纳米银复合涂层对空间下行微生物杀菌性能的研究进展

2016-12-09 中国腐蚀与防护网 信息与电子前沿

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1 引言

美国、苏联/俄罗斯以及中国的航天实践表明：载人航天器密闭环境条件下容易滋生细菌，这些微生物能在密闭舱室内的金属或合金材料器件、高分子复合材料、无机非金属等电路板和仪表盘以及航天服等材料上形成微生物膜，它们的生长繁殖和代谢会腐蚀这些材料，严重威胁空间站安全，缩短空间站的使用寿命，且易于产生损害航天员的身体健康，造成设备故障等问题。因此，开展抗腐蚀杀菌材料研究，无论是对于微生物源的控制，还是在轨运行过程中的检测防护都具有重要意义。

对神舟系列飞行任务的飞船表面进行了微生物的采集和分离纯化，得到了多株腐蚀菌。对这些下行菌和搭载菌进行腐蚀规律研究发现，少动鞘氨醇单胞菌（ Sphingomonas paucimobilisH1）对测试的近十种空间材料如高分子材料、金属等均具有严重的腐蚀行为。因此，须针对材料进行改性、涂层处理以提高对空间微生物，特别是对少动鞘氨醇单胞菌的防腐抗菌能力。

含氟高分子是分子结构中含有一定比例氟碳单元的高分子聚合物，由于F-C 键十分稳定，其键能远大于其同族的C-Cl 及C-Br 键，也比C-H 键要强，这使得含氟聚合物在耐候性、耐化学药品性、憎水性、憎油性及耐沾污性等方面，具有其他涂料无法比拟的优势，因此选用含氟高分子作为金属表面的防腐蚀涂层。除此之外，纳米银抗菌效果良好、抗菌效果范围广且安全无毒，已经在食品卫生、环境保护等领域得到广泛应用。因此提出在含氟高分子涂层中引入纳米银，形成纳米银复合涂层材料，以增强材料的防腐杀菌的功能。

2 材料制备及测试方法

2. 1 材料制备

2. 1. 1 培养基的制备

牛肉膏蛋白胨液体细菌培养基：牛肉膏3 g（ 0. 3%），蛋白胨10 g（ 1%），NaCl 5 g（ 0. 5%），去离子水1 L，pH 7. 0 ～ 7. 2。

牛肉膏蛋白胨固体细菌培养基： 1 L 的牛肉膏蛋白胨液体细菌培养基中加入15 g 琼脂配制而成。

2. 1. 2 菌悬液制备

液体培养基：将已灭菌的液体培养基倾入约50 mL 至灭菌的三角瓶（ 150 mL）中。用经火焰灭菌后的接种环从平板培养上挑取活化菌种的一个菌落，于液体培养基中靠壁划线，在30 ℃，220 r /min 下摇床培养24 h。

菌悬液：取活化菌培养液40 mL 至50 mL 离心管中，编号，离心，去掉上清液。将底部菌团溶于生理盐水（ 0. 8% NaCl）中，配制为混合菌悬液。OD600 分别为1. 0、0. 8。

2. 1. 3 氯化三苯基四氮唑（ TTC）显色溶液制备

需要用到3 种溶液，具体如下： 1） TTC 溶液，浓度为1 g /L 的100 mL; 2）葡萄糖溶液，浓度为0. 1 mol /L的100 mL; 3） Tris（三羟甲基氨基甲烷） -HCl 缓冲溶液，先配制好0. 1 mol /L 的Tris 溶液和0. 1 mol /L的HCl 溶液，再取50 mL 的Tris 溶液（ 0. 1 mol /L）与14. 7 mL 的HCl 溶液（ 0. 1 mol /L）混合，装入100 mL 容量瓶中定容，最终浓度为0. 05 mol /L， pH 为8. 5。

2. 1. 4 纳米银复合材料的制备

精确称取一定量的纳米银和含氟高分子（氟碳漆）前聚体，在烧杯中剧烈搅拌1 h，使纳米银与高分子混合充分。之后加入10% （质量比）的交联剂，搅拌10 min。将烧杯放入真空干燥箱20 min以除去体系的气泡，取出，将纳米银/高分子混合液涂于金属表面，置于45 ℃干燥箱中，放置一天后，得到金属表面的纳米涂层；也可将混合液涂于玻璃表面，以相同的处理方式得到含银纳米复合材料，因复合材料与玻璃的粘附力比较弱，可以将材料从玻璃上剥离下来，得到自支撑的膜，用于杀菌实验的研究。

2. 2 测试方法

2. 2. 1 材料结构测试

对纳米银复合材料进行广角X 射线衍射（ WAXD ）测试，所用仪器是Bruker GADDSD8discover，扫描范围35°到85°。

2. 2. 2 纳米银复合材料的杀菌性能测试

选择TTC 显色法进行杀菌性能的测试。其显色机理是： TTC 可以通过细胞壁和细胞膜被活菌摄取，活菌新陈代谢时，脱氢酶作用于营养物质，使其氧化脱氢，TTC 可作为还原氢的受体，被还原为红色的1，3，5-三苯甲臢（ TF），TF 不溶于水，但能溶于甲苯等有机溶剂，所以可用甲苯等有机溶剂将生成的TF 萃取出来，萃取出来的TF 越多，颜色越深，从而可以推断体系中的活菌数量越多，颜色越浅，表明杀菌效果越好。该方法与传统检测方法相比，具有操作简单，耗时短，现象明显等优点。

加入4 mL 培养24 小时的大肠杆菌菌液（用分光光度计测得其光密度OD 值为0. 8，测试条件为600 nm，水为参比），然后再分别加入涂层4 g，再加入4 mL 超纯水。摇匀，放入37 ℃恒温水浴锅内恒温反应48 小时，反应后加入2 mL 葡萄糖溶液（ 0. 1 mol /L），2 mL TTC 溶液（ 1 g /L），2 mLTris-HCl 缓冲溶液（ 0. 05 mol /L，pH = 8. 5）观察颜色变化。

