一种抗菌纱布的制作和表征及其抗菌性能的探究

宋振峰， 田 旭， 高恩军

(沈阳化工大学 辽宁省无机分子基化学重点实验室， 辽宁 沈阳 110142)

随着生活质量的日益提高,人们对健康和环境意识的不断增强,对日常生活中接触频繁的生活用品“抗菌、除菌”的标准要求日益严格.抗菌材料是指自身具有抑制或杀灭微生物的一种新型功能材料.深入开发和应用抗菌材料对改善人类健康水平，以及减少细菌感染都具有十分重要的意义[1].在自然界中有许多物质本身便具有良好的杀菌或抑制微生物的能力，如部分带有特定基团的有机化合物、一些无机金属材料及其化合物、部分矿物质和天然物质，如何利用并开发这些物质的自身优势成为抗菌领域研究的关注热点[2].

抗菌材料制备的主要手段是向本无抗菌能力的材料中加入抗菌剂，因此抗菌材料开发的关键是抗菌剂的选择.抗菌剂大致可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂3类[3]；天然抗菌剂毒性较低、安全性高，但其存在耐热性差、应用范围较窄、持续杀菌效果较差等缺点；有机抗菌剂抗菌效果优秀，但存在高毒性、易分解、易产生耐药性等问题；无机抗菌剂结构简单，热稳定性好，抗菌持续时间较长，逐渐成为抗菌剂界中的新秀.常见的无机抗菌剂多为金属离子抗菌剂，其抗菌效果良好，且结构稳定[4].其中银离子抗菌剂最为优秀，银离子抗菌剂具有毒性较小、化学性质稳定、杀菌效果优秀、生物相容性好等优点被广泛应用，尤其是比表面积巨大的银配合物的研究成为一大热门[5].但大部分无机银类抗菌材料中游离出的银离子在阳光照射下或加热至一定温度后易被还原成单质银而导致抗菌效果下降[6]，因此，寻找一种较为稳定的银离子抗菌剂成为一重大问题.

纱布作为常见的棉织品已经渗透到日常生活中的方方面面.而细菌是影响纱布使用的重要原因之一，因此，具有自主抗菌性能的抗菌纱布便应运而生，与普通纱布相比，抗菌纱布的卫生自洁功能可免去许多清理与消毒工序，大大拓展了纱布的使用范围[7].纱布表面拥有大量的纤维素，纤维素的化学结构是拥有大量羟基的线形高分子化合物，纤维素大分子两端的末端基上的羟基对金属离子也具有良好的吸附作用[8].水杨酸作为一种常用的有机抗菌剂也被使用多年，且水杨酸形成的配合物拥有巨大的比表面积，稳定的理化性质、独特的热学、电学、机械性能以及良好的生物相容性，可以作为一个理想的载体为负载银离子提供良好的载体[9].

本文实验利用纱布表面的纤维素与水杨酸和银离子形成的配合物相互结合，在纱布上覆盖一层水杨酸银配合物使纱布具有抗菌能力.使用扫描电子显微镜观察水杨酸银配合物在纱布表面的附着情况，并对纱布使用X射线衍射进行表征.最后参照国家标准探究纱布的抗菌性能.

1 实验部分

1.1 试剂与材料及设备

普通纱布，专业厂家提供；硝酸银、水杨酸、无水乙醇，均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司；氯化钠，分析纯，天津大茂化学试剂有限公司；牛肉膏、蛋白胨、胰蛋白胨、琼脂，北京奥博星生物技术有限责任公司.菌种大肠杆菌(ATCC-11229)、金黄色葡萄球菌(ATCC-6538)，中国科学院微生物保藏中心.

美国哈希DR3900型紫外分光光度计；大龙AR2140型电子分析天平；岛津SPX-250B-Z型生化培养箱；安捷伦SW-CJ-IG型单人净化工作台.

1.2 脱脂纱布的预处理

将纱布裁剪为4 cm×4 cm=16 cm2的正方形若干块，将其浸泡于质量分数为5 %的NaOH溶液中1 h，取出后用蒸馏水清洗后烘干.

1.3 抗菌纱布的制作

实验采用浸渍法将水杨酸银附着于纱布上制备抗菌纱布[10].利用硝酸银溶液作为整理液，通过纤维素本身具有的吸附作用将整理液中的银离子负载于纱布表面，再利用银离子与水杨酸的配位形成配合物附着于纱布之上，多次浸渍之后便形成一层水杨酸银配合物将纱布表面覆盖[11]，然后通过表面的水杨酸银配合物进行吸附并杀灭细菌.

选取若干块经过NaOH溶液浸泡处理的纱布浸泡于0.2 mol/L的1号AgNO3溶液中，浸泡2 h后真空烘干，此为硝酸银纱布；再选取若干块经过NaOH溶液浸泡处理的纱布浸泡于0.4 mol/L的1号水杨酸溶液中，浸泡2 h后真空烘干，此为水杨酸纱布.

选取2块经过NaOH溶液浸泡处理的纱布浸泡于重新配制的0.2 mol/L的2号AgNO3溶液中，浸泡20 min后取出，用蒸馏水清洗烘干；再将其浸泡于重新配制的0.4 mol/L的2号水杨酸溶液中，浸泡20 min后取出，用蒸馏水清洗烘干；再将其浸泡于2号AgNO3溶液中，重复以上步骤2次，即可得到抗菌纱布(水扬酸银纱布).

