一種基于Diels?Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法與流程

本發明涉及一種具有可控抗菌活性的納米銀抗菌材料的制備方法，具體是一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法，屬于納米材料、抗菌材料技術領域。

背景技術：

在過去的幾十年中，對抗生素的研究，特別是對銀納米顆粒(AgNPs)的抗菌活性的研究逐漸增多。特別值得注意的是，AgNPs在生物醫學領域方面的應用，例如紙、紡織品織物、傷口敷料、食物儲存容器、導管、繃帶、飲用水滅菌、燒傷護理、家庭消毒噴劑、抗菌涂層以及牙科樹脂復合材料。AgNPs在生物醫學領域方面的應用逐漸增多是由于：銀離子對大腸桿菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌等都具有高抗菌活性，但對動物細胞卻具有較低的毒性；并且，與有機抗生素不同，銀離子和銀基材料的耐藥性很少出現。也就是說，大部分的細菌沒有建立起對銀的免疫力。最近，Durán等人報道了AgNP與兩親性超支化大分子的復合材料可用于抗菌表面涂層，結果表明，在潮濕的治療環境中該復合材料對感染的角質形成細胞具有良好的抗菌性。由于納米銀是一類用途廣泛的廣譜抗菌劑，它在醫藥領域具有很大的前景。納米銀抗菌的作用機制、細菌耐藥性、毒理學和臨床等研究也日漸增多。

AgNPs的生物學活性與Ag⁺及其相關的可溶性復合物有關。原因之一是銀離子可以通過與蛋白質的硫基發生作用來破壞細菌的呼吸鏈。另一個原因是AgNPs的表面可以直接吸收Ag⁺。這樣，銀膠體具有三種存在形式：AgO固體，游離的Ag⁺或其絡合物，銀表面吸附的Ag⁺。

然而，目前的銀抗菌材料仍然存在一些限制，例如：有機抗菌劑可以很方便地設計出可控釋放性質，并廣泛用于藥物輸送、組織工程和分子成像領域；然而，對于納米銀抗菌材料，則很難調控其抗菌活性，活性不可控導致應用受到限制。最近，Xiu等報道，銀納米顆粒具有不同形貌和尺寸時，可能會影響銀離子的釋放行為，這將有助于制備具有控釋行為的含銀抗菌材料。

因此，有必要建立一種科學的、抗菌活性可調控的納米銀抗菌材料的制備方法。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法。

術語說明：

Diels-Alder反應：狄爾斯-阿爾德反應，簡稱DA反應。

本發明是通過如下技術方案實現的：

發明概述：

本發明的方法基于呋喃和雙馬來酰亞胺之間的DA反應，通過其可逆交聯反應使銀納米顆粒結合在一起。由于該可逆反應可通過溫度來控制其反應程度，因此通過控制溫度可以很方便地獲得具有不同尺寸的銀納米顆粒。然后，通過改變納米銀的粒度來獲得不同的抗菌性能，可以調控銀納米顆粒的抗菌活性。換句話說，本發明的方法為呋喃和雙馬來酰亞胺通過DA反應在銀納米顆粒之間產生交聯，進而可以獲得不同抗菌性能的銀納米顆粒。不同交聯程度的銀納米顆粒的抗菌活性不同。

發明詳述：

一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法，包括步驟如下：

(1)銀納米顆粒的功能化

將銀納米顆粒溶液加入乙二醇溶液中，攪拌均勻，制得含納米銀的混合物；然后，將含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液緩慢滴加到含納米銀的混合物中；于100～130℃下攪拌2～6小時，反應結束后冷卻至室溫，得到呋喃官能化的銀納米顆粒溶液；

(2)銀納米顆粒的交聯

將N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺溶于二甲基甲酰胺中，攪拌均勻，加入到呋喃官能化的銀納米顆粒溶液中，將混合物于溫度50～130℃范圍內不同溫度下分別攪拌反應1～6h，反應后的溶液離心后，沉淀物用丙酮洗滌、真空干燥，得到不同抗菌活性的納米銀抗菌材料。

本發明優選的，步驟(1)銀納米顆粒溶液與乙二醇溶液的體積比為：1：(2～6)，優選的，銀納米顆粒溶液與乙二醇溶液的體積比為：1：3。

本發明優選的，步驟(1)含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液中糠基硫醇的濃度為1.0～1.5mL/100mL，優選的，含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液中糠基硫醇的濃度為1.1mL/100mL。

本發明優選的，步驟(1)中，含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液與含納米銀的混合物的體積比為：1：(4～10)，優選的，含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液與含納米銀的混合物的體積比為：1：4。

本發明優選的，步驟(1)中，反應溫度為110～120℃，反應時間為2～3h，最為優選的，反應溫度為120℃，反應時間為3h。

本發明優選的，步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與二甲基甲酰胺的質量體積比為：1：(200～250)，單位：g/mL，最為優選的，N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與二甲基甲酰胺的質量體積比為：1：225，單位：g/mL。

本發明優選的，步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與呋喃官能化的銀納米顆粒溶液的質量體積比為：1：(1500～2500)，單位：g/mL，最為優選的，N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與呋喃官能化的銀納米顆粒溶液的質量體積比為：1：1875，單位：g/mL。

