您好,欢迎来到尔游网。
搜索
您的当前位置:首页纳米银-氧化石墨烯复合材料抗菌性能研究进展

纳米银-氧化石墨烯复合材料抗菌性能研究进展

来源:尔游网
・64・ 材料导报 2014年5月第28卷专辑23 纳米银一氧化石墨烯复合材料抗茵性能研究进展 钟 涛,杨娟,周亚洲,郑思辉 (江苏大学材料科学与工程学院,镇江212013) 摘要 纳米银一氧化石墨烯是一种新型抗茵复合材料,具有比表面积大、无耐药性、广谱抗茵和对哺乳动物细 胞毒性低的特点,在生物医用材料和抗菌材料上有着潜在应用。主要介绍了纳米银一氧化石墨烯复合材料的制备方 法,总结了纳米银一氧化石墨烯复合材料的杀菌机理,提出了提高其杀菌性能的方法,对于石墨烯及其衍生物复合材 料的研究具有借鉴意义。 关键词 氧化石墨烯纳米银制备方法抗菌性能 中图分类号:TB322 文献标识码:A Research Progress on Silver Nanoparticles-Graphene Oxide Composite Materials and Their Antibacterial Activity ZHONG Tao,YANG Juan,ZHOU Yazhou,ZHENG Sihui (School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013) Abstract Silver nanoparticles-graphene oxide is a new type of antibacterial composite materia1.It has specia1 properties,such as relatively 1arge area,no drug resistance,broad-spectrum antibacteria1 and lOW toxicity for mainlTta— lian cells,and it has potential applications in biomedical materials and antibacterial materials.The preparation methods of silver nanoparticles~graphene oxide composite material are introduced。the bactericidal mechanism of silver nanopar— ticles—graphene oxide composite materials are summarized.The method to further improve the antibacteria1 property of the nanoparticles—graphene oxide composite materials has been put forward.Paper reported here is meaningful for the research of graphene and its derivatives composite materials. Key words graphene oxide,silver nanoparticle,preparation method,antibacteria1 activity 0引言 石墨烯是一种二维片层状碳质材料,是碳原子在同一平 纳米银起到了稳定和保护作用,从而提高其抗菌性能。有研 究[2 表明,纳米银一氧化石墨烯复合材料可以降低纳米银的释 放速度,故相对于纳米银,复合材料具有较低的毒性,并且能 在较长时间内保持良好的杀菌性能。 面上以六角蜂窝形紧密堆积而成的。石墨烯新奇的结构、优 良的电学、热学、力学、光学等性能,使其自发现之日就得到 研究人员的关注。但是石墨烯在水相中分散程度较差 了其应用。氧化石墨烯(石墨烯的衍生物)由于表面具有大 量含氧基团,如羟基、羧基、环氧基团等,在水相中具有很高 的分散性,拓展了石墨烯的应用。Chen等_1]的研究表明,氧 化石墨烯具有一定的抗菌性能,在抗菌材料方面有着潜在应 用。 1 纳米银一氧化石墨烯复合材料制备方法 纳米银一氧化石墨烯制备方法一般有两种:(1)分别制备 氧化石墨烯和纳米银颗粒,然后将两种材料通过分子间作用 力、静电力等方式结合获得复合材料。Liu等l_3]将银溶胶和 氧化石墨烯分散液滴在玻璃基片上,然后用硼氢化钠还原, 得到了氧化石墨烯一纳米银一氧化石墨烯三层结构的复合薄 膜。(2)原位生长法。首先制备氧化石墨烯,然后将氧化石 银是一种常用的抗菌材料,具有广谱抗菌、无耐药性等 特点。纳米银具有小尺寸效应、较大的表面积,因而表现出 优良的抗菌性能,已有纳米银在药物中使用的先例。然而纳 米银在空气中不稳定容易发生氧化,故制备稳定性高的纳米 银成为纳米银抗菌应用中的关键之一。 