載銀羥基磷灰石抗菌粉體和陶瓷的制備及抗菌性能

徐伏秋 陳華軍 丁梧秀

(洛陽理工學院環境工程與化學系，洛陽 471023)

一般把具有M102+(ZO4)63-X2-組成的結晶礦物稱為磷灰石，磷灰石的晶體結構很容易產生化學元素的置換，其中最引人關注的就是羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2，簡寫為HA 或HAp]。由于HA 與生物硬組織中的磷酸鈣有相似的化學成分和結構，又有良好的生物活性和生物相容性，是一種非常有希望的生物陶瓷材料，成為醫學材料的研究熱點[1-2]。近年來，Ag+由于其優良的抗菌性得到了廣泛關注[3-5]。一般認為，銀化合物或銀金屬離子可通過阻礙微生物的呼吸、電子遷移，阻礙酶的合成、破壞蛋白質、損傷細胞膜，干擾DNA 的結合等方式起到殺菌作用[6-7]，相對于Zn2+、Cu2+等具有更好的抑制和殺滅細菌的效果[8-10]。Ag+擔持在HA 上，因此本質上是安全的。所以銀系抗菌粉體成為無機抗菌材料中最重要的一大門類。目前國內外對銀系抗菌粉體的研究主要集中在硅酸鹽系、磷酸鹽系以及氧化物等為載體的抗菌粉體方面，相關的報道也較多[11-18]，而以HA 為載體的抗菌粉體研究相對較少。當前，Ag+摻雜HA 的制備方法以離子交換法為主[19]，該方法的缺點是Ag+與載體的結合較弱，導致Ag+快速游離而不能保持制品長久的抗菌性，此外使用初期游離出的Ag+濃度太大也具有毒性，因而不宜采用離子交換法制造抗菌粉體。

本文以水熱法一步合成載銀羥基磷灰石抗菌粉體(Ag-HA)，通過XRD 和TEM 等手段對抗菌粉體成分和形貌進行表征，并將制備的抗菌粉體應用于抗菌陶瓷的制備。采用中華人民共和國建材行業標準JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)測定抗菌陶瓷的殺菌率。通過上述研究，為該制備方法在抗菌陶瓷實際生產中的應用奠定理論基礎。

1 實驗方法

1.1 主要試劑和儀器

硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O，AR)，磷酸氫二銨((NH4)2HPO4，AR)，硝酸銀(AgNO3，AR)，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS，AR)，氨水(φ=50%，AR)，無水乙醇(AR)等。大腸桿菌(ATCC 1818)、金黃色葡萄球菌(ATCC 1811)及黑曲霉臨床株型及瓊脂培養皿。

B8-Focus 型X 衍射儀(德國Bruker 公司)，JEM-2100 高分辨透射電子顯微鏡(日本電子公司)；反應釜(φ 50 mm×100 mm,煙臺科立化工設備有限公司)。

1.2 Ag-HA 的水熱合成

稱取2.13 g 硝酸鈣和一定質量的硝酸銀、0.10 g 十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)溶于適量水中，攪拌使其溶解，再用氨水調溶液pH＞10，另取6.36 g 磷酸氫二銨適量溶于水，同樣調溶液pH＞10，在不斷攪拌下將磷酸氫二銨逐滴滴加到硝酸鈣和硝酸銀的混合溶液中，繼續攪拌30 min 后轉移至反應釜，在不同水熱條件下改變硝酸銀加入量進行合成實驗。反應產物經抽濾，去離子水洗滌2～3 次，再用無水乙醇洗2～3 次，于80～90 ℃烘干、研細。

1.3 Ag-HA 銀含量的測定

采用福爾哈德法測定抗菌粉體中銀含量，準確稱取2.000 g 抗菌粉體，加水100 mL，加HNO3(φ=50%)5.0 mL，加熱溶解。冷卻后加2.0 mL 鐵銨礬指示劑，以0.100 mol·L-1NH4SCN 標準溶液滴定，先生成AgSCN 白色沉淀，當有紅色的Fe(SCN)2+出現即為終點。根據抗菌粉體的質量和NH4SCN 標準溶液的用量計算銀含量。

