生物材料论文

1 1 目的与意义

TiO2是一种良好的半导体光催化材料，它以光催化效率高、无二次污染、使用范围广、无毒无害、价格低廉等特点，在光催化领域受到了广泛的关注与研究[1-5]。但其光生电子-空穴易复合，粒子易团聚，不利于光催化反应持久稳定地进行，研究者通过掺杂与负载两种方法来提高其光催化活性[5-10]。

银是一种良好的杀菌剂，通常高价银离子的杀菌效果比较好[11-12]，最新的研究报道指出，纳米单质银粒子拥有比高价银离子更好的杀菌性能，银粒子还可以作为杂质而被引入到 TiO2粒子中，来提高催化剂的催化活性[12-15]。碳纳米管拥有多层管壁和纳米级管腔结构，有较大的比表面积、较高的表面结合能、良好的导电性、较好的化学稳定性以及高机械强度，是一种良好的催化剂载体材料。采用碳纳米管对 TiO2进行负载改性处理，可以提高其分散性，从而进一步提高催化活性。

2 银纳米粉体的制备与表征[16]

2.1实验参数的选择

通常只要具有微弱的还原性即可将银离子还原，因而采用化学还原法制备纳米银粉，可选用的还原剂有很多。常用的还原剂有NaBH4, H202、柠檬酸钠、抗坏血酸((VC)、水合脐、葡萄糖等。在一定条件下，随还原剂还原能力的降低，银颗粒的成核、长大速度降低，所获得纳米粒子的尺寸减小。如果还原能力过低，则反应十分缓慢，成核过程变的困难，反应的进行主要靠颗粒的长大来完成，颗粒粒径增大。由于葡萄糖在酸性和中性条件下还原能力较弱，与银离子的反应十分缓慢，不利于获得细小的颗粒。但是提高溶液的pH值和温度，可以提高葡萄糖的还原能力，从而可以通过调整pH值和温度的方式来获得适中的还原能力以制备纳米银粉。本实验采用葡萄糖为还原剂以制备纳米银粉，并采用升高溶液的pH值和反应温度来改善葡萄糖的还原能力。

为了保证银离子完全被还原，还原剂的用量应保持适当过量，本实验采用葡萄糖与银离子的摩尔比为2:1。

为了获得分散性良好的纳米粒子，通常会在颗粒的制备过程中加入分散剂对颗粒进行保护以阻止其长大和团聚。常用的分散剂主要为一些表面活性剂，包括CTAB, DBS,

SDS等等。这些物质通常一端为亲水基一端为疏水基，反应后其亲水基与银发生作用，附着于银颗粒上，外端为疏水基(如图2.1A)。

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图2.1分散剂(A:表面活性剂，B: PVP)与银颗粒作用示意图

这种结构由于其外部为疏水基团，因而包覆表面活性剂的颗粒易分散于有机溶剂。为了获得在水中具有良好分散性的纳米颗粒，需要外部为亲水基团的分散剂。此类物质多为具有极性基团的各种有机单体的聚合体，如聚乙烯毗咯烷酮(PVP),聚乙二醇(PVA) ,聚丙烯酸(PAA)等。在这些聚合体中，PVP在水中具有较好的溶解性，因而在水溶性纳米颗粒的制备中获得了广泛的应用。本研究亦采用PVP作为分散剂来保护纳米颗粒。

2.2实验原料

硝酸银(Ab1 ` 03)(湖北鑫银公司)、葡萄糖((c6W 206)(中国医药集团上海化学试剂公司)、氢氧化钠(NaOH)(天津化学试剂厂)、聚乙烯砒咯院酮(PVP)(中国医药集团上海化学试剂公司)。所采用试剂均为分析纯。