氧化石墨烯和纳米银制备的复合材料中,氧化石墨烯利 用其丰富的极性官能团将纳米银颗粒固定在片层结构上,对 墨烯与银盐复合得到氧化石墨烯一银盐前驱体,通过化学还 原、微波还原、光催化还原等方法,还原氧化石墨烯一银盐得到 纳米银一氧化石墨烯复合材料。 1.1 氧化石墨烯的制备方法 制备纳米银一氧化石墨烯复合材料首先要获得氧化石墨 烯,目前制备氧化石墨烯的方法主要有Brodie法、Stauden一 *国家青年基金(50902061);大学生实践创新训练计划项目(201313986004Y) 钟涛:男,1991年生,硕士生,主要从事无机功能材料的研究E-mail:zhongtao5451@163.com杨娟:通讯作者,女,1974年生, 教授,博士生导师,主要从事无机功能材料的研究E-mail:yangjuan6347@ujs.edu.cn 纳米银一氧化石墨烯复合材料抗茵性能研究进展/钟 涛等 maier法和Hummers法,目前研究只是对制备工艺进行改 进,整体体系并未发生大的改变。其制备原理基本如下_4]: 首先,在强氧化性的酸性体系中,酸分子插入到石墨层间,进 ・ 65 ・ 微波还原法是在微波条件下加人弱还原剂还原银盐。 由于微波还原法使用的是弱还原剂,所以还原反应不会剧烈 进行,能够制备出尺寸较小的纳米银。Peng等E133用微波法, 以银溶液为前驱备了平均粒径为10 nm的纳米银。 行插层反应,形成酸一石墨层间化合物。接着在氧化剂的作用 下,酸一石墨层间化合物进一步氧化,氧原子与碳原子以共价 键相连。最后,水进入石墨层间,酸分子被排除,OH一通过交 换作用取代石墨片层上的酸根基团。 2 纳米银一氧化石墨烯复合材料杀菌机理 纳米银一氧化石墨烯复合材料杀菌机理目前还没有很明 Brodie法_5 采用发烟HNO。体系,以KC1o3为氧化剂, 对石墨进行氧化。Brodie法能够通过调节氧化时间控制产 确的结论,研究人员认为复合材料的杀菌性能是由石墨烯和 纳米银共同作用完成的。本课题组做了大量纳米银一氧化石 物氧化石墨烯的氧化程度,但在制备过程中会产生ClO。、 NO2等有毒气体。 Staudenmaier法l6 是在Brodie法的基础上进行改进,使 用浓H。SO4和发烟HNO。混合体系进行氧化石墨烯制备。 Staudenmaier法制备的石墨烯氧化程度较低,但是由于过程 中需要多次氧化处理,所以氧化石墨烯片层结构破坏严重。 Hummers法l7 采用浓H2SO4/NaNO3体系,以KMnO4 为氧化剂,在2O℃对石墨进行氧化,从而获得氧化石墨烯。 Hummers法用KMnO4代替了KClO。,过程中不会产生有毒 的C1O ,提高了实验的安全性;同时KMnO 在酸性条件下 具有很强的氧化性,缩短了氧化时间,产物整体氧化程度较 高,结构规则,并且易于分散在水中,故Hummers法是现在 制备氧化石墨烯的主要方法。 1.2纳米银及纳米银一氧化石墨烯的制备方法 常见的纳米银制备方法有化学还原法、热处理还原法、 光催化还原法、微波还原法等。 化学还原法是目前制备纳米银溶胶最常用的方法。一 般是在溶液中利用还原剂对阳离子进行还原,常用的还原剂 有葡萄糖、柠檬酸钠、硼氢化钠等。化学还原法具有工艺简 单的特点,但是由于制备过程中纳米银容易发生团聚,所以 制备时都会加入一定量的分散剂,如聚乙二醇、聚乙烯吡咯 烷酮、苯胺等,为反应后处理带来了不便。Kaur等 向8O℃ 的氧化石墨烯一银分散液中滴加氢氧化钠,制备得到了纳 米银一氧化石墨烯复合材料。Li等_9 利用银镜反应制备得到 了纳米银一氧化石墨烯复合材料。 热处理还原法是在高温下利用氢气等还原性气体将银 盐还原,在石墨烯片层上原位进行纳米银的制备。热处理还 原法可以通过调节热处理的温度和热处理时问等工艺条件, 控制纳米银颗粒尺寸。Zainy等口0]在空气中将乙酸银和氧化 石墨烯的混合粉末加热到1000℃得到了纳米银一氧化石墨烯 复合材料。 光催化还原法是在紫外线照射下利用催化剂对银盐进 行还原。光催化还原纳米银不需要使用还原剂,不需要进行 繁杂的后续处理,但还原反应时间较长。Liu等_】 利用二氧 化钛作为催化剂在紫外光照射下还原得到了氧化石墨烯一二 氧化钛一纳米银复合材料。 电化学还原法通过电解银盐溶液还原得到纳米银颗粒。 Palanisamy等_1 将氧化石墨烯与银的混合溶液滴在玻 璃碳电极上,烘干后在pH=5的电解质溶液中进行电解,得 到了纳米银一氧化石墨烯复合材料。 墨烯以及纳米银一石墨烯复合材料的研究工作后认为复合材 料主要杀菌过程为:首先复合材料通过静电作用吸附在细菌 表面,然后释放出纳米银,最后纳米银粒子/离子进入细胞内 杀死细菌r-“]。 2.1 氧化石墨烯杀菌机理 氧化石墨烯的杀菌[1 作用体现在3个方面:(1)氧化石 墨烯片层上有大量的含氧基团,如羟基、羧基、羰基等,这些 基团能与组成细胞壁的糖类或者蛋白质形成氢键,然后氧化 石墨烯会将细胞包裹起来使其与营养液隔离,从而使细胞缺 乏营养物质而死亡;(2)氧化石墨烯能吸附在细菌细胞上,其 锐利的边缘能够破坏细胞膜,导致细胞破损死亡;(3)氧化石 墨烯能改变细胞内氧气分压,导致细胞内物质被氧化,破坏 细胞内部组成导致细胞死亡。 