1.4 样品的表征

使用扫描电子显微镜观察附着在纱布上的水杨酸银的形貌特征及附着情况；使用X射线衍射仪对纱布进行X射线衍射，确定附着于纱布上的物质是否为水杨酸银配合物.

1.5 抗菌纱布的抗菌性能研究

使用不包含抗菌剂的普通纱布、硝酸银纱布、水杨酸纱布和抗菌纱布作为样品，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为测试菌种进行实验.实验按照国家标准GB/T 20944.1—2007[12]配制琼脂培养基和营养肉汤，制备实验菌液，并使用紫外分光光度计测定菌液浓度，将菌液浓度调为国家标准中的最高浓度：5×108CFU/mL.

2 结果与讨论

2.1 抗菌纱布的表征

抗菌纱布制备完成后，为了能够直观地观察水杨酸银在纱布上的附着情况与形貌特征，使用扫描电子显微镜对普通纱布和抗菌纱布进行观察分析，结果如图1所示.从图1可以清楚地看到普通纱布的纤维表面光滑平整，而抗菌纱布表面附着并沉积了较多颗粒.由图1(b)可以看出抗菌纱布的纤维表面较为均匀地分布着较多颗粒，这些颗粒直径普遍较小且大部分颗粒的直径分布在1 μm左右.

利用X射线衍射仪对纯水杨酸银粉末、普通纱布和抗菌纱布进行X射线衍射，XRD结果如图2所示.从图2可以看出：纯水杨酸银的样品中能够观察到一个衍射峰，同时普通纱布因纤维素独有的链状结构也能够清晰地观察到一个衍射峰.水杨酸银纱布上的水杨酸银配合物因负载量较少而具有较弱的衍射强度，从图2可以看出水杨酸银纱布的衍射峰与纯水杨酸银、普通纱布两种物质的衍射峰相对应，证明水杨酸银成功地附着在普通纱布上[13].

图1 不同放大倍率下的普通纱布与抗菌纱布的SEM照片

图2 纯水杨酸银、普通纱布和水杨酸银纱布的XRD

2.2 纱布的抗菌性能评价

选取大肠杆菌与金黄葡萄球菌作为测试菌种，采用国家标准中的琼脂平皿扩散法对各试样进行抑菌圈测试，通过测量并计算培养皿上抑菌圈的大小，并参考国家标准对纱布作出抗菌评价，以此探究本次实验制备的抗菌纱布的抗菌性能，测试结果如图3和图4所示.

1 普通纱布 2 抗菌纱布 3 硝酸银纱布 4 水杨酸纱布

1 普通纱布 2 抗菌纱布 3 硝酸银纱布 4 水杨酸纱布

每个试样至少测量3处，试样的抑菌带宽度

计算公式为

H=(D-d)/2.

式中：H为抑菌带宽度，mm；D为抑菌带外径平均值，mm；d为试样直径，mm.

抑菌带宽度计算结果如表1所示.

表1 各试样抑菌带宽度

计算抑菌带宽度后，用镊子将试样从琼脂基上移去，观察纱布下的细菌繁殖情况，如图5和图6所示.

根据抑菌带宽度与试样下细菌的繁殖程度以及国家标准(见表2)评价每个试样的抗菌效果.

1 水杨酸纱布过 2 抗菌纱布 3 硝酸银纱布 4 普通纱布

1 普通纱布 2 抗菌纱布 3 硝酸银纱布 4 水杨酸纱布

表2 国家标准[12]中的抗菌效果评价

根据表1计算结果与表2的比对，初步判断普通纱布没有抗菌能力，用硝酸银处理的纱布和水杨酸处理的纱布具有有限的杀菌效果，而抗菌纱布具有明显的杀菌效果.

为进一步证明抗菌纱布的抗菌效果，选取大肠杆菌与金黄色葡萄球菌进行抑菌率检测实验.菌液浓度仍为5×108CFU/mL.表3为普通纱布、硝酸银纱布、水杨酸纱布和抗菌纱布的抑菌率.由表3可知抗菌纱布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到99 %和95 %以上，抗菌效果显著.

表3 各试样的菌落数和抑菌率

2.3 抗菌纱布的抗菌机理

从上述实验结果可以得知水杨酸银纱布的抗菌性能优于水杨酸纱布和硝酸银纱布.这是因为从纱布上扩散的水杨酸根溶解并破坏细菌的细胞壁使细菌的细胞膜外露，由于细菌的细胞膜带负电荷，而银离子带正电荷，当银离子与细菌相遇时，它们就会因为微动力效应在库仑力的作用下紧密结合.随后银离子会穿过细菌的细胞膜进入细菌体内，与细菌体内蛋白上的巯基发生反应，使蛋白质变性，进而使细菌体内的酶失活，影响细菌的翻译转录功能，使细菌失去繁殖能力而死亡.水杨酸根和银离子的作用同时进行，使得杀菌效率明显提高.

3 结 论

通过浸渍法利用纱布表面的纤维素将水杨酸银附着在纱布上，制作了一种具有自主抗菌能力的抗菌纱布，并利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对纱布表面的水杨酸银进行了表征，结果表明水杨酸银附着效果良好，颗粒直径在1 μm左右.

银离子借助纤维素的吸附能力，并与水杨酸配位形成的水杨酸配合物有效地增强了银离子的稳定性与抗菌能力；参考国家标准对抗菌纱布进行了抗菌评价，结果表明抗菌纱布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到99 %和95 %以上，抗菌效果明显强于硝酸银纱布与水杨酸纱布，抗菌效果显著.