P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的制備及抗菌活性研究

張立鎖，安 靜，羅青枝，王少鵬，王德松，

（1.河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學理學院，河北石家莊 050018）

P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的制備及抗菌活性研究

張立鎖1，安 靜2，羅青枝2，王少鵬1，王德松1，2

（1.河北科技大學化學與制藥工程學院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學理學院，河北石家莊 050018）

以硝酸銀為前驅體，聚合物P（AA－co－HEA）為還原劑和穩定劑，采用液相化學還原法，制備了一系列分散性良好、尺寸可控、粒度分布均勻的納米銀。考察了聚合物的中和度、反應溫度、P（AA－co－HEA）的化學組成及含量對納米銀粒子尺寸的影響；用透射電子顯微鏡（TEM）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等對納米銀復合溶膠的形態和組成進行了分析表征。抗菌測試結果表明，復合溶膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有較高的抑菌活性。

納米銀；聚合物；復合溶膠；表征；抑菌活性

銀具有高效、持久、安全、廣譜等特點，是最常見的無機抗菌劑［1－2］。納米銀具有量子效應和小尺寸效應，其抗菌活性明顯高于大尺寸的銀粒子。納米銀粒子的合成方法很多，主要包括微乳液法、沉淀法、離子液體法、溶膠凝膠法、化學還原法、超聲波法等［3－11］，其中化學還原法是近幾年制備納米銀的常用方法。YU等在水溶液中以溴化十六烷基三甲銨（CTAB）為穩定劑，采用甲醛還原硝酸銀制備了形態可控的納米銀片［12］。KHAN等以N－異丙基丙烯酰胺和丙烯酸共聚物為穩定劑，在微波輔助下以葡萄糖還原硝酸銀制備了具有良好穩定性的納米銀微溶膠［13］。WEI等以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為穩定劑，在液相中用磷酸三丁酯（TBP）還原硝酸銀制備了疏水性的納米銀溶膠，然后用相轉移法在疏水納米銀溶膠中加入蒸餾水并攪拌，制備了具有良好穩定性和分散性的親水納米銀溶膠［14］。SATHISHKUMAR等以姜黃塊莖的汁和粉末作為還原劑，在水溶液中還原硝酸銀，制備出粒度小、粒徑分布均勻且具有良好抗菌性能的納米銀［15］。

將納米銀分散于聚合物中制備聚合物基抗菌復合材料，具有成本低、應用范圍廣、綠色無毒等優點［3］，其廣泛應用于醫療器械、紡織用品、涂料等許多領域，目前已成為極為重要的抗菌材料之一。但是，由于極高的比表面能，納米銀極易聚集成團，很難以納米尺寸均勻分散于聚合物基體中，從而限制了其抗菌性能的充分發揮。因此，有效提高納米銀在聚合物基體中的分散性，是目前聚合物／銀納米復合材料的研究熱點。

丙烯酸和丙烯酸羥乙酯的共聚物（P（AA－co－HEA））含有豐富的羥基（—OH），可以在水溶液中將銀離子（Ag＋）原位還原為銀。由于共聚物中同時含有羥基和羧基，可發生酯化反應而形成不溶的空間網絡結構，因此含有納米銀的P（AA－co－HEA）可作為抗菌材料基材，應用于表面抗菌領域。筆者采用溶液聚合法制備P（AA－co－HEA），并應用液相化學還原法還原硝酸銀，制備出一系列分散性良好、粒徑可控的納米銀，考察了P（AA－co－HEA）／Ag納米復合溶膠的抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

硝酸銀：分析純，上海精細化工材料研究所提供；氫氧化鈉：分析純，天津市標準科技有限公司提供；聚丙烯酸和丙烯酸羥乙酯的共聚物（P（AA－co－HEA））：自制；無糖營養肉湯：北京陸橋技術有限責任公司提供；營養瓊脂：北京奧博星生物技術有限責任公司提供；大腸桿菌（Escherichiacoli）：ATCC 44725；金黃色葡萄球菌（Staphylococciaureus）：ATCC 26003。

