外，隨著納米材料和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，粒徑小于100 nm的銅納米粒子在抗菌材料領(lǐng)域的比重越來越高，但納米銅材料存在制備工藝復(fù)雜、易團(tuán)聚、易氧化、難保存等缺點(diǎn)[17]。因此，開發(fā)抗菌防霉性能優(yōu)異并且制造工藝簡(jiǎn)單、抗氧化能力強(qiáng)的銅材料尤為重要。

檔案庫房是歷代紙質(zhì)文獻(xiàn)、資料館藏的重要場(chǎng)所，由于長(zhǎng)期通風(fēng)不暢，容易滋生有害微生物破壞紙張。有害微生物在適宜的環(huán)境條件下，靠自身細(xì)胞分泌的酶能分解紙張中的纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)等造成紙張變脆、發(fā)黃、長(zhǎng)霉、長(zhǎng)斑等。此外，微生物還會(huì)附著在空氣中的飄塵上，進(jìn)入人體的呼吸道產(chǎn)生毒素，影響檔案工作者、檔案使用者的身體健康。如黃曲霉毒素能導(dǎo)致細(xì)胞突變，有強(qiáng)烈的致癌作用，金黃色葡萄球菌能產(chǎn)生腸毒素，破壞人體腸道，導(dǎo)致嘔吐腹瀉等癥狀[18-19]。通風(fēng)或者采用空調(diào)系統(tǒng)控制檔案庫房的溫濕度是紙質(zhì)資料抗菌防霉的主要措施[20]。因此，從抗菌防霉檔案柜這一關(guān)鍵設(shè)備入手，賦予其抗菌防霉功能，是一種新嘗試。

本文采用液相還原法，以氧化銅為前驅(qū)體合成了一種微納米尺寸的抗菌銅粉。通過X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)和激光粒度分析儀(LPA)表征了微納米抗菌銅粉的形貌和結(jié)構(gòu)。通過粉末振蕩法探究了微納米銅粉對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性。并且將合成的微納米銅粉作為抗菌劑，應(yīng)用到金屬檔案柜表面噴涂中，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)了該產(chǎn)品的抗菌性能和防霉性能。

1 微納米抗菌銅粉的制備與表征

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

主要試劑：氧化銅(CuO)、水合肼(N2H4·H2O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、無水乙醇，所有試劑均為分析純。主要儀器：MS300磁力攪拌器、DZF-6020真空干燥箱、Bruker D8型XRD、FEI Quanta 200F型SEM、JEM-2100型TEM、Nanotrac Wave Ⅱ型LPA。

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

本文采用液相還原法制備微納米抗菌銅粉，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 懸濁液的制備：分別稱取24 g CuO、10 g PVP、5 g CTAB溶于200 mL無水乙醇中，制得懸濁液。將其置于磁力攪拌器上加熱攪拌均勻。

(2) 還原劑的添加：當(dāng)(1)中的懸濁液加熱至50℃時(shí)，向其緩慢滴入50 mL N2H4·H2O，繼續(xù)攪拌1 h，懸濁液由黑色變?yōu)榇u紅色。

(3) 清洗干燥：反應(yīng)完成后，用無水乙醇反復(fù)清洗，清洗完后放入真空干燥箱中干燥，研磨裝袋，最終制得微納米抗菌銅粉。

1.3 抗菌性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 21510—2008《納米無機(jī)材料抗菌性能檢測(cè)方法》，以大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)為受試菌株，采用粉末振蕩法對(duì)制得的微納米銅粉的抗菌性能進(jìn)行測(cè)試。

微納米銅粉的抗菌率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：R為抗菌率(%)；A為對(duì)照樣品與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌落，單位為菌落形成單位每毫升(cfu·mL-1);B為試驗(yàn)樣品與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌落，單位為菌落形成單位每毫升(cfu·mL-1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)和形貌表征

圖1為微納米抗菌銅粉的XRD圖譜，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為10°/分。圖1(a)為剛制成時(shí)抗菌銅粉的XRD圖譜，從圖譜可以看出，僅在43.3°，50.4°和74.1°處出現(xiàn)3個(gè)明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)單質(zhì)銅的(111)，(200)和(220)晶面，表明所制備的微納米抗菌銅粉純度很高，沒有氧化銅和氧化亞銅等雜質(zhì)。隨后，將該銅粉用普通塑料試樣袋密封存放于藥品柜中，2個(gè)月后測(cè)得的XRD衍射圖譜如圖1(b)所示，圖譜中僅出現(xiàn)了微弱的氧化物特征峰，這表明用該方法合成的微納米銅粉抗氧化能力較強(qiáng)，不易被氧化。