1.4 陶瓷的抗菌性實驗

采用中華人民共和國建材行業標準JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)，測定抗菌陶瓷的殺菌率。一般認為一種抗菌材料若能對芽抱桿菌、葡萄球菌有好的抗菌效果，則認為該抗菌材料具有廣譜抗菌性。因此本文選擇大腸桿菌、金黃色葡萄球菌種菌作為試驗菌株，按照通常的培養方法培養并獲得。

2 結果與討論

2.1 Ag-HA 的載銀量與XRD 分析

按照1.2 試驗方法，固定(NH4)2HPO4、Ca(NO3)2·4H2O 和SDBS 用量分別為6.36 g、2.13 g 和0.10 g，反應溫度為180 ℃，反應時間為5 h。改變反應過程中AgNO3加入量，按照1.3 試驗方法測定產物Ag-HA 抗菌粉體實際載銀量，考察AgNO3加入量對Ag-HA 抗菌粉體實際載銀量和粉體結構的影響。實驗結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 硝酸銀加入量與粉體實際載銀量的線性關系Fig.1 Linear relationship between quantity of silver nitrate and silver content of HA

由圖1 可見，當AgNO3加入量為0～1.45 g 時，粉體的實際載銀量(y)與AgNO3加入量(x)存在線性關系,線性方程為y=0.129 06+5.0936 4x(R=0.999 9)。粉體實際載銀量稍低于AgNO3加入量，說明有少量Ag+殘留于母液中。繼續增加AgNO3加入量，所得粉體的XRD 圖出現Ag3PO4的衍射峰，見下圖2。

圖2 不同含銀量樣品的XRD 圖Fig.2 XRD patterns of the products with various Ag fraction

圖2 為HA 和Ag-HA 的XRD 圖。2θ=25.80°、31.68°、32.84°和33.96°處 的4 個 峰 是HA 的 特 征峰。Ag-HA 與HA(PDF No.09-432)具有相同的晶體結構。另外，此前研究結果[20]說明Ag+取代Ca2+在HA 晶體中的位置，生成AgxCa10-x(PO4)6(OH)2。

2.2 Ag+摻雜量對Ag-HA 形貌的影響

圖3 為HA、0.65%Ag-HA 和1.50%Ag-HA 用TEM 獲得的晶粒形貌圖。

由圖3 可見，HA 晶體中Ca2+被Ag+取代后，晶體形貌發生較大變化，表現為隨著Ag+摻入量的增加，粉體的直徑變化不大，但棒的長度逐漸增大。當Ag+摻入量增加至1.50%時，Ag-HA 由棒狀生長為晶須狀。這是因為HA 在結晶結構上存在平行于c 軸的通道，Ca2+很容易被Ag+、Zn2+、Cu2+等金屬離子替代，本研究中Ag+沿c 軸進入晶胞取代Ca2+位置，生成AgXCa10-X(PO4)6(OH)2。由于二者價態上的差異，結構中存在未飽和的電場力，導致晶體生長變形。故當銀摻入量增大時，HA 晶體是沿晶軸方向生長的，樣品的長度增加，由棒狀生長為晶須狀。

2.3 Ag-HA 抗菌粉體類型對陶瓷抗菌性的影響

按 照1.2 實 驗 條 件 制 備0.35% Ag-HA、0.65%Ag-HA、1.50% Ag-HA、4.50% Ag-HA、7.50% Ag-HA等Ag 含量不同的抗菌粉體。將抗菌粉體加入到一定質量的原廠釉料中，超聲分散均勻后加入纖維素和水調節釉料粘度和水分含量，所得釉料即為抗菌釉。首先固定各種類型抗菌粉體的摻入量均為9%，采用1.4 試驗方法考察抗菌粉體類型對抗菌陶瓷抗菌性能的影響。實驗過程中目標菌種為大腸桿菌，陶瓷抗菌性能檢測標準為中華人民共和國建材行業標準JC/T 897-2002 (抗菌陶瓷制品抗菌性能)，結果見表1。

圖3 不同Ag 含量的磷灰石的TEM 照片Fig.3 TEM images ofthe products with various Ag fraction

表1 抗菌粉體類型對陶瓷抗菌性能的影響Table 1 Influence of antibacterial agent types on antibacterial performance of ceramic