場發射透射電子顯微鏡（G2F20型，荷蘭Tecnai公司提供）；粒度分布儀（ZEN2600型，美國Malvern公司提供）；傅里葉變換紅外光譜儀（Prestige－21型，日本Shimadzu公司提供）；高壓蒸汽滅菌器（YXQG02型電熱式，山東新華醫療器械股份有限公司提供）；回轉式恒溫調速搖瓶柜（YPW－Ⅰ型，上海通特電訊設備廠提供）；電熱式恒溫培養箱（HHB11－600型，天津市華北實驗儀器有限公司提供）；分光光度計（752型，上海光譜儀器有限公司提供）。

在場發射透射電子顯微鏡下觀察復合溶膠中銀粒子的形貌及分散情況，并用粒度分布儀測定復合溶膠中銀粒子的粒徑。將提純處理后的復合粒子粉末與KBr干粉混合后進行研磨，然后壓制成透明的薄片，用傅里葉變換紅外光譜儀測定復合物樣品及參照樣品的紅外光譜。

用高壓蒸汽滅菌器對抗菌實驗中所用的器皿及培養基進行滅菌，在回轉式恒溫調速搖瓶柜中進行接種后液體培養基的培養，在電熱式恒溫培養箱中進行接種后固體培養基的培養，用分光光度計對菌液進行吸光度的測量。

1.2 P（AA－co－HEA）／Ag納米復合溶膠的制備

取25mL質量分數為20%的P（AA－co－HEA）水溶液，在攪拌條件下加入設計量的質量分數為5.0%的NaOH溶液，中和共聚物中的丙烯酸單元，中和度分別為20%，40%，60%，80%和100%；然后，各自加入40g質量分數為1.25%的硝酸銀溶液，并補加去離子水，使樣品質量均為100g。將以上樣品置于20℃下進行氧化還原反應1周，制備P（AA－co－HEA）／Ag納米復合溶膠。

采用丙烯酸單元中和度為60%的P（AA－co－HEA），在不同反應溫度（20，30，40，50，60℃）、不同共聚物化學組成（共聚物分子中m（HEA）∶m（AA）為2∶8，3∶7，4∶6，5∶5，6∶4）、不同共聚物濃度（10%，15%，20%，25%，30%，皆為質量分數）條件下制備納米銀復合溶膠。

1.3 P（AA－co－HEA）／Ag納米復合溶膠的抑菌性能測試

以常溫下中和度為60%時制備的樣品為抑菌劑，分別進行革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）的抑菌性能測試。首先，在3個盛有98mL無糖營養肉湯培養基的錐形瓶中分別加入稀釋10倍的樣品、不含銀的共聚物以及無菌水各1mL，搖勻后均加入1mL培養24h的大腸桿菌原液，在回轉式恒溫調速柜中進行培養。以加入無菌水的一組作為對照品，用分光光度計在460nm波長下測定各組菌液在4，6，8，10，12，14h的吸光度，并計算抑菌率。用相同的方法測試金黃色葡萄球菌的抑菌性能。

抑菌率的計算公式如下： 抑菌率＝（A－B）／A×100%。

式中：A為對照樣品的吸光度；B為相應樣品的吸光度。

在培養皿中分別接入稀釋100倍的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌原液，用稀釋10倍的樣品作為抗菌圈，培養24h，觀察其抑菌性能。

2 結果與討論

2.1 反應條件對納米復合溶膠中銀粒子粒徑的影響

圖1為共聚物中丙烯酸單元的中和度對P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的外觀狀態及溶膠中納米銀粒徑大小的影響結果。

圖1 不同中和度下P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠照片及溶膠中納米銀粒徑大小Fig.1 Picture of P（AA－co－HEA）／Ag nanocomposite sol at different neutralization degrees and the corresponding sizes of Ag nanoparticles

