魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物抗菌材料的研究.pdf

1、空氣中存在大量的有害微生物，它們極易被吸附到固體材料表面，并迅速生長繁殖，尤其是通過公共設(shè)施，在人群中傳播，形成交叉感染。解決人接觸的各種場所和所處的生存環(huán)境的微生物污染問題是十分必要的?，F(xiàn)行的一次性消毒，可以達(dá)到消毒的目的，但是它們的作用只是一次性的，消毒后的物體或材料表面很容易形成二次污染，而使用抗菌材料有長效和方便的優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，抗菌材料正發(fā)展成為材料科學(xué)的一個(gè)新的門類，也正在形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)。 季銨鹽類抗菌劑

2、由于價(jià)格低廉，殺菌速度快，效果好，已被廣泛應(yīng)用，但如同一般的小分子有機(jī)抗菌劑一樣，季銨鹽抗菌劑存在著易流失，作用時(shí)間短，對環(huán)境造成污染的問題。 魔芋葡甘聚糖是一種天然植物多糖，有良好的增稠性、凝膠性，成膜性和可降解性，使其在工業(yè)中廣泛使用，尤其適合在醫(yī)藥和食品包裝中應(yīng)用。 殼聚糖是自然界中僅次于纖維素的第二大生物多糖，同時(shí)也是自然界中唯一大量存在的堿性多糖，具有很好的生物相容性、生物可降解性及抗菌、防腐、止血和促進(jìn)傷口愈

3、合等優(yōu)良特性。 納米氣相二氧化硅表面富含羥基，有粒徑小、比表面積大等特征。以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，在橡膠、涂料和醫(yī)藥等諸多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是極其重要的無機(jī)新型粉體材料之一。 本課題將季銨基團(tuán)固載在魔芋葡甘聚糖、殼聚糖或納米氣相二氧化硅上，制備魔芋葡甘聚糖、殼聚糖或納米氣相二氧化硅的季銨鹽衍生物，既可以獲得季銨鹽的優(yōu)良抗菌活性，又克服了通常季銨鹽抗菌劑的缺點(diǎn)。加上，魔芋葡甘聚糖、殼聚糖或納米氣相二氧

4、化硅的優(yōu)點(diǎn)，使這些抗菌材料有更廣泛的用途。另外，本實(shí)驗(yàn)也合成了帶有酯基、易生物降解的軟抗菌劑。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： 1．用甲基丙烯酸－N，N－二甲基氨基乙酯和氯化芐合成甲基丙烯酰氧乙基－芐基－二甲基氯化銨（DMAE-BC），然后在硝酸鈰銨催化作用下和魔芋葡甘聚糖（KGM）反應(yīng)制備一種含季銨離子的魔芋葡甘聚糖接枝共聚物。經(jīng)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)優(yōu)選得到的反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度70℃，單體質(zhì)量比m<,KGM>:m<,DMAE-BC>

5、1:2，引發(fā)劑的用量為0.7 mmol/L，反應(yīng)時(shí)間3 h。FTIR和<'1>HNMR分析證明得到目標(biāo)產(chǎn)物。魔芋葡甘聚糖季銨鹽衍生物的零電位pH值從魔芋葡甘聚糖的4.0提高到9.5。 2．以硝酸鈰銨作催化劑，用DMAE-BC和殼聚糖（Chitosan）反應(yīng)得到一種含季銨離子的殼聚糖接枝共聚物，經(jīng)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)優(yōu)選得到的反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度40℃，單體質(zhì)量比m<,chitosan>:m<,DMAE-BC>1:2，硝酸鈰銨的用量

6、為0.9mmol/L，反應(yīng)時(shí)間4h。用FTIR和<'1>HNMR分析證明得到目標(biāo)產(chǎn)物。 3．納米氣相二氧化硅為載體，以γ－氯丙基三甲氧基硅烷作偶聯(lián)劑，用甲基丙烯酸－N，N－二甲基氨基乙酯、N，N－二甲基芐胺、N，N－二甲基十二烷基叔胺、N，N－二甲基十四烷基叔胺和N，N－二甲基十六烷基叔胺進(jìn)行季銨化反應(yīng)，制備出五種季銨鹽型納米氣相二氧化硅衍生物。用FTIR，DSC分析證明得到目標(biāo)產(chǎn)物，納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物的零電位pH值從

7、納米氣相二氧化硅4.8提高到10.5。納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物懸浮液的粒徑較納米氣相二氧化硅懸浮液的粒徑有所增加，但都低于75nm。 4．通過FTIR定量表征納米氣相二氧化硅表面硅羥基的量，建立了在本試驗(yàn)條件下測定反應(yīng)物γ－氯丙基三甲氧基硅烷的用量與納米氣相二氧化硅的改性程度關(guān)系的方法。根據(jù)Lambert-Beer定律計(jì)算，納米氣相二氧化硅表面羥基吸收峰的面積與γ－氯丙基三甲氧基硅烷用量的關(guān)系如下： Y＝－77206