本發明優選的，步驟(2)中分別于溫度60℃，70℃，80℃，90℃，100℃，110℃，120℃下攪拌4小時。

本發明優選的，銀納米顆粒溶液為現有技術，按現有制備方法制備得到。

本發明優選的，步驟(1)中銀納米顆粒溶液中銀納米顆粒的粒徑為10～100nm。

本發明所用原料均為現有技術。

原理說明：

呋喃與馬來酰亞胺之間的反應為可逆反應，且反應程度受溫度影響明顯。本發明首先把呋喃基團修飾到納米銀上，然后在溶液中加入雙馬來酰亞胺，使納米銀顆粒之間發生交聯。這時，溶液中存在正向與逆向兩種反應，共同決定了反應程度。正向反應可把納米粒子交聯到一起，逆向反應則使交聯的納米粒子分散開。通過改變反應溫度就得到了不同交聯程度的納米銀；交聯程度直接影響著納米銀尺寸，進而影響到納米銀的抗菌活性。例如，升高溫度使交聯程度增大，納米銀的尺寸增大，抗菌活性減小。

本發明的優點如下：

1、本發明的方法可得到不同形貌和尺寸的納米銀抗菌材料，抗菌活性可控可調，擴大了應用范圍，本發明用可逆的Diels-Alder反應來控制納米銀顆粒的尺寸，抗菌活性隨顆粒尺寸的變化而變化，顆粒越小抗菌性越強。

附圖說明

圖1為銀納米顆粒溶液、純水與不同納米銀抗菌材料的電導率柱狀圖；

圖2為銀納米顆粒溶液、純水與不同納米銀抗菌材料的抗菌活性柱狀圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。

銀納米顆粒溶液的制備：

將10.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到49.8ml乙二醇溶液中加熱至60℃，使聚乙烯吡咯烷酮全部溶解，然后，將加入1.5g AgNO₃，并在120℃下加熱1.5小時，反應完成后冷卻至室溫后即得銀納米顆粒溶液。

實施例1

一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法，步驟如下：

1、將銀納米顆粒溶液15ml溶于45ml乙二醇溶液中。然后，將含有糠基硫醇的DMF溶液15ml緩慢滴加到上述混合物中。在120℃下攪拌3小時，然后使反應混合物冷卻至室溫。

2、將N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺0.04g溶于DMF 9ml中。然后將其加入到呋喃官能化的銀納米顆粒溶液。將混合物分別在60℃，70℃，80℃，90℃，100℃，110℃，120℃下攪拌4小時，將銀納米顆粒的溶液離心后，用丙酮洗滌三次，并真空干燥，得到深綠色或灰黑色不同抗菌活性的納米銀抗菌材料粉末，不同溫度下得到的產品分別記為產品1(60℃)、產品2(70℃)、產品3(80℃)、產品4(90℃)、產品5(100℃)、產品6(110℃)、產品7(120℃)。

實驗例：

將得到的產品1-產品7進行電導率實驗和抗菌活性實驗，具體如下：

一：電導率實驗：

電導率測試對于證明納米銀抗菌材料的釋放性能是一個有用的方法，因為單質銀轉變成銀離子后可釋放到水溶液中，使水溶液的電導率發生顯著變化。不同納米銀抗菌材料的電導率如圖1所示。實驗證明，純銀納米顆粒具有最大的電導率，其次是在不同溫度下反應后，具有不同DA反應轉化率的官能化的銀納米顆粒。原因是具有較小尺寸的銀納米顆粒具有較大的表面積，并且更容易與水反應以產生更多的銀離子，使溶液的導電率顯著增大。通過DA反應的交聯使銀納米顆粒的尺寸增大，因此電導率逐漸降低。

二、抗菌活性實驗：

1、抗菌活性測試方法

在接種細菌的瓊脂中沖壓出8mm直徑的圓圈。除去內部瓊脂以產生空孔。將所需的銀納米顆粒溶液(50μl，約0.001506mg)加入到接種的瓊脂平板的預打孔中。蓋上瓊脂平板并培養24小時以促進細菌生長。測量和記錄每個孔周圍的抗菌透明區的直徑。

為了研究交聯反應對抗菌活性的影響，使用三種細菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特菌)進行抗菌試驗。圖2顯示銀納米顆粒的每個樣品均具有明顯的抗菌活性。更重要的是，當使用不同溫度的DA反應來控制AgNPs的交聯時，獲得了不同的抗菌性能。粒徑隨交聯度的增加而增加，導致抗菌活性明顯降低。該結果對于制備具有可控抗菌活性的納米銀抗菌材料將是非常有意義的。

實施例2

一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法，同實施例1，不同之處在于：

步驟(1)銀納米顆粒溶液與乙二醇溶液的體積比為：1：5。

步驟(1)含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液中糠基硫醇的濃度為1.4mL/100mL，優選的。

步驟(1)中，含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液與含納米銀的混合物的體積比為：1：8。反應溫度為110℃。

步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與二甲基甲酰胺的質量體積比為：1：240，單位：g/mL。

步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與呋喃官能化的銀納米顆粒溶液的質量體積比為：1：2000，單位：g/mL。

實施例3

一種基于Diels-Alder反應制備納米銀抗菌材料的方法，同實施例1，不同之處在于：

步驟(1)銀納米顆粒溶液與乙二醇溶液的體積比為：1：2。

步驟(1)含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液中糠基硫醇的濃度為1.0mL/100mL，。

步驟(1)中，含有糠基硫醇的二甲基甲酰胺溶液與含納米銀的混合物的體積比為：1：5。反應溫度為115℃。

步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與二甲基甲酰胺的質量體積比為：1：210，單位：g/mL。

步驟(2)中N，N'-(4,4'-亞甲基二苯基)二馬來酰亞胺與呋喃官能化的銀納米顆粒溶液的質量體積比為：1：1600，單位：g/mL。