稀有金属 2002,(05),401-404 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.05.019
含银无机抗菌剂的研制和抗菌性能初探
王向东 曾光远 焦秀娟 彭少方
四川大学化学工程系 ,四川大学环境工程系,四川大学化学工程系 ,四川大学化学工程系 ,四川大学化学工程系 四川成都610065
摘 要：
采用不同工艺制备了载银磷酸钙和载银碳酸钙粉末 , 通过大肠杆菌培养实验 (抑菌环法 ) 比较了银离子存在形式对抑菌性能的影响 , 证实了银离子释放是灭菌的关键。
关键词：
银 ;无机抗菌剂 ;大肠杆菌 ;磷酸钙 ;碳酸钙 ;
中图分类号： TQ453
收稿日期： 2002-02-08
基金： 四川省应用基础研究资助项目 (2 0 0 0JS119);
Preparation of Inorganic Antimicrobial Materials Containing Silver and Evaluation of Their Antimicrobial Activity
Abstract：
Silver can be used as a kind of inorganic antimicrobial materials. Silver was added into the calcium phosphate powder and calcium carbonate powder by mixing method when Ca 3 (PO 4) 2 and CaCO 3 were synthesized or by dipping procedure after Ca 3 (PO 4) 2 and CaCO 3 were synthesized. Based on the "halo" method, the culture experiments of E. coli , the bacteriostatic action of the prepared materials was compared. The experimental results show that the antimicrobial activity is attributed to existing form of silver and depends mainly on the diffusion of silver ion.
Keyword：
silver; inorganic antimicrobial material; E coli ; calcium phosphate; calcium carbonate;
Received： 2002-02-08
重金属离子能使蛋白质沉淀, 产生抗代谢作用, 使正常的代谢物变为无效的化合物, 从而抑制微生物的生长或导致死亡。 所以大多数重金属及其化合物都是有效的杀菌剂或防腐剂
[1 ]
。 其中作用最强的是Hg, Ag, Cu, Zn等。 例如 0.1%～1%硝酸银用于皮肤消毒, 硫酸铜与石灰以适当比例配制的波尔多液在农业上广泛用于杀菌、 螨和防治某些植物病害, 已为大家熟知。 随着科学技术的发展和人民生活水平、 健康环境意识的提高, 人们对日常用品如日用品、 家电制品、 装饰材料、 建筑材料、 陶瓷制品等提出了抑菌、 灭菌、 防霉、 消毒的要求。 因此, 在我国具有灭菌、 抑菌、 防腐、 防霉和消毒作用的抗菌剂及其制品的生产将成为重要的新兴产业。 人工合成抗菌剂已成为当前化工和材料科学研究的一个热点问题。 含抗菌活性金属Ag, Cu, Zn等的无机抗菌剂具有广谱抗菌、 持效、 耐酸碱、 耐热、 耐洗涤、 细菌不易产生抗菌性, 对健康无毒等优点
[2 ]
, 已使其受到越来越多的重视。 文献
[
3 ]
介绍了几类无机抗菌剂的制备和性质。
本研究用不同工艺制备载银磷酸钙和载银碳酸钙两类无机抗菌剂, 通过微生物培养实验评价它们对常见的大肠杆菌的抑制、 灭菌作用, 以比较制备工艺和银存在形式对抗菌性能的影响。
1 材料和方法
1.1 载银磷酸钙的制备