8、X+7807 r<'2>＝0.9892 在γ－氯丙基三甲氧基硅烷用量在0.00681mol和0.0341mol范圍內(nèi)，加入的γ－氯丙基三甲氧基硅烷量與IR吸收峰面積成線性關(guān)系。 5．懸液定量實(shí)驗(yàn)表明：所合成的接枝率為38.5％的魔芋葡甘聚糖季銨鹽衍物的殺菌速度快，抗菌效果好，對革蘭氏陰性菌一大腸桿菌（8099）和真菌--白色念珠菌（ATCC10231），5min殺滅率分別為99.96％和99.92％。對革蘭氏陽性

9、菌一金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的殺滅作用弱一些，5min殺滅率達(dá)到94.12％，延長作用時(shí)間殺菌作用變化不大。說明魔芋葡甘聚糖表面改性接枝季銨鹽后，接枝產(chǎn)物對微生物有很強(qiáng)的殺滅作用。 6．魔芋葡甘聚糖季銨鹽衍生物吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和TTC實(shí)驗(yàn)表明，魔芋葡甘聚糖對細(xì)菌的吸附作用很小，而魔芋葡甘聚糖季銨鹽衍生物對細(xì)菌有很強(qiáng)的吸附作用。表明其抗菌機(jī)制是首先吸附。魔芋葡甘聚糖季銨鹽衍生物TTC實(shí)驗(yàn)和細(xì)菌細(xì)胞膜完整性實(shí)驗(yàn)表明，魔芋葡甘

10、聚糖季銨鹽衍生物吸附細(xì)菌后，破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，致使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的DNA、RNA流出，從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的效果。 7．所合成的接枝率為50％殼聚糖季銨鹽衍生物有優(yōu)良的抗菌效果。對大腸桿菌的最小抑菌濃度為10.0g／L，按50％的接枝率計(jì)算相當(dāng)于5.0g／L季銨鹽，明顯低于甲基丙烯酰氧乙基－芐基－二甲基氯化銨的最小抑菌濃度6.25g／L。Chitosan-DMAE-BC對革蘭氏陰性菌－大腸桿菌（8099）和真菌－白色念珠菌（ATCC102

11、31）的15min殺滅率分別達(dá)到99.70％和99.21％。對革蘭氏陽性菌－金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的殺滅作用弱一些，15min殺滅率達(dá)到87.40％。Chitosan-DMAE-BC的抗菌活性相對于DMAE-BC的抗菌活性的明顯提高。 8．懸菌定量實(shí)驗(yàn)表明，以γ-氯丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑與納米氣相二氧化硅反應(yīng)，分別以甲基丙烯酸-N，N-二甲基胺基乙酯、N，N-二甲基芐胺、N，N-二甲基十二烷基叔胺、N，N-二甲基十四

12、烷基叔胺、N，N-二甲基十六烷基叔胺五種叔胺作季銨化試劑，所合成的五種納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物對革蘭氏陰性菌--大腸桿菌（8099）和革蘭氏陽性菌--金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的抗菌效果都很強(qiáng)，15min抑菌率達(dá)到99.9％以上。五種納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物對白色念珠菌（ATCC10231）的抑制效果差一些，但其中，分別以N，N-二甲基十四烷基叔胺和N，N-二甲基十二烷基叔胺季銨化后所得到的納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物的

13、效果好一些，15min抑菌率達(dá)到92％以上。 9．納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和MTT實(shí)驗(yàn)表明，納米氣相二氧化硅對細(xì)菌的吸附作用很小，而納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物對細(xì)菌有很強(qiáng)的吸附作用。表明其抗菌機(jī)制是首先吸附。納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物的MTT實(shí)驗(yàn)和細(xì)菌細(xì)胞膜完整性實(shí)驗(yàn)表明，納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物吸附細(xì)菌后，破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，致使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的DNA、RNA的流出，從而達(dá)到殺滅細(xì)菌的效果。 10．將

14、納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物與聚氨酯分散液，或丙烯酸樹脂分散液復(fù)配后進(jìn)行涂飾時(shí)沒有抗菌效果，這可能是樹脂成膜后對抗菌劑的包裹，致使抗菌劑起不到接觸抗菌的作用。皮樣經(jīng)聚氨酯分散液，或丙烯酸樹脂分散液涂飾成膜后，再用抗菌劑分散體進(jìn)行表面處理后有抗菌活性。 11．納米氣相二氧化硅季銨鹽衍生物與蛋白類涂飾劑復(fù)配涂飾的，抗菌效果略差于先用蛋白類涂飾劑，干燥，然后再用抗菌劑分散體處理的皮樣，這是因?yàn)榈鞍淄匡梽┑某赡ば圆?，形成的是不連續(xù)的膜的