2.2纳米银杀菌机理 目前提出的纳米银的杀菌机理主要有3点:(1)纳米银 首先锚定在细菌的细胞壁上,与细胞壁作用形成孔洞,通过 这些孔洞进入细菌细胞内,导致细胞成分泄露和破坏细胞 膜_1 。(2)纳米银能使细胞内DNA浓缩至紧张态,紧缩的 DNA会和细胞质结合发生堆积,造成细胞物质流失,从而导 致细胞死亡『1 。(3)纳米银能破坏中断细胞内物质传输。 3纳米银一氧化石墨烯抗菌性能的影响因素 3.1 纳米银尺寸和浓度 Kumar等_】 通过调节制备时的pH值纳米银尺寸, 研究证明纳米银尺寸对其抗菌性能有影响,随着纳米银尺寸 的减小其抗菌性能越来越强。颗粒尺寸小的纳米银能够更 加容易地穿过细胞膜,进入到细胞内,破坏细胞结构,从而杀 死细菌。Das等 ]研究了纳米银浓度对对其抗菌性能的影 响,研究表明,纳米银抗菌性能随着纳米银浓度的增加而增 强。 3.2石墨烯尺寸 不同尺寸的石墨烯适用于不同的抗菌机理,小尺寸的氧 化石墨烯片层倾向于机械破坏细胞膜,而大尺寸的氧化石墨 烯片层倾向于化学溶解细胞膜。不论是哪种抗菌机理,都有 一个氧化石墨烯片层吸附在细胞膜表面的过程,而大尺寸的 氧化石墨烯片层能够更加容易地覆盖在细菌表面[”],能够更 加有效地溶解细菌的细胞膜和释放纳米银颗粒。 3.3细菌种类 纳米银对不同种类的细菌表现出不同的抗菌性能。医 学上根据细胞染色情况,将细菌分为革兰氏阴性菌和阳性 ・ 66 ・ 材料导报 Res,2013,15:1658 2014年5月第28卷专辑23 菌。在实验过程中,研究人员发现纳米银对革兰氏阴性菌的 抗菌性能要强于革兰氏阳性菌。研究认为,这是由于革兰氏 阴性菌和革兰氏阳性菌具有不同的细胞壁结构造成的。相 比于革兰氏阴性菌,革兰氏阳性菌细胞壁上具有大量的肽聚 2 Cai Xiang,Lin Minsong,Tan Shaozao.The use of polyeth— yleneimine-modified reduced grapheme oxide as a substrate for silver nanoparticles to produce fl material with lower cy— 糖,它们能够在一定程度上阻止纳米银颗粒进人细胞,故纳 米银对其抗菌性能更弱。 Tang等口0]研究了纳米银一氧化石墨烯复合材料对革兰 氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抗菌 性能。实验结果表明,纳米银一氧化石墨烯复合材料对革兰氏 阴性菌大肠杆菌的抗菌性能要强于革兰氏阳性菌。纳米银一 totoxicity and long-term antibacterial activity[J].Carbon, 2012,5O:3407 3 Liu Bo-Tau,Kuo Han-Li ̄Graphene/silver nanowire sand— wich structuresfor transparent conductive films[J].Carbon, 2013,63:390 4傅玲,刘洪波,邹艳红,等.Hummers法制备氧化石墨时影 氧化石墨烯复合材料对大肠杆菌的最低抑菌浓度为4× 10一,而纳米银一氧化石墨烯复合材料对金黄色葡萄球菌的最 低抑菌浓度为16×1O一。同时,该研究组还发现纳米银一氧 化石墨烯复合材料对哺乳动物细胞的毒性是很低的。 3.4氧化石墨烯与纳米银的比例 纳米银一氧化石墨烯复合材料的抗菌性能与氧化石墨烯 和纳米银的复合比例有着密切关系。如果氧化石墨烯与纳 米银的比例过高,则单位质量的复合材料中纳米银含量较 少,导致复合材料抗菌性能降低。如果氧化石墨烯与纳米银 复合比例过低,导致则纳米银容易发生团聚,颗粒尺寸增大, 抗菌性能下降。Tang等[2。。用不同比例的氧化石墨烯和纳米 银制备出了纳米银一氧化石墨烯复合材料,并研究了这些材料 的抗菌性能。研究发现,氧化石墨烯与纳米银质量比为1:1 时,复合材料抗菌性能最好。 4提高复合材料抗菌性能的方法 Jiang等瞳1]认为提高纳米银一氧化石墨烯抗菌性能的方 法有两种:提高纳米银分散性和引入被适当还原的氧化石墨 烯。纳米银的颗粒尺寸对复合材料的抗菌性能有着重要影 响,提高纳米银分散性能够得到颗粒尺寸小的纳米银。被适 当还原的氧化石墨烯容易在水中分散达到单片层结构,而片 层表面又带有一定量的含氧基团,能够吸附更多的纳米银, 使复合材料杀菌性能提高,同时,高质量的石墨烯能够更加 容易地吸附在细菌细胞表面,使纳米银能更加容易地进入细 胞内,进一步提高杀菌性能。 5结语 纳米银一氧化石墨烯复合材料具有优良的抗菌性能,在医 用材料、抗菌材料方面有着潜在应用。目前利用简单工艺制 备出具有良好抗菌性能的纳米银一氧化石墨烯复合材料仍然 是研究的重点。