磷酸钙[Ca3 (PO4 ) 2 , 英文缩写为TCP]和羟基磷灰石[Ca10 (PO4 ) 6 (OH) 2 或写作Ca5 (PO4 ) 3 OH, 英文缩写为HA]在水中溶解度很小, 溶度积分别为～1×10-28 和～1×10-57 , 且耐热性好, 直到1200 ℃都不会分解, 是抗菌金属离子 (原子) 的优良载体。 本研究以微米级碳酸钙为原料, 采用包裹沉淀法
[4 ]
得到磷酸钙前驱物, 在800 或1100 ℃下煅烧2 h, 冷却后得到粉末状的磷酸钙载体。 银的加入采用两种方式, 一是将硝酸银溶液与磷酸溶液同时滴入碳酸钙悬浮液中, 生成磷酸银与磷酸钙前驱体的混合沉淀, 然后煅烧。 另一种方法是将煅烧制得的粉末状磷酸钙浸入硝酸银溶液中, 使银离子被吸附或与磷酸钙中的钙离子交换而载到磷酸钙上, 实验中银的添加量为2%～5% (质量分数) 。
1.2 载银碳酸钙的制备
用碳酸钠溶液与氯化钙溶液或氢氧化钙悬浮液作用生成碳酸钙沉淀。 采用氯化钙作钙原料时, 在沉淀过程中加入硝酸银溶液。 采用氢氧化钙时还须加入氯化钙或氯化钠溶液使Ag+ 沉淀完全。 沉淀物在110 ℃下烘干, 然后稍加研磨即得到载银碳酸钙粉末。
1.3 试样的分析测试
磷酸钙样品的Ca, P含量分别用EDTA络合滴定和磷钼酸喹啉重量法测定, 然后计算Ca/P;含银量根据配料的理论量和离子选择电极法测定混合或浸渍反应后滤液中残存的Ag+ 浓度推算。 用X射线衍射分析法 (XRD) 确定物相。
1.4 试样抗菌性能的评价
称取1.0 g载银磷酸钙或载银碳酸钙粉体在压片机上手工压制成直径1.2 cm, 厚0.6 cm的圆柱状用作抗菌性能评价的试样。 供试菌株为大肠杆菌 (Escherichia coli , 简写为E .coli ) 。 根据文献
[
5 ]
所述的抑菌环法 (“halo”法) , 采用牛肉膏蛋白胨培养基。 将蛋白胨10 g, 牛肉膏5 g, 氯化钠5 g, 琼脂5 g加到950 ml蒸馏水中, 在电炉上仔细加热至溶化, 用氢氧化钠调pH值至7.0～7.6加蒸馏水至1 L;然后分装于锥形瓶, 置高温高压下灭菌 (15磅/30 min) , 冷却到50 ℃后倒入培养皿中再冷却至室温作为培养基。 无菌操作注入0.2 ml左右大肠杆菌菌液于培养基上, 用刮刀刮匀, 把试样放在培养皿中央后置于恒温箱 (37 ℃) 培养24 h, 取出用游标卡尺测定试样周围抑菌环 (即未生长大肠杆菌的透明圆环) 宽度ω (cm) , 取左右两边的数据作平均, 且每类试样作两个平行样。 抑菌环示意图如图1所示。
ω = (ω 1 +ω 2 ) /2
为了消除试样大小对抑菌环宽度的影响, 以样品单位直径的抑菌环宽ω /D 表示抑菌效果 (D 为试样直径) 。
2 结果与讨论
2.1 载银磷酸钙中Ag+的存在形式
采用混合法制备载银磷酸钙时, Ag+ 与PO
3 - 4 生成黄色的Ag3 PO4 沉淀与磷酸钙前驱体混匀, 煅烧后得到的载银磷酸钙为纯白色。 Ag3 PO4 的熔点是849 ℃, 在800 ℃以上煅烧时Ag+ 很可能进入了磷酸钙的晶格中。 图2为含银5% (理论量) 的磷酸钙粉的X射线衍射谱图。
将图2与XRD标准卡片 (JCPDS PDF) 中9-169号和9-432号的主要校正谱线对应的面间距 (d ) 和衍射强度 (I /I 0 ) 比较, 可知该样品主要为β-TCP, 含有少量HA。 由于在JCPDS PDF中除AgCaPO4 (800 ℃以上稳定) 外没有其他银钙磷酸盐如Ag2x Ca10-x (PO4 ) 6 (OH) 2
[2 ]
的衍射谱线, 推测Ag+ 可能以某种银钙磷酸盐形式存在。
将白色磷酸钙粉末浸入硝酸银溶液中, 悬浮液迅速变为棕黑色, 离子选择电极监测表明银离子浓度下降很快。 由于磷酸钙粉加入硝酸银溶液后悬浮液显弱碱性, 发生下列反应:
Ag+ +OH- =AgOH↓ (白色)
2AgOH=Ag2 O (棕色) +H2 O