由表1 可見，當抗菌粉體摻入量一定時，陶瓷的抗菌性能隨Ag-HA 抗菌粉體中Ag+摻入量的增加而增大。因為Ag+帶正電荷，吸引載負電荷的細菌，并與蛋白質的中的巰基(-SH)結合形成牢固的共價鍵，從而使酶失活。細菌機體結構被破壞，導致迅速死亡。Ag-HA 抗菌粉體中Ag+含量越高，抗菌性能就越高。當Ag+摻入量為1.50%時(1.50% Ag-HA)，陶瓷對大腸桿菌的殺菌率就達到99.8%，相對于空白瓷片已經表現出了很高的抗菌率，但仍有部分大腸桿菌(7.2×103cfu/100 μL)沒有被殺死，即絕對殺菌率還不夠。當Ag+摻入量為4.50%時(4.50% Ag-HA)，剩余大腸桿菌的濃度僅為2.9×102cfu·mL-1，陶瓷的絕對殺菌率較高，所以選擇4.50% Ag-HA 作為抗菌陶瓷的抗菌粉體。(cfu，Colony-Forming Units，菌落形成單位)

2.4 4.50% Ag-HA 抗菌粉體用量對陶瓷抗菌性的影響

在抗菌陶瓷制備試驗中，選擇4.50% Ag-HA 作為抗菌粉體，改變該抗菌粉體的摻入量，考察抗菌粉體的摻入量對陶瓷抗菌性能的影響。實驗過程中選擇大腸桿菌作為目標菌種，采用中華人民共和國建材行業標準JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)，測定抗菌陶瓷對大腸桿菌的殺菌率，結果見表2。

表2 4.50%Ag-HA 抗菌粉摻入量對陶瓷抗菌性能的影響Table 2 Influence of dosage of 4.50% Ag-HA antibacterial agent on antibacterial performance of ceramic

由表2 可見，陶瓷的抗菌性能隨抗菌粉體摻入量的增加而增大。因為釉料中4.50% Ag-HA 抗菌粉體摻入量越大，Ag+含量就越高，從而抗菌性能就越高。當抗菌粉體的摻入量為9wt%時，陶瓷的抗菌率就達到99.9%。此時釉料中Ag3PO4含量為0.56%，低于目前研究中釉料中Ag3PO4添加量 (2wt%～4wt%)，在一定程度上解決了抗菌陶瓷產品成本較高的問題。雖有部分細菌未被殺死(6.8×10 cfu/100 μL(Escherichia coli))，但殺菌率遠遠高于JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)對抗菌陶瓷抗菌性能的要求(殺菌率＞90%)。繼續增大抗菌粉體加入量，雖然抗菌效果非常好，但會改變釉面性質，所以無論從外觀還是從成本考慮都不可取。

2.5 使用時間對陶瓷抗菌性的影響

為了考察抗菌陶瓷的長效抗菌性，在釉料中摻入9wt%的4.50%Ag-HA 抗菌粉體，分別測定0 時間和1 年后陶瓷的抗菌性能。抗菌陶瓷對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和黑曲霉的殺菌率如表3 所示。由表3 可見，抗菌陶瓷在自然條件下放置1 年后抗菌率仍大于99.9%，長效抗菌實驗結果進一步證明水熱法合成的載銀羥基磷灰石抗菌粉體(Ag-HA)中，Ag+與載體結合強，Ag+不易快速游離。

表3 使用時間對陶瓷抗菌性能的影響Table 3 Influence of usage time on antibacterial performance of ceramic

3 結 論

采用水熱法以硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、硝酸銀(AgNO3)和磷酸氫二銨((NH4)2HPO4))為主要原料，制備載銀羥基磷灰石抗菌粉體(Ag-HA)，并將其應用于抗菌陶瓷的制備。實驗結果表明：

(1) 硝酸銀加入量在0～1.45g，粉體的實際載銀量(y)與AgNO3加入量(x)存在較好的線性關系，線性方程為y=5.093 64x+0.129 06(R=0.999 9)，粉體實際載銀量稍低于AgNO3加入量，說明有少量Ag+殘留于母液中。

(2) XRD 和TEM 分析結果顯示Ag-HA 與HA具有相同的晶體結構，水熱條件下Ag+取代Ca2+在HA 晶體中的位置，生成AgxCa10-x(PO4)6(OH)2。Ag-HA長度隨著Ag+摻入量的增加而增大，當Ag+摻入量增加至1.50%時，Ag-HA 由棒狀生長為晶須狀。