同时,纳米银一氧化石墨烯杀菌机理也没有一 个很深人的研究。研究纳米银一氧化石墨烯复合材料的制备 工艺和杀菌机理对于研究其他石墨烯及其衍生物复合材料 的制备及性质也具有重要的借鉴意义。 参考文献 1 Chen Juanni,Wang Xiuping,Han Heyou.A New function of graphene oxide emerges:Inactivating phytopathogenic bacterium Xanthomonas oryzae pv.Oryzae[J].J Nanopart 响氧化程度的工艺因素研究口].碳素,2005(4):10 5 Brodie B C.Surle poids atomiquedu graphite[J].Ann Chim Phys,1860,59:466 6 Staudenmaier L.Verfahren zur darstellung der graphits ure 口].Bet Dt sch Chem Ges,1898,31:1481 7 Wmiam S Hummers,et a1.Preparation of graphitic oxide [J].Am Chem Soc,1958,80(6):1339 8 Balwinder Kaur,Thangarasu Pandiyan,Biswarup Satpati,et a1.Simultaneous and sensitive determination of ascorbic acid,dopamine,uric acid,and tryptophan with silver nano— particles—decorated reduced graphene oxide modified elec— trode[J].Colloids Surf B:Biointerf,2013,111:97 9 Li Junhua,Kuang Daizhi,Feng Yonglan,et a1.Green syn— thesis of silver nanoparticles-graphene oxide nanocomposite and its application in electrochemical sensing of tryptophan [J].Biosensors Bioelectron,2013,42:198 10 Zainy M,Huanga N M,V ay Kumar S,et a1.Simple and scalable preparation of reduced graphene oxide-silver nano— composites via rapid thermal treatment[J].Mater Lett, 2012,89:180 1 l Liu Lei,Bai Hongwei,Liu Jincheng,et a1.Multifunctional graphene oxide-TiOz—Ag nanocomposites for high perfor- mance water disinfection and decontamination under solar ir— radiationVJ-].J Hazard Mater,2013,261:214 12 Selvakumar Palanisamy,Chelladurai Karuppiah,Shen-Ming Chen.Direct electrochemistry and eleetrocatalysis of glucose oxidase immobilized on reduced-graphene oxide and silver nanoparticlesnanocomposite modified electrode[J].Colloids Surf B:Biointerf,2014,114:164 13 Peng Hong,Yang Anshu,Xiong Jianghua.Green,micro— wave-assisted synthesis of silver nanoparticles using bamboo hemicelluloses and glucose in an aqueous medium[J].Car— obhydrate Polym,2013,91(1):348 14 Zhou Yazhou,Yang Juan,He Tingting,et a1.Highly stable and dispersive silver nanoparticle-graphene composites by a simple and low-energy-consuming approach and their antimi~ crobial sctivity[J].Small,2013,10:1 15郑志刚,姚元元,张延彪,等.