所制得微納米抗菌銅粉的表面形貌及粒徑大小分布如圖2所示。圖2(a)為微納米抗菌銅粉的SEM圖像(工作電壓30 kV)，從SEM圖像中能清楚地看到銅顆粒形貌呈近球形，銅顆粒之間較分散，沒有嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒直徑大約在600至800 nm之間。圖2(b)和2(c)是銅粉的TEM圖像，樣品在無水乙醇中超聲分散后在銅網(wǎng)上制樣測(cè)得。TEM圖像證實(shí)了銅顆粒形貌為近球形。利用LPA測(cè)試了銅顆粒的粒度分布，樣品在無水乙醇中超聲分散后滴入樣品池測(cè)得，結(jié)果如圖2(d)所示。從粒徑分布的直方圖可見，銅顆粒的粒徑分布均勻，平均粒徑為653 nm。

反應(yīng)過程中，溶液中釋放的銅離子與PVP的柔性鏈結(jié)合，形成類離子交聯(lián)聚合物，滴加還原劑后，吸附在PVP柔性鏈上的銅離子被還原為銅原子，PVP分子內(nèi)的C—H長(zhǎng)鏈伸向四周，能形成立體屏障，分子鏈的空間位阻效應(yīng)能阻礙銅粒子的聚集和生長(zhǎng)，從而提高銅顆粒的分散性[21]。CTAB屬于陽離子表面活性劑，有良好的表面活性、穩(wěn)定性，在強(qiáng)酸及強(qiáng)堿中穩(wěn)定，與非離子及兩性離子表面活性劑有良好的配位性[22]，同時(shí)，它也是一種電解質(zhì)，在溶液中溶解時(shí)會(huì)電離出大量的陽離子基團(tuán)，電離出的陽離子基團(tuán)會(huì)吸附在生成的銅粒子表面，從而使得顆粒與顆粒之間獲得較強(qiáng)的排斥力。因此，在PVP和CTAB的協(xié)同作用下，制備得到的微納米抗菌銅粉具有較好的分散性。另外，還原劑水合肼緩慢勻速地滴入反應(yīng)溶液中，氧化還原反應(yīng)速率穩(wěn)定，銅粒子長(zhǎng)大的速率相差不大，因此粒度分布較為均勻。

2.2 抗菌性能

表1為微納米銅粉的抗菌性能測(cè)試結(jié)果。在未加微納米銅粉的對(duì)照組中，振蕩前的平均活菌數(shù)為4.0×104，振蕩培養(yǎng)后大腸桿菌的平均活菌數(shù)增加到3.5×105，金黃色葡萄球菌的平均活菌數(shù)增加到4.8×104。然而，加了微納米銅粉的試驗(yàn)組，振蕩6～8 h后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的平均活菌數(shù)都小于1，根據(jù)抗菌率的計(jì)算公式可計(jì)算出該微納米銅粉對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率都達(dá)到了99%以上。圖3為振蕩后空白對(duì)照組和試驗(yàn)組平板計(jì)數(shù)瓊脂培養(yǎng)基上的菌落生長(zhǎng)圖。從圖中可以看出，振蕩培養(yǎng)后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在瓊脂培養(yǎng)平板上生長(zhǎng)繁殖出很多菌落，而添加微納米銅粉后，瓊脂培養(yǎng)平板上幾乎沒有菌落生長(zhǎng)。結(jié)果表明，本文制得的微納米銅粉抗菌性能優(yōu)異，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅、抑制效果顯著。

盡管對(duì)金屬材料的抗菌性已有諸多研究乃至應(yīng)用，但對(duì)其在細(xì)菌或酵母和其他微生物中發(fā)揮抗菌作用的生物物理和生物化學(xué)機(jī)制學(xué)者們還沒有統(tǒng)一觀點(diǎn)[23-24]。目前的報(bào)道提出，金屬材料的抗菌機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面：①與細(xì)菌內(nèi)蛋白質(zhì)半胱氨酸殘基的巰基相互作用，使其失活[25]；②作用于細(xì)菌細(xì)胞膜，與細(xì)胞膜中的成分相互作用，增加細(xì)胞膜的通透性，破壞細(xì)胞膜的完整性[26]；③作用于細(xì)菌的DNA，導(dǎo)致細(xì)菌的DNA降解[27]；④干擾細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)吸收，導(dǎo)致其生長(zhǎng)停滯[28]；⑤引起活性氧物質(zhì)(ROS)如羥基自由基的產(chǎn)生，導(dǎo)致對(duì)細(xì)菌生存至關(guān)重要的細(xì)胞成分如核酸和脂類的氧化損傷[29]。由此可以推測(cè)，銅顆粒發(fā)揮抗菌作用時(shí)首先接觸到的都是細(xì)菌的外膜，且細(xì)菌的細(xì)胞膜由磷脂雙分子層構(gòu)成，包含具有高電負(fù)性化學(xué)基團(tuán)的聚合物，能作為金屬陽離子的吸附位點(diǎn)，從而介導(dǎo)金屬離子的吸收，因此我們認(rèn)為細(xì)胞膜這種協(xié)調(diào)金屬的能力跟金屬的抗菌活性直接相關(guān)，微生物的膜功能受損可能是銅顆粒導(dǎo)致細(xì)菌死亡的重要原因之一。