(3) 陶瓷抗菌試驗結果表明，當Ag-HA 摻入量一定時，陶瓷的抗菌性能隨Ag-HA 中Ag+摻入量的增加而增大。選擇4.50%Ag-HA 作為抗菌粉體，抗菌粉體的摻入量為9wt%時，陶瓷的抗菌率＞99.9%，滿足JC/T 897-2002(抗菌陶瓷制品抗菌性能)對抗菌陶瓷抗菌性能的要求。

(4) 目前釉料中普遍存在銀添加量大(2wt%～4wt%)，產品成本較高的問題。本研究通過水熱法合成抗菌粉體，釉料中銀的添加量＜1wt%，而殺菌率缺＞99.9%，大大降低了抗菌陶瓷的生產成本。

(5) 長效抗菌實驗表明，抗菌陶瓷在自然條件下放置1 年后抗菌率仍大于99.9%，說明水熱法一步合成產物Ag-HA 中Ag+與載體結合強，Ag+不易快速游離。

[1] Steens W, Schneeberger A G, Skripitz R, et al. Arch Orthop.Trauma Surg., 2010,130：921-926

[2] Iwai T, Harada Y, Imura K, et al. J. Bone Miner Metab.,2007,25：392-399

[3] Nath S,Kalmodia S,Basu B.J.Mater.Sci：Mater.Med.,2010,21：1273-1287

[4] Zhang Y, Yin Q S, Zhang Y, et al. J. Materi. Sci.： Mater.Med., 2010,21(8)：2453-2462

[5] WANG Hong(王 虹), WANG Peng(王 鵬). Chinese J. Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao), 2009,25(11)：1928-1934

[6] LIAO Ma-Hua(廖馬花), YAN Wen-Yan(顏文艷), CAI Xiang(蔡祥), et al. Chinese J. Inorg. Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2011,27(5)：977-983

[7] Silver S, Phung L T, Silver G. J. Ind. Microbiol. Biotechnol.,2006,33：627-634

[8] Kim T N, Feng Q L, Kim J O, et al. J. Mater. Sci.： Mater.Med., 1998,9：129-134

[9] ülküseven B, Tavman A, ?tük G, et al. Folia. Microbiol.,2002,47(5)：481-487

[10]Matsumoto N, Sato K, Yoshida K, et al. Acta Biomater.,2009,5(8)：3157-3164

[11]Hwang K S, Hwangbo S, Kim J T. J. Nanopart. Res., 2008,10：1337-1341

[12]Tuan W H, Chen W R. J. Mater. Sci. Lett., 1994,13：658-659

[13]XIAO Xiu-Feng(肖秀峰), LIU Rong-Fang(劉榕芳), ZHENG Yang-Zeng(鄭 煬 曾). Chinese J. Inorg. Chem.(Wuji Huaxue Xuebao), 2005,21(7)：965-970

[14]ZHOU Song(周松), LI Yu-Bao(李玉寶), WANG Yan-Ying(王 妍 媖), et al. Acta Materiae Compositae Sinica(Fuhe Cailiao Xuebao), 2011,28(6)：86-91

[15]GUO Jin-Wu(郭進武), ZHANG Jun(張軍), PENG Wei-Tao(彭偉濤,), et al. Acta Materiae Compositae Sinica(),2011,28(2)：170-173

[16]XIAO Yong(肖勇), GAO Chuang(高闖), SHI Ya-Yun(施亞運), et al. Chinese J. Inorg. Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2012,28(6)：1222-1228

[17]HUANG Zai-Yin(黃在銀), QU Song-Sheng(屈松生), ZHAO Qun-Jin(趙 群 金), et al. Chinese J. Inorg. Chem.(Wuji Huaxue Xuebao), 1998,14(4)：490-492

[18]CHEN Yu(陳于), XU Can(徐燦), SU Jia-Can(蘇佳燦), et al.Chinese J. Inorg. Chem.(Wuji Huaxue Xuebao), 2011,27(4)：625-630

[19]LU Guo-Yu(呂國玉), LI Yu-Bao(李玉寶), WEI Jie(魏杰),et al. J. Funct. Mater.(Gongneng Cailao Xuebao), 2005,36：888-891

[20]CHEN Hua-Jun(陳華軍), XU Fu-Qiu(徐伏秋), XUE Dong(薛 冬), et al. Acta Chim. Sin.(Huaxue Xuebao), 2012,70(12)：1362-1366