從圖1a）可知，隨著反應體系中共聚物丙烯酸單元中和度的提高，復合溶膠顏色逐漸變深（由金黃色逐漸變為深褐色）。圖1b）顯示，所制備的溶膠中納米銀粒徑為30～80nm，銀粒子的粒徑隨著共聚物中和度的增大先增大后減小。這一實驗結果表明，納米銀粒徑的變化與共聚物中丙烯酸單元中和度緊密相關。在P（AA－co－HEA）水溶液中加入硝酸銀稀溶液后，Ag＋需擴散到聚合物分子鏈上的羥基位置才能被還原為銀原子，因此Ag＋擴散速度及其在聚合物分子鏈周圍的濃度影響著其還原速率及納米銀粒子的生成及長大過程。在較低中和度范圍內（20%～60%），隨著共聚物中和度的提高，共聚物分子鏈中羧酸根離子（—COO－）含量增多，使聚合物分子鏈更加舒展，有利于Ag＋向羥基的擴散；同時羧酸根離子的靜電引力作用也有利于Ag＋向共聚物鏈靠攏，使擴散速度增加，有利于Ag＋的還原反應，但產生的銀原子濃度不足以成核，而更容易在納米銀粒子表面沉積生長，因而其粒徑逐漸增大。隨著共聚物中和度進一步提高至一定范圍（60%～100%）時，由于羧酸根離子的靜電排斥作用，使得共聚物分子鏈逐漸趨向于伸展狀態，同時中和過程引入反應體系的電解質離子的增加也促使Ag＋在共聚物分子鏈周圍的濃度增大，Ag＋向聚合物分子鏈的擴散不再是Ag＋還原反應的制約因素，Ag＋與羥基的快速還原反應可造成銀原子局部濃度增大而聚集形成新的銀粒子。在反應體系銀的物質的量確定的條件下，形成的銀粒子數目越多，銀粒子粒徑必然越小。因此銀粒子的粒徑隨著共聚物中和度的增大呈現出先增大后減小的結果。

圖2顯示了共聚物中和度為60%、共聚物質量分數為25%時制備的納米銀粒徑大小隨制備反應溫度的變化情況。由圖2可知，在溫度為20～60℃時，納米銀粒徑由79nm逐漸增至221nm。這是因為反應溫度的提高加快了Ag＋向聚合物分子鏈的擴散速度，增大了羥基還原Ag＋的反應速率，使局部Ag0濃度增大，更有利于銀晶粒的生長，增大其晶粒尺寸。

圖3為20℃下、共聚物中和度為60%、共聚物質量分數為25%時共聚物分子鏈中HEA單元和AA單元的質量比對溶膠中納米銀粒徑尺寸的影響。從圖3可以看出，隨著HEA單元質量的增加，樣品中納米銀的粒徑由119nm逐漸減小至43nm。這是因為隨著HEA單元質量的增多，共聚物分子鏈上羥基數目增多，還原Ag＋的反應點位增多，使納米銀粒子成核幾率增大，形成更多的納米銀粒子。同時共聚物中AA單元質量減少，相同中和度時羧酸根離子濃度降低，對Ag＋的靜電吸引力減小，Ag＋向共聚物分子鏈擴散的能力減小，Ag＋的局部濃度降低，不利于銀晶粒的生長反應。因此，隨著共聚物中HEA單元質量的增多，所形成的納米銀尺寸減小。

圖4 P（AA－co－HEA）水溶液質量分數對納米銀粒徑大小的影響Fig.4 Effect of P（AA－co－HEA）concentrations on sizes of Ag nanoparticles

圖4是常溫下、中和度為60%時納米銀粒徑隨體系中P（AA－co－HEA）水溶液質量分數的變化趨勢。由圖4可知，聚合物質量分數由10%增加到30%時，納米銀粒徑由151nm逐漸減小至59nm。這是因為隨著聚合物質量分數的增加，羥基在反應體系的分布密度增大，使Ag＋與羥基反應還原生成銀粒子的幾率增加，同時聚合物質量分數的增加使聚合物對納米銀粒子的包裹作用增強，聚合物的空間位阻效應阻隔了納米銀粒子的團聚和增大。

2.2 TEM分析

圖5 納米銀粒子的TEM圖Fig.5 TEM micrograph of Ag nanoparticles

圖5為常溫下、中和度為60%、聚合物質量分數為25%時的復合溶膠中納米銀粒子的TEM圖。由圖5可知，所制備的納米銀粒子呈橢球形，粒徑為40～60nm。粒子沒有大規模的團聚現象，分散性良好，尺寸均勻。這表明在聚合物溶膠體系中合成出的納米銀粒子未發生大規模團聚。由于反應過程中沒有其他試劑的加入，因此，共聚物P（AA－co－HEA）分子作為納米粒子保護劑，對控制納米粒子的尺寸和形狀起著十分重要的作用。