随后得到干燥粉体的XRD谱图 (图3) 中, 除2.892, 2.620和3.225为β-TCP的主要衍射峰外在和处的衍射峰的相对高度与Ag2 O的XRD标准卡片 (41-1104) 中主要校正值 (见表1) 完全一致, 证实了用浸渍法制得的载银磷酸钙为表面上覆盖了Ag2 O的磷酸钙粉。
图1 抑菌环宽度测定示意图 Fig.1 Schematic graph of measuring width of antimicrobial halo
图2 含银5%磷酸钙粉 (在800 ℃下煅烧2 h) 的XRD谱图
Fig.2 XRD Spectrum of calcium phosphate powder containing Ag 5% heated at 800 ℃ for 2 h
图3 浸渍法制得含银5%磷酸钙粉的XRD谱图
Fig.3 XRD Spectrum of calcium phosphate powder containing Ag 5% prepared by dipping
2.2 载银碳酸钙中Ag+的存在形式
氯化钙溶液与碳酸钠溶液反应生成碳酸钙沉淀, 其间加入的Ag+ 即以AgCl沉淀混匀于碳酸钙沉淀中, 烘干后制得白色的载银碳酸钙粉。 当以氢氧化钙悬浮液为钙的原料制备碳酸钙时, 仅管也加入了氯化钠提供Cl- 以生成AgCl, 但由于体系的碱性较强, 仍有部分Ag+ 是以Ag2 O形式存在, 混合于碳酸钙中, 粉的棕色比前述浸渍法制得的载银磷酸钙粉浅一些。
2.3 对大肠杆菌的抑制作用比较
表2给出了6类样品对大肠杆菌的抑制作用试验结果, 其中不含银的磷酸钙和碳酸钙试样 (相同制备工艺) 作为参比对照。
从表2可以看出, 载银的磷酸钙和碳酸钙能抑制大肠杆菌的生长, 而且载银磷酸钙的性能优于载银碳酸钙。 Ag+ 以Ag2 O形式存在并包裹在磷酸钙粉表面时, 抑菌环最宽, 为0.483 cm, 宽径比达0.403, 性能最好。 由于这种抑菌效果评价方法使用半固体培养基, 若测定液体如酚、 乙醇等的消毒作用, 放在培养基中央的液体消毒剂在培养基中易于扩散。 但用这种实验评价固体粉状抗菌剂的抑菌效果时, 抑菌环宽度取决于银化合物的溶解和银离子的扩散, 溶解度大的银化合物会表现出更快的灭菌效果。 根据表2的结果, 含Ag2 O的粉体比含AgCl和含银钙化合物的粉体有更好的抗菌效果, 这与Ag2 O的溶解度大于AgCl的溶解度
[6 ]
相一致。 本研究所得的ω /D 值明显大于相同含银量的活性碳纤维
[5 ]
, 其原因也在于后者的银主要是以金属银形式存在。
表1 Ag 2 O的XRD谱线数据 (d 和 I /I 0 值 ) 下载原图
Table 1 d and I /I 0 values of Ag 2 O XRD spectrum
表1 Ag 2 O的XRD谱线数据 (d 和 I /I 0 值 )
表2 样品的抑菌性能比较 下载原图
Table 2 Comparison of antimicrobial activity of samples
表2 样品的抑菌性能比较
3 结 论
1.含银的磷酸钙和碳酸钙粉体对大肠杆菌生长有很明显的抑制作用。
2.抑菌效果取决于银离子的释放, 与银离子的存在形式和状态有关。 银处于粉体表面, 银离子释放越快, 抑菌作用越明显。 但银离子过快释放也会造成抗菌剂失效快, 应根据抗菌制品要求制备有适当灭菌速率的抗菌剂。
3.由于培养基含湿量少, 使难溶银化合物的溶解受到限制, 含银量多少对抗菌性能的影响在本评价实验中不明显。
参考文献
[1] 武汉大学, 复旦大学, 生物系微生物学教研室编. 微生物学 (第二版) .北京:高等教育出版社.1987, 258.
[2] 黄占杰. 材料导报, 1999, 13 (2) :35.
[3] 乐志强, 薄胜民, 王光建主编. 无机精细化学品手册.北京:化学工业出版社, 2001, 1234.
[4] 张 昭, 彭少方, 郑昌琼. 现代技术陶瓷, 1998, 19 (3-S) :831.
[5] 万怡灶, 王玉林, 王哲人, 等. 天津大学学报, 1999, 32 (5) :621.
[6] [美]WH内博盖尔等著.陈复等译. 普通化学 (第四分册) .北京:人民教育出版社, 1979, 142.
