本發(fā)明涉及納米醫(yī)用抗菌材料領(lǐng)域，具體涉及碳基納米銅復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

自然界中的有害細(xì)菌、真菌等病原微生物在我們的日常生活中無(wú)處不在。近年來(lái)，由病原微生物引起的全球性傳染病對(duì)人類健康造成了嚴(yán)重威脅。醫(yī)用抗菌材料通過(guò)阻隔病原微生物、將其抑制或殺滅，從而有效降低機(jī)體得病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研發(fā)綠色環(huán)保、無(wú)危害的醫(yī)用抗菌材料和制品具有十分重要的意義，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

納米抗菌材料通常具有廣譜抗菌性、無(wú)毒或低毒性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性，目前已報(bào)道的具有抗菌活性的納米無(wú)機(jī)材料主要有納米銀、銅等。其中，納米銅成本低廉且具有良好的抗菌性，能激活空氣或水中的氧，產(chǎn)生超氧陰離子或羥基自由基，破壞微生物細(xì)胞膜，進(jìn)而起到抑制或殺滅細(xì)菌的作用。但是納米銅粒子的表面能高，極易團(tuán)聚，而其在空氣中又易被氧化，從而導(dǎo)致納米銅粒子分散穩(wěn)定性下降，喪失抗菌活性，這給納米銅材料的存儲(chǔ)和使用帶來(lái)很大困難。

中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102499260A公開了一種具有銅/碳-核/殼結(jié)構(gòu)的銅納米材料在抗菌方面的應(yīng)用，以植物纖維為模板，金屬銅離子為原料，通過(guò)加溫碳化還原方法制備而成。這種核/殼結(jié)構(gòu)的銅碳納米材料一般為球型，團(tuán)聚明顯，顆粒大，抗菌效果有限。目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上制備負(fù)載型銅納米材料最常用的方法是液相化學(xué)還原法，該方法的原理是利用還原劑如水合肼、硼氫化鈉等在液相中還原銅鹽，使Cu²⁺離子被還原Cu原子，控制成核和結(jié)晶過(guò)程得到納米銅。此方法制備的納米銅表面能高使其易被氧化或團(tuán)聚，需要選擇一些表面活性劑、聚合物、羧酸及其衍生物等對(duì)其進(jìn)行表面修飾，防止銅在空氣中被氧化。由于需要使用水合肼、硼氫化鈉等有毒價(jià)高的還原劑，并且往往還需要對(duì)其進(jìn)行表面修飾，因此液相化學(xué)還原法不適合工業(yè)化生產(chǎn)。中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103203464A公開了一種制備碳材料/納米銅粉復(fù)合材料的方法，屬于填料合成領(lǐng)域，先將一定量的水溶性銅鹽溶解到去離子水中制成溶液，并將適量分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將適量碳材料均勻分散到銅鹽溶液中，并加入稍過(guò)量的鐵、鋅等金屬還原劑，將混合體系持續(xù)攪拌或超聲使銅被完全還原，然后將混合體系過(guò)濾以除去其中大部分的水，再將過(guò)濾得到的粉末中多余的還原劑用適量稀酸完全溶解并濾除，分別用去離子水和無(wú)水乙醇將所得粉末清洗并過(guò)濾數(shù)次至濾液無(wú)色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到碳材料/納米銅粉復(fù)合材料，該復(fù)合材料可用作多功能填料。該法使用碳材料吸附銅離子，吸附效率有限，并且很難在溶液中分散均勻，殘留的還原性金屬離子還會(huì)使碳材料/納米銅雜化，影響使用效果。

目前缺少一種簡(jiǎn)便易行、綠色環(huán)保的方法制備高效抗菌的碳基納米銅復(fù)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種碳基納米銅材復(fù)合料的綠色制備方法及其在抗菌方面的應(yīng)用。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

一種碳基納米銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將葡萄糖和氯化銅溶解在去離子水中，加熱至碳化；