2.3 紅外光譜（FTIR）分析

圖6 FTIR圖Fig.6 FTIR spectra

圖6為納米銀，P（AA－co－HEA）共聚物和P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的紅外光譜圖。在P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的譜圖中，3 444cm－1處和1 730cm－1處分別為聚合物中—OH和—C═ O的伸縮振動吸收峰；2 900～3 000cm－1處為—CH3和—CH2—中C—H鍵的對稱和不對稱伸縮振動吸收峰；1 570cm－1和1 402cm－1處為納米銀的特征吸收峰。這說明該樣品為納米銀和聚合物的復合物，納米銀鑲嵌在P（AA－co－HEA）共聚物中，從而阻止了納米銀粒子的團聚。

2.4 抗菌性能分析

圖7為不同濃度的P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠分別對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果圖。結果顯示，2種細菌在抗菌圈外生長良好，在抗菌圈內幾乎沒有細菌，該復合溶膠對2種細菌抑菌效果明顯，并且抑菌劑濃度越高，抑菌效果越顯著。

圖7 P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠抗菌效果照片Fig.7 Antibacterial effect picture of P（AA－co－HEA）／Ag nanocomposite sol

圖8a）為P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠及P（AA－co－HEA）分別對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能對比圖。從圖8a）可以看出，純共聚物對2種細菌的抗菌能力微弱，而復合溶膠則對2種細菌都顯示出很強的抑菌活性。圖8b）為P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的抑菌能力隨時間的變化趨勢。從圖8b）可以看出，前10h，該樣品對2種細菌的抑菌率逐漸升高，在12h左右抑菌率達到高值并較為穩定。而且，該樣品對大腸桿菌的抗菌能力略強于金黃色葡萄球菌。此結果與納米銀的抑菌機理有關。納米銀在光的作用下與水或空氣作用轉變為銀離子（Ag＋），然后進入菌體與細菌的蛋白質和核酸接觸并與其中的官能團反應。根據銀與細菌表面電荷的相互作用原理，Ag＋對革蘭氏陰性菌具有相對更強的抑菌活性［3］。

3 結 語

本實驗用一種簡單、溫和的液相還原法，通過調節體系的中和度、反應溫度、P（AA－co－HEA）的化學組成及含量對納米銀粒子的尺寸進行控制，制備了一系列P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠。通過TEM，FTIR等手段對該溶膠進行了分析表征，得到了該系列溶膠中納米銀粒子的粒徑為40～220nm，各樣品中納米銀分散性良好、尺寸均勻。將P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠用于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌實驗，結果顯示P（AA－co－HEA）／Ag對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有優良的抑菌活性。由于本實驗方法簡便，所制備的P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠穩定性好、抑菌效果顯著，所以具有廣闊的應用前景。

圖8 P（AA－co－HEA）共聚物和P（AA－co－HEA）／Ag復合溶膠的抗菌性能Fig.8 Antibacterial actibities of P（AA－co－HEA）and P（AA－co－HEA）／Ag nanocomposite sol

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Preparation of P（AA－co－HEA）／Ag nanocomposite sol and its antibacterial activity

ZHANG Li－suo1，AN Jing2，LUO Qing－zhi2，WANG Shao－peng1，WANG De－song1，2
（1.College of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.College of Sciences，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

A series of silver nanoparticles with good dispersion，controllable size and uniform size distribution were prepared by liquid phase reduction method with silver nitrate as precursor and P（AA－co－HEA）prepared in our laboratory as the stabilizing agent and reducing agent，respectively.The effects of neutralization degree of the copolymer，reaction temperature，composition and content of P（AA－co－HEA）on sizes of silver nanoparticles were investigated.The chemical composition and morphological structure of P（AA－co－HEA）／Ag nanocomposite sol were characterized by fourier transform infrared spectrometer（FTIR），transmission electron microscope（TEM），and so on.The antibacterial experiments show that the as－prepared nanocomposite sol has excellent antibacterial activities both toEscherichiacoliandStaphylococciaureus.

silver nanoparticles；polymer；nanocomposite sol；characterization；antibacterial activity

O632.5

A

1008－1542（2012）02－0107－06

2011－11－21；責任編輯：張士瑩

張立鎖（1985－），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事納米復合材料方面的研究。

王德松教授。E－mail：dswang06＠126.com