2.3纳米银粉的制备

制备纳米银粉的工艺路线如图2.2所示，所制备银溶胶为含固体颗粒3.6*105ppm的灰褐色胶体，最终获得的银纳米颗粒为黑褐色固体。

图2.2制各纳米银粉的工艺路线

3 2.4制备工艺对纳米银粉形貌及结构的影响

2.4.1反应温度对颗粒大小的影响

在碱性条件下，葡萄糖与硝酸银的反应在室温下(15℃)即可进行，但反应速度十分缓慢，且易在液面上发生团聚，生成光亮的银片，不利于获得细小的银纳米粉体。升高温度有利于反应的快速进行，增加银颗粒的形核速度，从而降低颗粒的粒径。

2.4.2硝酸银溶液加入方式对纳米银颗粒团聚及结构的影响。

反应溶液混合后，所生成的颗粒需要一定时间、在溶液中进行扩散，而分散剂也需要时间来扩散到颗粒表面生成保护膜。如果滴加速度太快，新颗粒在已生成颗粒附近产生，它们很容易发生碰撞、团聚，从而生成大的团聚颗粒。

2.4.3pH值对颗粒形貌的影响

由于反应后胶体中的固体颗粒会影响pH值测量的准确性，因而本文为了考察pH值对纳米银溶胶及颗粒的影响，采用了固定硝酸银溶液的浓度及用量，调节还原剂溶液pH值的方法。另外，由于制备高浓度溶胶需要加入大量NaOH, pH值不易控制，因而关于pH值对颗粒及溶胶的影响采用了低浓度样品(3.6x102ppm)进行分析。

将还原剂溶液的pH值分别调整为6.0, 6.2, 6.5, 7, 8, 9, 10, 11, 12后，600C水浴并剧烈搅拌，以每秒1滴的速度分别滴入定量的硝酸银溶液，滴加完成后继续搅拌10min取样测量其UV-V IS光谱，并进行TEM观察。

图2.3不同pH值下制得样品的TEM照片及粒度分布图

2.4.4 PVP对溶胶稳定性的影响

4 PVP的加入能够有效的提高溶胶的稳定性。但是实验中发现，如果PVP加入量过大，所获得的体系为凝胶状，这是因为长链的PVP相互缠结而造成的[76]。因而PVP的加入量不能无限制的增加，本文考查了PVP加入量对溶胶稳定性的影响，结果见图2.18。可以看出，当PVP与硝酸银质量比在1.2~1.3之间时，溶胶的稳定性较好。如果加入量过少，其对颗粒的保护不完全，但是如果加入量过多，由于PVP长链之间的缠结造成颗粒之间的软团聚，降低了胶体的稳定性。

3 检测指标[17]

3.1添加载银纳米Ti02硅橡胶杭菌性能(浸渍培养法)

用接种环从培养基中取少量金黄色葡萄球菌，加入无菌生理盐水中，制成含菌浓度为1×105 CFU/mL的菌液。采用浸渍培养法测定添加载银纳米Ti02后硅橡胶的抗菌性能，将样品浸泡在5 mL菌液中，空白对照组采用不加任何样品的菌液;阳性对照组菌液中含载银纳米Ti02粉末。在(37士1)℃培养5-8 h后，各组取20μL菌液接种于血琼脂培养基上，在(37士1)℃培养48 h后，进行菌落计数。以上试验设置3组平行组，结果取平均值。将测定的菌落数按卜式计算抗细菌率:

r=(b-c)/b ×100%

式中:r为抗细菌率，%; b为空白对照平均菌落数;c为添加抗菌剂的样品平均菌落数。

3.2添加载银纳米Ti02硅橡胶细胞毒性实验

根据抗菌实验结果，采用含0%和2% Ti02的样品进行细胞毒性(MTT法)实验。

将Ti02含量为0%与2.0%的样品按表而积与浸提介质体积比(S/V)为1 cm2/mL浸泡于含10%小牛血清的RPMI1640培养基中，在培养箱中浸提72 h，收集浸提液并于4℃保存。

将L929细胞按5 000个/孔接种于96孔细胞培养板，培养1d。分别设材料组、阴性对照组和阳性对照组进行实验，材料组采用100% ，50%和10%浓度的材料浸提液;阴性对照组为含10%小牛血清的新鲜RPMI1640培养基;阳性对照组为0.064%苯酚溶液。