2. 2. 3 微生物形貌表征

用QUANTA FEG250 FEI 扫描电子显微镜（ SEM）观察杀菌前后微生物的形貌变化。将抗菌杀菌测试前后的材料经过固定、脱水、干燥、喷金操作后，进行SEM 观察。

3 结果与讨论

3. 1 纳米银复合材料表征结果

选取商品化的纳米银（粒径在30 ～ 50 nm 之间），通过“先预混后交联”的方式，将纳米银引入到高分子基体当中。从图1（ a）可以看到，纳米粒子在高分子基体中得到了良好的分散，得到的复合材料是透明的。这为后续的研究和使用奠定了基础。将纳米银复合材料涂覆在金属样品表面，形成了金属的保护膜，这为金属的防腐抗菌提供了保障，如图1 （ b）、（ c）。涂层在金属表面的附着非常牢固，除了利用刷涂的方式外，含氟高分子材料的前聚体的粘度比较低，可以利用喷枪进行施工，提高了材料的使用便利性。

广角X-射线衍射实验（结果如图2 ）表明：纳米银在复合涂层材料中的晶型保持不变，晶型是cubic 晶体结构；对于不同纳米银含量的复合材料，纳米银的特征峰（ 2θ = 37. 9°）强度随着纳米银含量的增加而逐渐增强；纳米银成功与涂层材料复合，并且含量越高，衍射峰强度越大。

3. 2 纳米银复合涂层材料杀菌性能测试结果与讨论

选取少动鞘氨醇单胞菌H1 作为研究对象，测试制备的纳米银复合材料的杀菌性能。将不同纳米银含量的复合材料加入到微生物溶液中。利用TTC 显色法快速检测杀菌效果。

未加任何高分子材料的空白组，其甲苯萃取溶液的颜色为深红色，表明溶液中少动鞘氨醇单胞菌的活性非常好，顺利将TTC 转换成红色的TF。加入不含纳米银的高分子作为对照组，材料尽管没有杀菌性能，但对少动鞘氨醇单胞菌具有一定的粘附作用，使溶液少动鞘氨醇单胞菌浓度有所下降，从而使TTC 转换的TF 量有所减少，甲苯萃取液的颜色略有变浅。当加入纳米银含量为0. 25%的复合材料时，材料中的银离子迁移到细菌培养液中，对少动鞘氨醇单胞菌具有杀菌作用，甲苯萃取液的颜色变浅。表明纳米银复合材料起到了一定的杀菌功能。提高纳米银的含量，把纳米银含量为0. 51% 的复合材料加入到少动鞘氨醇单胞菌的菌液中，其他条件不变，得到的TF 萃取液颜色进一步变浅，进一步提高纳米银的含量至0. 73%，复合材料对少动鞘氨醇单胞菌的杀菌能力得到充分体现，银离子从复合材料中渗透到溶液中，杀死了大部分的鞘氨醇单胞菌，从而抑制了TTC 向TF 的转变，TF 的甲苯萃取溶液的浓度非常低，几乎观察不到溶液的颜色，如图3 所示，表明纳米银含量的提高，对少动鞘氨醇单胞菌的杀菌效果得到提高。

从上述结果可以看出，纳米银复合涂层材料对少动鞘氨醇单胞菌具有优良的杀菌性能，通过TTC 检色法迅速的检验出其杀菌性能。如图3 所示，随着材料中纳米银的含量增加，TF 溶液的颜色逐渐变浅，直至无色，表明复合材料对少动鞘氨醇单胞菌的杀菌能力逐渐增强。

3. 3 涂层材料表面微生物形貌变化分析

利用扫描电子显微镜可以对杀菌前后的细菌形态进行观察。如图4 所示，在不含纳米银的材料表面可以看到完整的少动鞘氨醇单胞菌，细菌颗粒饱满，有立体感，说明都是正常菌。而纳米银改性处理的材料表面粘附的细菌数量极少，并且细菌形状发生变化，说明纳米银复合材料起到了良好的杀菌效果，由于含氟高分子本身具有低黏附力，细菌死亡后难以在材料表面附着，因此纳米银含量为0. 51%，0. 73% 的材料表面没有发现细菌的存留。对比图4-c、d，少动鞘氨醇单胞菌在金属材料铜片和铝片的扫描电镜图片，大量细菌生存在金属表面，必定会渐渐腐蚀材料。

4 结论

目前关于纳米银的杀菌机理还没有定论，可能是银离子从材料内部扩散到表面，与细菌中的巯基酶结合，使酶失去活性，从而起到杀菌的作用；也可能是溶液中的银离子进入细菌，与体内的DNA 结合，从而抑制了细菌的生长与繁殖。总体来说，纳米银复合材料对人体毒副作用小，使用方便，对空间下行菌的杀菌能力强，是一类优异的防腐抗菌材料。

本文针对空间下行微生物少动鞘氨醇单胞菌对金属等空间材料的腐蚀问题，提出了纳米银复合含氟高分子涂层进行防护杀菌的策略，利用TTC 显色法测试其杀菌能力。研究发现，纳米银复合含氟高分子涂层对少动鞘氨醇单胞菌具有优异的杀菌能力，且随着纳米银含量的提高，杀菌能力逐渐提高，这对于空间金属材料的防护具有重要意义。

（作者：随欣,杨宇,秦利锋,杨军,高龙成,吴志强,谢琼,马玉飞,刘长庭来源：仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室,北京航空航天大学化学与环境学院,中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室,解放军总医院南楼呼吸科）