《武汉工程大学学报》  2016年3期 236-239   出版日期：2016-06-22   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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氧化锌纳米棒阵列涂层的制备及其抗菌性能研究


1　引　言近年来随着抗生素的滥用，导致各种耐药菌和超级细菌的蔓延，严重威胁着人类的身体健康［1］，因此各种抗菌材料（也称抗菌剂）成为人们研究的重点. 其中，无机抗菌剂由于其优良的安全性、耐久性、缓释性和化学稳定性，特别是无机抗菌剂不易使细菌产生耐药性，成为未来抗生素最有潜力的代替品［2］. 常见的无机抗菌剂包括纳米银、二氧化钛和氧化锌. 其中纳米银的抗菌作用报道最多［3］，但关于纳米银的细胞毒性问题使其在规模化生产和应用受到限制；二氧化钛是一种优良的无机半导体，在紫外光照射下表现出很强的抗菌效果，但在无光照的条件下抗菌活性受到抑制［4］；氧化锌具有良好的生物相容性和低的细胞毒性，已在精细化学品和医用方面广泛应用. 作为一种新型的无机抗菌剂，氧化锌具有抗菌持久、安全稳定和耐高温等优点［5-6］. 与二氧化钛相比，氧化锌在无光照条件下仍然具有较好的抗菌作用，因此氧化锌相比其他的抗菌剂具有更好的应用前景. 将氧化锌制成涂层，研究该涂层表面对细菌的抑制作用，对未来开发功能性抗菌涂层具有重要的意义. 一方面，氧化锌的抗菌活性与其形貌和尺寸有关，不同形貌下的氧化锌在抗菌活性上表现出较大的差异［7-8］. 另一方面，细菌会在一些特定形貌和润湿性的涂层表面具有较低的粘附特性，如纳米棒阵列涂层［9-10］，这些性质也会最终影响涂层表面粘附的细菌数量. 因此，本论文通过合成不同长径比的氧化锌纳米棒阵列，研究不同形貌的氧化锌涂层对表面粘附细菌的抑制作用，最终为设计和开发新型的氧化锌防污涂层提供有力的数据支撑. 2　实验部分2.1　实验试剂锌片（厚度为0.15 mm）、二水合醋酸锌、无水乙醇和无水甲醇，均购自国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠购于天津市大陆化学试剂厂. 以上试剂均为分析纯. 2.2　实验方法2.2.1　氧化锌纳米棒阵列涂层的制备　不同长径比的氧化锌纳米棒阵列涂层参照文献［11］的合成方法，制备过程如下：分别称取0.109 8 g二水合醋酸锌和0.2 g氢氧化钠，将它们分别溶于无水乙醇中，配制得到0.1 mol/L醋酸锌乙醇溶液和0.5 mol/L的氢氧化钠乙醇溶液，将两者分别超声10 min后混合，得到澄清均匀的溶液，再转移到容量为20 mL的聚四氟乙烯反应釜中，投入清洗干净的锌片后，然后置于150 oC烘箱中反应24 h. 反应结束后，取出锌片，用去离子水冲洗、干燥后得到样品S1. 其他条件不变，当把二水合醋酸锌溶于无水甲醇，氢氧化钠溶于无水乙醇中，得到样品S2；当把二水合醋酸锌和氢氧化钠均溶于无水甲醇中，得到样品S3. 2.2.2　抗菌实验　将革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus，CCTCC AB 9993）接种到琼脂培养基上，37 ℃恒温条件下培养24 h后，用接种环挑取琼脂板上的单菌落，置于PBS（pH为7.4）溶液中震荡使其分散均匀，然后用PBS溶液稀释菌液使其吸光值OD600 = 0.12，通过平板计数法可知，此时对应的菌液浓度约为108 CFU mL-1，再用PBS溶液稀释5倍，使其细菌浓度约为2×107 CFU mL-1. 将空白锌片和不同长径比的氧化锌纳米棒阵列涂层置于六孔板中，完全浸没在5 mL的金黄色葡萄球菌的菌液中，浸泡时间为12 h. 浸泡结束后，取出样品用PBS溶液冲洗2~3遍，再滴加2滴Live/Dead细胞活性荧光试剂（Invitrogen， Molecular Probes， USA），置于4 ℃下暗室存放15 min，取出后再次用PBS溶液冲洗2次，然后置于常温下自然干燥. 