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

背景技術：

自然界中的有害細菌、真菌等病原微生物在我們的日常生活中無處不在。近年來，由病原微生物引起的全球性傳染病對人類健康造成了嚴重威脅。醫(yī)用抗菌材料通過阻隔病原微生物、將其抑制或殺滅，從而有效降低機體得病的風險。因此，研發(fā)綠色環(huán)保、無危害的醫(yī)用抗菌材料和制品具有十分重要的意義，受到人們越來越多的關注。

納米抗菌材料通常具有廣譜抗菌性、無毒或低毒性、穩(wěn)定性和長效性，目前已報道的具有抗菌活性的納米無機材料主要有納米銀、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，破壞微生物細胞膜，進而起到抑制或殺滅細菌的作用。但是納米銅粒子的表面能高，極易團聚，而其在空氣中又易被氧化，從而導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和使用帶來很大困難。

中國專利文獻CN102499260A公開了一種具有銅/碳-核/殼結構的銅納米材料在抗菌方面的應用，以植物纖維為模板，金屬銅離子為原料，通過加溫碳化還原方法制備而成。這種核/殼結構的銅碳納米材料一般為球型，團聚明顯，顆粒大，抗菌效果有限。目前實驗室和工業(yè)上制備負載型銅納米材料最常用的方法是液相化學還原法，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，控制成核和結晶過程得到納米銅。此方法制備的納米銅表面能高使其易被氧化或團聚，需要選擇一些表面活性劑、聚合物、羧酸及其衍生物等對其進行表面修飾，防止銅在空氣中被氧化。由于需要使用水合肼、硼氫化鈉等有毒價高的還原劑，并且往往還需要對其進行表面修飾，因此液相化學還原法不適合工業(yè)化生產(chǎn)。中國專利文獻CN103203464A公開了一種制備碳材料/納米銅粉復合材料的方法，屬于填料合成領域，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，然后將混合體系過濾以除去其中大部分的水，再將過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水乙醇將所得粉末清洗并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到碳材料/納米銅粉復合材料，該復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使碳材料/納米銅雜化，影響使用效果。

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

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明具體技術方案如下：

一種碳基納米銅復合材料的制備方法，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，得到碳基納米銅復合材料。

上述步驟(1)葡萄糖和氯化銅的質量比為20:1～1:1(以C/Cu計)，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℃，加熱時間6～48小時，優(yōu)選80℃條件下加熱24小時。

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

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

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銅離子還原為一價銅。

本發(fā)明所述制備方法的步驟(2)為煅燒階段，在高溫氮氣保護條件下，葡萄糖碳化后的碳可以繼續(xù)還原一價銅，生成單質銅晶體，并鑲嵌在碳層之間。

本發(fā)明所述制備方法的一個具體技術方案如下：

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小時完成碳化，再將其放入管式爐中700℃高溫條件下煅燒6小時(氬氣保護)，等溫度降至室溫后取出，在瑪瑙研缽中充分磨細，過篩(60目)，再分別用無氧乙醇、無氧去離子水洗滌6次，離心過濾，最后將濾餅凍干48h，就得到了碳基納米銅復合材料，充入氮氣后密封保存。當此種材料與細菌相接觸時，破壞細胞的活力，使細胞死亡。

本發(fā)明提供了碳基納米銅復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，廉價易得；碳化煅燒可以降低制備納米銅復合材料的成本，過程相對簡單，易于控制且便于大批量生產(chǎn)，是一種高效、廉價、綠色的制備方法。本發(fā)明利用在碳化煅燒過程中葡萄糖和高溫碳還原銅鹽，使Cu²⁺被還原Cu原子，控制成核和結晶得到較純凈的納米銅復合材料。制備的負載型納米銅，既緩解了納米銅團聚嚴重的問題，提高了納米銅的分散性，又增加了材料的穩(wěn)定性，達到了持久抗菌的效果。本發(fā)明通過實驗證實，本發(fā)明的碳基納米銅復合材料具有良好的抗菌活性，可以應用于制作醫(yī)用抗菌器材和用品。

附圖說明

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

圖2是本發(fā)明碳基納米銅復合材料(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)計圖，C為高分辨透射電鏡圖)。