每组设6个复孔进行实验。弃原培养液，分别加入200μL上述实验组培养液，在37℃，5% CO2环境中继续培养3d。采用MTT法用酶联免疫检测仪在波长为490 nm处测量各孔的光密度OD490，并进行统计学分析。

3.3添加载银纳米Ti02硅橡胶对成纤维细胞私附功能的影响

调整细胞浓度为1.5×104个/mL，用加样器取2mL细胞悬液分别接种于含0%与2.0%

5 Ti02的样品的24孔培养板内，每样木设5复孔，然后于5% CO2,饱和湿度、37℃恒温培养箱内培养48 h,最后，用2.5%戊二醛固定，将硅橡胶样品置于环境扫描电子显微镜下检测成纤维细胞在含0%和2.0%Ti02的样品表而的孰附形态。

3.4抗菌性能测试[12]

以表皮葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌4种具有代表性的细菌为实验菌种，测试不同Ag含量的Ag/TiO2纳米复合材料的抗菌性能，其抗菌测试结果见图3.1和表1。

从图3.1可以看出，Ag/TiO2纳米复合材料具有抗菌性，在样品周围的细菌不能生长，从而形成透明状抑菌圈。对图3.1所示抑菌圈的直径进行测量，结果见表3.1。

图3.1 Ag /Ti02纳米复合材料的抗菌实验照片

表3.1 溅射不同Ag含量的Ag/TiO2纳米复合材料的抗菌性能结果

4 应用[17]

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硅橡胶材料生物相容性好，是常用的假体植入材料，是上领骨切除术后早期修复的首选材料，但硅橡胶表而细菌和真菌易附着，口腔感染机会增加，不利于伤口的愈合。有学者提出在硅橡胶中添加抗真菌药及表而处理来改善硅橡胶的抗菌性能，如:Mark等将克霉哩和置霉菌素加入硅橡胶中，发现有抗菌效果;Osterhof等经研究发现:采用硅橡胶表而涂覆季馁硅

烷涂层的方法能提高材料表而的抑菌性能，但作用效果短暂，不宜临床推广应用。纳米无机抗菌剂是利用纳米技术将无机抗菌剂制备成纳米微粒抗菌剂，具有极大的比表而积，提高了与细菌的亲和力，具有高安全性、长效性、无耐药性、广谱性等优点。木研究所采用的载银纳米TiO2:综合了银离子与纳米TiO2抗菌性能的优点:实现银的缓释，延长杀菌功效，安全、持久、无耐药性，能与高分子材料进行均匀混合。其抗菌机制可能是:银沉积到纳米TiO2:表而，一方而，有效防止 TiO2:光催化时电子一空穴对的复合，从而促进了TiO2的光催化活性;另一方而，银离子既可与菌体中酶蛋白中的琉基结合，代谢关键酶失活，致使

细菌不能代谢而死亡，银离子也可与致病菌DNA碱基结合并形成交叉链接，置换嘿吟和中相邻氮之间的氢键，使DNA变性而不能复制，导致致病菌失活。

5 结论[18]

1)溶胶一凝胶法制备的复合材料在450℃下锻烧，可以获得二氧化钦的晶型为锐钦矿型的复合物。

2 ) Ag-Ti02/CNTs复合材料有很好的光催化性能以及显著的杀菌性能，碳纳米管的含量对复合材料的催化杀菌性能有很大的影响。

3)掺CNTs量1%的复合材料有最强的光催化能力，紫外光照射150min，降解率达到76.5 % ;掺CNTs量为10%的复合材料有最好的杀菌性能，抑菌圈直径达到25.8mm。含碳纳米管的量与复合材料的催化杀菌性能不是简单的正比关系，说明复合材料的性能不是各种物质性能简单的加和，而是一种协同关系。

4)复合材料对大肠杆菌和枯草芽抱杆菌有相似的杀菌能力，大肠杆菌为革兰氏阴性菌，枯草芽抱杆菌为革兰氏阳性菌，说明复合材料对细胞壁以脂类物质为主的细菌和细胞壁以肤聚糖为主的细菌有较好的杀菌性。