(2)將步驟(1)的產(chǎn)物在惰性氣體存在下高溫煅燒，得到碳基納米銅復(fù)合材料。

上述步驟(1)葡萄糖和氯化銅的質(zhì)量比為20:1～1:1(以C/Cu計(jì))，優(yōu)選為5-10:1，更優(yōu)選5:1。

上述步驟(1)加熱溫度為50～90℃，加熱時(shí)間6～48小時(shí)，優(yōu)選80℃條件下加熱24小時(shí)。

上述步驟(2)煅燒溫度為400～900℃，煅燒時(shí)間為3～12小時(shí)，優(yōu)選700℃高溫條件下煅燒6小時(shí)(氬氣保護(hù))。

上述的制備方法，其特征在于還包括將碳基納米銅復(fù)合材料洗滌、干燥的步驟，優(yōu)選使用無(wú)氧乙醇和無(wú)氧去離子水洗滌碳基納米銅復(fù)合材料。

本發(fā)明所述制備方法的步驟(1)為碳化階段，在低溫條件下水溶液中的葡萄糖將氯化銅的二價(jià)銅離子還原為一價(jià)銅。

本發(fā)明所述制備方法的步驟(2)為煅燒階段，在高溫氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，葡萄糖碳化后的碳可以繼續(xù)還原一價(jià)銅，生成單質(zhì)銅晶體，并鑲嵌在碳層之間。

本發(fā)明所述制備方法的一個(gè)具體技術(shù)方案如下：

在小瓷方舟中加入純凈水，分別稱取適量的葡萄糖和氯化銅加到瓷方舟中，輕輕攪拌使其溶解、混勻，并在烘箱中80℃條件下加熱24小時(shí)完成碳化，再將其放入管式爐中700℃高溫條件下煅燒6小時(shí)(氬氣保護(hù))，等溫度降至室溫后取出，在瑪瑙研缽中充分磨細(xì)，過(guò)篩(60目)，再分別用無(wú)氧乙醇、無(wú)氧去離子水洗滌6次，離心過(guò)濾，最后將濾餅凍干48h，就得到了碳基納米銅復(fù)合材料，充入氮?dú)夂竺芊獗４?。?dāng)此種材料與細(xì)菌相接觸時(shí)，破壞細(xì)胞的活力，使細(xì)胞死亡。

本發(fā)明提供了碳基納米銅復(fù)合材料的綠色制備方法。本發(fā)明的原材料為葡萄糖和氯化銅，廉價(jià)易得；碳化煅燒可以降低制備納米銅復(fù)合材料的成本，過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制且便于大批量生產(chǎn)，是一種高效、廉價(jià)、綠色的制備方法。本發(fā)明利用在碳化煅燒過(guò)程中葡萄糖和高溫碳還原銅鹽，使Cu²⁺被還原Cu原子，控制成核和結(jié)晶得到較純凈的納米銅復(fù)合材料。制備的負(fù)載型納米銅，既緩解了納米銅團(tuán)聚嚴(yán)重的問(wèn)題，提高了納米銅的分散性，又增加了材料的穩(wěn)定性，達(dá)到了持久抗菌的效果。本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本發(fā)明的碳基納米銅復(fù)合材料具有良好的抗菌活性，可以應(yīng)用于制作醫(yī)用抗菌器材和用品。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)的晶體結(jié)構(gòu)(XRD)圖。

圖2是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)的微觀形貌(TEM)圖(A為透射電鏡圖、B為納米銅粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖，C為高分辨透射電鏡圖)。

圖3是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)的元素形態(tài)(XPS)圖。

圖4是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)大腸桿菌的抑菌殺菌效果圖。

圖5是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)銅綠假單胞菌的抑菌殺菌效果圖。

圖6是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌殺菌效果圖。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)，除非另有說(shuō)明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義。

下面結(jié)合具體實(shí)施例并參照數(shù)據(jù)進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。應(yīng)理解，該實(shí)施例只是為了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

在以下實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過(guò)程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