表1 微納米銅粉的抗菌性能測(cè)試數(shù)據(jù)

3 微納米銅粉在金屬檔案柜表面涂層的抗菌防霉應(yīng)用

金屬檔案柜產(chǎn)品采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板模壓成型，表面經(jīng)去油、除銹、磷化等工序，然后靜電噴涂，高溫塑化加工而成。傳統(tǒng)噴涂工藝在金屬表面噴涂的粉末涂料主要由樹脂、顏料、填料、固化劑和添加劑等組成[30]。為了獲得具有抗菌防霉功能的金屬檔案柜涂層，在靜電噴涂過程，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的上述微納米銅粉添加到聚酯樹脂粉末涂料中，通過高能球磨等機(jī)械混合的方式使微納米銅粉與傳統(tǒng)的粉末涂料混合均勻得到抗菌防霉粉末涂料，然后用噴槍將抗菌防霉粉末涂料靜電噴涂至冷軋鋼板表面，噴涂完成后放入電熱恒溫干燥箱中190 ℃保溫15 min，烘烤涂層使其固化。全程不改變金屬檔案柜原始的生產(chǎn)工藝與流程。

按上述方法制得的抗菌防霉金屬涂層依據(jù)GB/T 21866—2008《抗菌涂料(漆膜)抗菌性測(cè)定法和抗菌效果》測(cè)定其抗菌性能。表2為抗菌防霉金屬涂層的抗菌性能測(cè)試數(shù)據(jù)。按標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)24 h后，對(duì)照樣上大腸桿菌的平均活菌數(shù)從1.8×105增加到了2.3×106，金黃色葡萄球菌的平均活菌數(shù)從2.8×105增加到了1.3×106。由微納米銅粉制備的抗菌防霉金屬涂層樣品上，大腸桿菌在24 h后的平均活菌數(shù)小于20，金黃色葡萄球菌的平均活菌數(shù)為7.2×104。根據(jù)抗菌率的計(jì)算公式可計(jì)算出，抗菌防霉金屬涂層對(duì)大腸桿菌抗菌率超過了99.99%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率為94.46%。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，抗菌率達(dá)到99%為Ⅰ級(jí)抗菌，抗菌率達(dá)到90%為Ⅱ級(jí)抗菌，結(jié)果表明添加微納米銅粉制備得到的金屬涂層符合抗菌產(chǎn)品要求，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的殺滅和抑制作用。

此外，制得的抗菌防霉金屬涂層的防霉性能依據(jù)GB/T 1741—2007《漆膜耐霉菌性測(cè)定法》測(cè)定。用黑曲霉、黃曲霉、球毛殼、臘葉芽枝霉、桔青霉、宛氏擬青霉、綠色木霉、出芽短梗霉等8種霉菌的標(biāo)準(zhǔn)菌株對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了28 d的測(cè)試，結(jié)果如表3所示，8種霉菌的長(zhǎng)霉面積為8%，長(zhǎng)霉等級(jí)為1級(jí)，說明添加了微納米銅粉的金屬涂層能有效抵御這8種霉菌。對(duì)紙質(zhì)檔案保存有害的微生物主要包括青霉、曲霉、芽枝霉、毛殼霉等霉菌，比如毛球殼科和黑曲霉能降解紙張中的纖維素，木霉菌具有膠質(zhì)分解的能力，黃曲霉能分解蛋白質(zhì)，這些都會(huì)影響紙質(zhì)檔案的質(zhì)量和使用壽命。因此，本實(shí)驗(yàn)制得的抗菌防霉金屬檔案柜涂層可用于檔案庫房抵制細(xì)菌、霉菌等有害微生物的侵蝕。

表2 抗菌防霉金屬涂層的抗菌性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 抗菌防霉金屬涂層的長(zhǎng)霉等級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文以氧化銅為前驅(qū)體，采用液相還原法制備得到了微納米尺寸抗菌銅粉：

(1) XRD、SEM、TEM和LPA測(cè)試結(jié)果表明：微納米抗菌銅粉形貌為近球形，平均粒徑約650 nm。

(2) 抗菌測(cè)試結(jié)果顯示：微納米抗菌銅粉對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均>99%。

(3) 將微納米抗菌銅粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%添加至金屬檔案柜表面噴涂用粉末涂料中，制得抗菌防霉金屬涂層產(chǎn)品，測(cè)試結(jié)果表明，該產(chǎn)品對(duì)大腸桿菌抗菌率>99.99%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率達(dá)到94.46%，防霉等級(jí)為1級(jí)。