使用Leica DMI 3000B型荧光显微镜（λex = 450~490 nm/λem=515 nm）观察涂层表面粘附的金黄色葡萄球菌，绿色表示活细菌，红色表示死细菌，荧光图像均是在200×拍摄的，每个样品至少拍摄5个不同的点，图像的荧光强度由图像分析软件Image-Pro Plus进行定量分析. 2.2.3　ZnO涂层的表征　采用德国布鲁克公司D8型XRD测量仪（Cu K= 0.154 06 nm）对氧化锌涂层的化学成分进行分析，扫描范围为10°到80°，扫描速率为2 （°）/min. 采用日本Hitachi公司S4800型扫描电子显微镜对氧化锌涂层的表面形貌和尺寸大小进行观察，加速电压为3 kV. 采用德国Dataphysics的OCA 20型接触角测量仪，水滴的体积3 mL，在样品上面至少停留10 s以达到稳定状态，再测量样品的静态水接触角，实验结果为5次实验的平均值. 3　结果与讨论3.1　氧化锌涂层的表征3.1.1　氧化锌涂层的组成　通过X射线粉末衍射（XRD）对水热法制备的氧化锌（ZnO）涂层成分进行了分析，如图1所示，将样品S1与氧化锌标准谱图JCPDS 75~576以及锌的标准谱图JCPDS 87~713进行对照，并用不同的符号对样品出现的峰进行标记，其中符号○代表锌的衍射峰，符号◇代表ZnO的衍射峰. 结果表明，样品S1出现了底材锌片的衍射峰和ZnO的特征衍射峰，且没有其他杂峰出现，说明所制备的样品S1在锌片上得到了结晶性较好，纯度较高的ZnO. 3.1.2　氧化锌涂层的形貌　图2分别是样品S1、S2和S3的SEM图，从图中可知，3个样品表面都分布了大量致密的阵列纳米棒结构，形貌较为均一. 从图2（a），（b）可以看出，样品S1的纳米棒短而粗，直径在50～100 nm，长径比约为4∶1；从图2（c），（d）可以看到，样品S2的纳米棒直径和S1差别不大，但是纳米棒的长径比相对S1较大，约为7∶1；从图2（e），（f）可以看到，样品S3的纳米棒细而长，直径在30～50 nm，长径比大于10∶1. 上述结果说明，所制备的样品S1、S2和S3的纳米棒长径比是逐渐增加的. 3.1.3　氧化锌涂层的润湿性　图3是空白锌片和氧化锌涂层的静态水接触角，从图中可以看出，空白锌片的静态水接触角较大，达到了102.3°，为疏水表面，而样品S1、S2和S3的水接触角分别为10.1°、8.2°和6.9°，为超亲水表面. 随着氧化锌纳米棒的长径比增大，涂层表面的静态水接触角逐渐减小. 由此可见，纳米棒的长径比会改变涂层表面的润湿性，长径比越大，亲水性越强，这一结果与前人报道是一致的［12］. 3.2　氧化锌涂层的抗菌性能研究当样品在金黄色葡萄球菌菌液中的浸泡12 h以后，如图4所示，空白锌片上面粘附了大量的活细菌，而氧化锌纳米棒阵列涂层表面则出现了明显的死细菌，说明氧化锌涂层表现出较好的杀菌性能. 比较样品S1、S2和S3的荧光图，随着纳米棒的长径比增加，涂层表面的死细菌逐渐增多，通过荧光强度统计结果（图5）进一步发现，氧化锌涂层表面的活细菌数量S1﹥S2﹥S3，而死细菌数量S1﹤S2﹤S3. 分析其中可能的原因是，当样品在菌液中浸泡时，氧化锌会缓慢释放出锌离子，通过锌离子对细菌作用从而破坏细胞导致细菌死亡. 当纳米棒的长径比增加时，其亲水性增强导致锌离子更容易在表面扩散，同时纳米棒直径减小也有利于加快锌离子的释放速度，最终使得样品的抗菌活性提高. 4　结　语通过水热法在锌片表面成功制备了3种不同长径比的氧化锌纳米棒阵列涂层，实验结果表明，氧化锌纳米棒阵列涂层表现出优异的亲水性，并且对金黄色葡萄球菌具有较好的抗菌效果. 随着氧化锌纳米棒的长径比逐渐增加，涂层表面的亲水性增强，对金黄色葡萄球菌的杀菌作用也逐渐增强. 这一结果为今后设计氧化锌抗菌涂层提供了理论依据和数据支撑. 参考文献：