银纳米粒子对大肠杆菌和金黄 葡萄球菌杀灭机理研究[J].分析化学学报,2011,27(6):799 (下转第7l页) 纳米填料在聚对苯二甲酸乙二醇酯回收利用中的研究进展/侯凌云等 为研究EJ].中山大学学报,2007,46(4):45 4 Braun D_Poly(vinyl chloride)on the way from the 19th 2Z52 16 Pegoretti A,Kolarik J,Peroni C,et a1.Recycled poly(eth— century to the 21 century_J].J Polym Sci Part A:Polym Chem,2004,42(3):578 yleneterephthalate)/1ayered silicate nanocomposites: Mor— phology and tensile mechanical properties[J].Polmer,y 2004,45(8):2751 17 Bizarria M,Giraldi A L F M,de Carvalho C M,et a1.Mor— phology and thermo mechanical properties of recycled PET 5张毅民.废旧混合塑料识别分离与清洗技术研究进展EJ-1. 化工进展,2013,32(6):1401 6 Goto M,Sasaki M,Hirose T.Reactions of polymers in su— percritical fluids for chemical recycling of waste plastics[J]. J Mater Sci,2006,41(9):1509 organoclay nanocomposites[J].J Appl Polm ySci,2007,104 (3):1839 18 Karabulut M.Production and characterization of nanocom— 7于吴宇.不同熔融混炼条件下PET的降解行为和结晶行为 [J].中国塑料,2013,27(5):39 8彭文勇.PET/PP共混改性研究[J].国外塑料,2009,27 (7):41 posite materials from recycled thermoplastics[D'I.Turkey: Middle East Technical University,2003 19 Kracalik M,Mikegova J,Puffr R,et a1.Effect of 3D struc— 9 Shabani I,Haddadi—Asl V,Seyedjafari E,et a1.Improved tures on recycled PET/organoclay nanocomposites[J]. Polym Bull,2010,58(1):313 infiltration of stem cells on electrospun nanofibers[J,1.Bio— chem Biophys Res Commun,2009,382(33):129 20 LeBaron P C,Wang Z,Pinnavaia T J.Polmer-lyayered sill— 1O王文一,陈建峰,曾晓飞,等.纳米有机蒙脱土/聚丙烯复合 材料性能与结构研究[J].塑料工业,2005,33(9):50 cate nanocomposites:An overview[J,1.Appl Clay Sci,1999, 15(1):11 11赵娟,崔怡,李丙海.熔融插层PP/蒙脱土复合材料性能的 研究口].塑料工业,2007,35(增刊):289 12马继盛,张世民,漆宗能,等.插层聚合聚丙烯/蒙脱土纳米 21 Kracalik M,Studenovsky M,Mikegova J,et a1.Recycled PET-organoclay nanocomposites with enhanced processing properties and thermal stability[J].J Appl Polm Sciy, 2007,106(3):2092 复合材料的微观结构形态口].