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

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

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

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

具體實施方式

在本發(fā)明中所使用的術語，除非另有說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義。

下面結合具體實施例并參照數(shù)據(jù)進一步詳細描述本發(fā)明。應理解，該實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

在以下實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。

下面結合具體實施例對本發(fā)明進一步說明。

下述實例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。

實施例1、碳基納米銅復合材料的制備

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小時完成碳化，再將其放入管式爐中700℃高溫條件下煅燒6小時(氬氣保護)，等溫度降至室溫后取出，在瑪瑙研缽中充分磨細，過篩(60目)，再分別用無氧乙醇、無氧去離子水洗滌6次，離心過濾，最后將濾餅凍干48h，得到葡萄糖和氯化銅的質量比為5:1(以C/Cu計)的碳基納米銅復合材料，回收率為99％，充入氮氣后密封保存。

碳基納米銅復合材料為黑色無定形粉末。

碳基納米銅復合材料晶體結構(XRD)分析數(shù)據(jù)如圖1所示。

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

碳基納米銅復合材料的微觀形貌(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)復合材料樣品的TEM測試結果表明：圖中清晰可見在透明的石墨碳負載上了大量的金屬銅，零價銅顆粒粒呈不規(guī)則的圓形，且分散性很好，沒有出現(xiàn)零價銅團聚現(xiàn)象。統(tǒng)計結果表明銅顆粒粒徑在2-30nm范圍內，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)測量銅的d(111)為0.2076nm。

碳基納米銅復合材料的元素形態(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鐵的化學價態(tài)，碳基納米銅復合材料(C:Cu＝5:1)的元素形態(tài)(XPS)顯示：復合材料上主要由銅、碳和氧組成，其中銅只以零價態(tài)形式存在，沒有氧化態(tài)。所合成的復合材料中的主要成分為C和Cu⁰，且通過XPS與ICP的銅含量分析推斷復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，調整葡萄糖和氯化銅的用量，可分別制得質量比為1:1、2:1、10:1和15:1(以C/Cu計)的碳基納米銅復合材料。

實施例2、本發(fā)明所述碳基納米銅復合材料的抗菌、抑菌活性

1)實驗材料

儀器與試劑：37度恒溫細菌培養(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(蘇凈安泰SW-CJ-1F)；營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(百思一基生物科技有限公司)；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(百思一基生物科技有限公司)；

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

測試樣品：碳基納米銅復合材料。

2)實驗方法

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

實驗樣品：本發(fā)明C/Cu質量比為1:1、2:1、5:1、10:1和15:1的碳基納米銅復合材料。

(1)MIC值測試：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。取出觀察細菌生長情況，先觀察對照管中細菌生長情況(陽性對照管中溶液渾濁，陰性對照管中溶液清澈)；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。肉眼觀察實驗結果，菌落數(shù)＜5個或無菌落生長的最低樣品濃度確定為樣品的MBC值。

(3)實驗結果

計算不同碳/銅質量比的復合材料對大腸桿菌的MIC值和MBC值，結果如表1所示。

表1.不同碳/銅質量比的復合材料實驗結果

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

進一步考察C:Cu＝5:1的碳基納米銅復合材料對銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌的抑菌殺菌效果。

用營養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基分別復蘇大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌。連續(xù)轉接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營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基37℃過夜培養(yǎng)(24h)，用血球計數(shù)板分別配置濃度為1×10⁶CFU/ml的菌液，備用。

抑菌環(huán)試驗：超級工作臺中，吸取150μl備用菌液，用玻棒在營養(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，往小孔內注入0.06g碳基納米銅(C:Cu＝5:1)復合材料樣品，置37℃溫箱，孵育24h后，讀取結果，抑菌圈邊緣以肉眼見不到菌落明顯生長為限，測量其抑菌圈的直徑。圖4是本發(fā)明碳基納米銅復合材料(C:Cu＝5:1)對大腸桿菌的抑菌殺菌效果圖，圖5是本發(fā)明碳基納米銅復合材料(C:Cu＝5:1)對銅綠假單胞菌的抑菌殺菌效果圖，圖6是本發(fā)明碳基納米銅復合材料(C:Cu＝5:1)對金黃色葡萄球菌的抑菌殺菌效果圖。根據(jù)抑菌環(huán)法測試結果，計算對大腸桿菌細菌、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈值、MIC值和MBC值，結果如表2所示。

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

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