下述實(shí)例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑獲得。

實(shí)施例1、碳基納米銅復(fù)合材料的制備

在小瓷方舟中加入3mL純凈水，分別稱取3g一水合葡萄糖和0.58g二水合氯化銅，加到瓷方舟中，輕輕攪拌使其溶解、混勻，并在烘箱中80℃條件下加熱24小時(shí)完成碳化，再將其放入管式爐中700℃高溫條件下煅燒6小時(shí)(氬氣保護(hù))，等溫度降至室溫后取出，在瑪瑙研缽中充分磨細(xì)，過(guò)篩(60目)，再分別用無(wú)氧乙醇、無(wú)氧去離子水洗滌6次，離心過(guò)濾，最后將濾餅凍干48h，得到葡萄糖和氯化銅的質(zhì)量比為5:1(以C/Cu計(jì))的碳基納米銅復(fù)合材料，回收率為99％，充入氮?dú)夂竺芊獗４妗?/p>

碳基納米銅復(fù)合材料為黑色無(wú)定形粉末。

碳基納米銅復(fù)合材料晶體結(jié)構(gòu)(XRD)分析數(shù)據(jù)如圖1所示。

XRD的測(cè)試結(jié)果表明：在掃描衍射角度(2θ)為10°-90°時(shí)，出現(xiàn)尖銳的衍射峰時(shí)所對(duì)應(yīng)的2θ分別為43.5°、50.7°和74.4°，對(duì)照銅的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片(JCPDF No.04-0836)與Cu的(111)、(200)和(220)晶面衍射峰對(duì)應(yīng)，這說(shuō)明所制備的樣品確為單質(zhì)銅。從圖1還可看出，XRD圖譜沒有出現(xiàn)雜質(zhì)和銅氧化物的衍射峰，說(shuō)明所制備樣品的純度較高。此外，在商品級(jí)納米銅材料上出現(xiàn)了氧化銅的衍射峰(35.5°)，而復(fù)合材料上所對(duì)應(yīng)的衍射峰相對(duì)較弱，這也說(shuō)明復(fù)合材料中的碳能較好地保護(hù)納米銅，避免其被氧化，從而提高碳基納米銅復(fù)合材料的穩(wěn)定性。

碳基納米銅復(fù)合材料的微觀形貌(TEM)分析數(shù)據(jù)如圖2所示，A為透射電鏡圖、B為納米銅粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖，C為高分辨透射電鏡圖)。

碳化煅燒法制備的碳基納米銅(C:Cu＝5:1)復(fù)合材料樣品的TEM測(cè)試結(jié)果表明：圖中清晰可見在透明的石墨碳負(fù)載上了大量的金屬銅，零價(jià)銅顆粒粒呈不規(guī)則的圓形，且分散性很好，沒有出現(xiàn)零價(jià)銅團(tuán)聚現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明銅顆粒粒徑在2-30nm范圍內(nèi)，平均為12.5nm。高分辨透射電子顯微圖中可以清晰地看到納米銅粒子的晶格條紋，經(jīng)測(cè)量銅的d(111)為0.2076nm。

碳基納米銅復(fù)合材料的元素形態(tài)(XPS)分析數(shù)據(jù)如圖3所示。

XPS可以表征材料表面納米零價(jià)鐵的化學(xué)價(jià)態(tài)，碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)的元素形態(tài)(XPS)顯示：復(fù)合材料上主要由銅、碳和氧組成，其中銅只以零價(jià)態(tài)形式存在，沒有氧化態(tài)。所合成的復(fù)合材料中的主要成分為C和Cu⁰，且通過(guò)XPS與ICP的銅含量分析推斷復(fù)合材料中銅和石墨碳片層是交替的，并且是銅嵌在中間，外層是石墨碳。

采用上述方法，調(diào)整葡萄糖和氯化銅的用量，可分別制得質(zhì)量比為1:1、2:1、10:1和15:1(以C/Cu計(jì))的碳基納米銅復(fù)合材料。

實(shí)施例2、本發(fā)明所述碳基納米銅復(fù)合材料的抗菌、抑菌活性

1)實(shí)驗(yàn)材料

儀器與試劑：37度恒溫細(xì)菌培養(yǎng)箱(福意聯(lián)FYL-YS-208L)；恒溫振蕩培養(yǎng)箱(恒立HNY-100C)；超凈工作臺(tái)(蘇凈安泰SW-CJ-1F)；營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(百思一基生物科技有限公司)；營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(百思一基生物科技有限公司)；

測(cè)試用細(xì)菌菌株：大腸桿菌(ATCC25922)、銅綠假單胞菌(ATCC27853)、金黃色葡萄球菌(ATCC25923)，購(gòu)于百思一基生物科技有限公司。