高等学校化学学报,2002,23 (4):226 13 Hamzehlou S,Katbab A.Bottle-to-bottle recycling of PET via nanostructure formation by melt intercalation in twin screw compounder:Improved thermal,barrier,and micro— 22 Kracalik M,Studenovsky M,Mikegova J,et a1.Recycled PET nanocomposites improved by silanization of organoclays [J-I.J Appl Polym Sci,2007,106(3):926 23 Kelnar I,Sukhanov V,Rotrekl J,et a1.Toughening of re— cycled poly(ethylene terephthalate)with clay-compatibilized biological properties[J].J Appl Polym Sci,2007,106(2): 1375 rubber phase口].J Appl Polym Sci,2010,116(6):3621 24 Kerboua N,Cinausero N,Sadoun T,et a1.Effect of organ 14 Basilia B A。Mendoza H D,Cada L G.Synthesis and charac- terization of RPET/organo-montmorillonite nanocomposites clay in an immiscible poly(ethylene terephthalate)waste/ [J].Philippine Eng J,2011,23(2):19 15 Giraldi A L F M,Bizarria M,Silva A,et a1.Effects of ex- poly(methyl methacrylate)blend[J].J Appl Polm Sciy, 2010,117(1):129 trusion conditions on the properties of recycled poly(ethyle— 25 Shi G,He L J,Chen C Z,et a1.A nove1 nanocomposite neterephthalate)/nanoclay nanocomposites prepared by a based on recycled poly(ethylene terephthalate)/ABS blends twin-screw extruder[J,1.J Appl Polym Sci,2008,108(4): and nano-SiO2[J].Adv Mater Res,2011,150(1):857 ) (上接第66页) 16谢小保,李文茹,曾海燕,等.纳米银对大肠杆菌的抗菌作用 及其机制[J].材料工程,2008(10):106 17 Vijay Kumar S,Huang N M,Lim H N.One-step size-con- trolled synthesis of functional graphene oxide/silver ano— 19 Liu Shaobin,Hu Ming,Tingying Helen Zeng.Lateral di— mension-dependent antibacterial activity of graphene oxide sheets[J].Langmuir,2012,28:12364 2O Tang Jia,Chen Qian,Xu Ligeng.Graphene oxide-silver nanocomposite as a highly effective antibacterial agent with composites at room temperature r-J].Chem Eng J,2013, 219:217 species—specific mechanisms[J-I.ACS Appl Mater Interf, 2013,5:3867 18 Manash R Das,Rupak K Sarmab,Sarat Boraha.The syn— thesis of citrate-modified silver nanoparticles in an aqueous suspension of graphene oxide nanosheets and their antibacte— 21 Jiang Baojiang,Tian Chungui,S0ng Gang.A novel Ag/ graphene composite:Facile fabrication and enhanced anti— bacterial properties[J].J Mater Sci,2013,48:1980 rialactivity[J].Colloids Surf B:Biointerf,2013,105:128 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- axer.cn 版权所有 湘ICP备2023022495号-12

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务