測(cè)試樣品：碳基納米銅復(fù)合材料。

2)實(shí)驗(yàn)方法

用營(yíng)養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基分別復(fù)蘇大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌。連續(xù)轉(zhuǎn)接2次后獲得新鮮菌液培養(yǎng)物。

實(shí)驗(yàn)樣品：本發(fā)明C/Cu質(zhì)量比為1:1、2:1、5:1、10:1和15:1的碳基納米銅復(fù)合材料。

(1)MIC值測(cè)試：首先采用稀釋法得到一系列濃度梯度的樣品與液體培養(yǎng)基的混合液，樣品濃度分別為60、45、30、22.5、15、11.25、7.5、5.625、3.75、2.8125μg/ml；然后用微量移液槍向各試管分別加入50μl菌懸液，然后加入培養(yǎng)基至終體積為1ml，振蕩均勻后放入恒溫培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)20h。取出觀察細(xì)菌生長(zhǎng)情況，先觀察對(duì)照管中細(xì)菌生長(zhǎng)情況(陽(yáng)性對(duì)照管中溶液渾濁，陰性對(duì)照管中溶液清澈)；然后觀察含有不同濃度樣品各試管中溶液的混濁度，溶液開始出現(xiàn)澄清的最低濃度確定為樣品的MIC值。

(2)MBC值測(cè)試：依次從樣品濃度高于MIC值(包括MIC濃度)的其余試管中各吸取100μl溶液分別滴到滅菌的瓊脂平板上，涂布均勻，在恒溫培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)20h。肉眼觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，菌落數(shù)＜5個(gè)或無(wú)菌落生長(zhǎng)的最低樣品濃度確定為樣品的MBC值。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算不同碳/銅質(zhì)量比的復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌的MIC值和MBC值，結(jié)果如表1所示。

表1.不同碳/銅質(zhì)量比的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明C:Cu＝5:1和10:1，特別是C:Cu＝5:1的碳基納米銅復(fù)合材料具有最佳的抑菌效果。

進(jìn)一步考察C:Cu＝5:1的碳基納米銅復(fù)合材料對(duì)銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌的抑菌殺菌效果。

用營(yíng)養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基分別復(fù)蘇大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌。連續(xù)轉(zhuǎn)接2次后獲得新鮮菌液培養(yǎng)物，用接種環(huán)沾取新鮮菌液培養(yǎng)物采用平板劃線法在營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上連續(xù)劃線，獲取單菌落。接種環(huán)挑取單菌落，接種于2ml營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基37℃過(guò)夜培養(yǎng)(24h)，用血球計(jì)數(shù)板分別配置濃度為1×10⁶CFU/ml的菌液，備用。

抑菌環(huán)試驗(yàn)：超級(jí)工作臺(tái)中，吸取150μl備用菌液，用玻棒在營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板表面均勻涂布。置室溫干燥后，用直徑為6mm的滅菌打孔器在在培養(yǎng)基表面打孔，往小孔內(nèi)注入0.06g碳基納米銅(C:Cu＝5:1)復(fù)合材料樣品，置37℃溫箱，孵育24h后，讀取結(jié)果，抑菌圈邊緣以肉眼見不到菌落明顯生長(zhǎng)為限，測(cè)量其抑菌圈的直徑。圖4是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)大腸桿菌的抑菌殺菌效果圖，圖5是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)銅綠假單胞菌的抑菌殺菌效果圖，圖6是本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌殺菌效果圖。根據(jù)抑菌環(huán)法測(cè)試結(jié)果，計(jì)算對(duì)大腸桿菌細(xì)菌、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈值、MIC值和MBC值，結(jié)果如表2所示。

表2.本發(fā)明碳基納米銅復(fù)合材料(C:Cu＝5:1)對(duì)不同細(xì)菌的抑菌、殺菌效果

結(jié)果表明，碳化煅燒法制備的碳基納米銅(C:Cu＝5:1)復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌均顯示出較強(qiáng)的抑菌、殺菌作用，可以作為抗菌的活性成分用于制作相關(guān)抗菌材料。