微納米抗菌銅粉的制備及其在金屬檔案柜抗菌防霉應用

石思思,郭守暉，孫宏凱，齊維靖*，張萌

(南昌大學a.材料科學與工程學院；b.理學院，江西 南昌 330031)

近年來，病原性微生物引發的全球性流行病不斷威脅著人類的健康，而且由于生物抗菌藥物的濫用，病原性微生物的耐藥性越來越強，傳統抗菌劑殺菌效果降低[1-3]。因此，為了防止病原性微生物的傳播和蔓延，開發新型抗菌材料已迫在眉睫。目前的抗菌材料根據化學組成主要分為天然抗菌材料、有機合成抗菌材料和無機抗菌材料[4]。天然抗菌材料，例如殼聚糖等[5]，具有良好的生物相容性，但其抗菌性能有限、不易進行再加工；有機合成抗菌材料，例如香草醛或乙基香草醛類化合物等，是目前市場上的主體，但其耐熱性差、容易水解、毒副作用也相對較大[6]；以銀、銅等金屬材料為代表的無機系抗菌材料具有以上兩種抗菌材料無法比擬的優良性能，不僅抗菌范圍較廣、持續殺菌的有效期長，而且不易產生耐藥性、安全性高[7]。因此無機金屬抗菌材料逐漸成為抗菌材料領域的研究熱點[8]。

銅是人類最早使用的金屬之一，也是維持人體生命活動所必需的微量元素[9]。人們很早就認識到了銅的殺菌作用和其在醫學方面的應用潛力，在公元前2200—2600年，埃及人就已經記錄了用金屬銅對胸部傷口和飲用水進行消毒殺菌[10]。近年來，銅也因為其優異的抗菌性能引起了科研人員的廣泛關注，它在各個領域的抗菌應用潛力也被逐漸地挖掘出來[11-13]，例如，銅制水管應用于飲用水消毒領域時，能有效控制革蘭陰性桿菌、革蘭陽性球菌、念珠菌等病原菌的生物活性[14]；銅應用于空調熱交換器以替代鋁時，對細菌生長的抑制率達到99.99%，對真菌生長的抑制率達到99.74%[15]；銅材料應用于桌椅和門把手等產品時，其表面的微生物數量顯著低于不銹鋼表面的微生物數量[16]。然而，目前關于金屬銅防霉應用的研究不多，相應的報道還非常少。此外，隨著納米材料和納米技術的飛速發展，粒徑小于100 nm的銅納米粒子在抗菌材料領域的比重越來越高，但納米銅材料存在制備工藝復雜、易團聚、易氧化、難保存等缺點[17]。因此，開發抗菌防霉性能優異并且制造工藝簡單、抗氧化能力強的銅材料尤為重要。

檔案庫房是歷代紙質文獻、資料館藏的重要場所，由于長期通風不暢，容易滋生有害微生物破壞紙張。有害微生物在適宜的環境條件下，靠自身細胞分泌的酶能分解紙張中的纖維素、木質素、淀粉、蛋白質等造成紙張變脆、發黃、長霉、長斑等。此外，微生物還會附著在空氣中的飄塵上，進入人體的呼吸道產生毒素，影響檔案工作者、檔案使用者的身體健康。如黃曲霉毒素能導致細胞突變，有強烈的致癌作用，金黃色葡萄球菌能產生腸毒素，破壞人體腸道，導致嘔吐腹瀉等癥狀[18-19]。通風或者采用空調系統控制檔案庫房的溫濕度是紙質資料抗菌防霉的主要措施[20]。因此，從抗菌防霉檔案柜這一關鍵設備入手，賦予其抗菌防霉功能，是一種新嘗試。

本文采用液相還原法，以氧化銅為前驅體合成了一種微納米尺寸的抗菌銅粉。通過X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)和激光粒度分析儀(LPA)表征了微納米抗菌銅粉的形貌和結構。通過粉末振蕩法探究了微納米銅粉對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性。并且將合成的微納米銅粉作為抗菌劑，應用到金屬檔案柜表面噴涂中，根據國家標準檢測了該產品的抗菌性能和防霉性能。

1 微納米抗菌銅粉的制備與表征

1.1 實驗試劑與儀器

主要試劑：氧化銅(CuO)、水合肼(N2H4·H2O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、無水乙醇，所有試劑均為分析純。主要儀器：MS300磁力攪拌器、DZF-6020真空干燥箱、Bruker D8型XRD、FEI Quanta 200F型SEM、JEM-2100型TEM、Nanotrac Wave Ⅱ型LPA。

1.2 實驗工藝流程

本文采用液相還原法制備微納米抗菌銅粉，具體實驗步驟如下：

(1) 懸濁液的制備：分別稱取24 g CuO、10 g PVP、5 g CTAB溶于200 mL無水乙醇中，制得懸濁液。將其置于磁力攪拌器上加熱攪拌均勻。

(2) 還原劑的添加：當(1)中的懸濁液加熱至50℃時，向其緩慢滴入50 mL N2H4·H2O，繼續攪拌1 h，懸濁液由黑色變為磚紅色。

(3) 清洗干燥：反應完成后，用無水乙醇反復清洗，清洗完后放入真空干燥箱中干燥，研磨裝袋，最終制得微納米抗菌銅粉。

1.3 抗菌性能測試

依據GB/T 21510—2008《納米無機材料抗菌性能檢測方法》，以大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)為受試菌株，采用粉末振蕩法對制得的微納米銅粉的抗菌性能進行測試。

微納米銅粉的抗菌率按式(1)計算：

(1)

式中：R為抗菌率(%)；A為對照樣品與受試菌接觸一定時間后平均回收菌落，單位為菌落形成單位每毫升(cfu·mL-1);B為試驗樣品與受試菌接觸一定時間后平均回收菌落，單位為菌落形成單位每毫升(cfu·mL-1)。

2 結果與討論

2.1 結構和形貌表征

圖1為微納米抗菌銅粉的XRD圖譜，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為10°/分。圖1(a)為剛制成時抗菌銅粉的XRD圖譜，從圖譜可以看出，僅在43.3°，50.4°和74.1°處出現3個明顯的衍射峰，分別對應面心立方結構(fcc)單質銅的(111)，(200)和(220)晶面，表明所制備的微納米抗菌銅粉純度很高，沒有氧化銅和氧化亞銅等雜質。隨后，將該銅粉用普通塑料試樣袋密封存放于藥品柜中，2個月后測得的XRD衍射圖譜如圖1(b)所示，圖譜中僅出現了微弱的氧化物特征峰，這表明用該方法合成的微納米銅粉抗氧化能力較強，不易被氧化。

所制得微納米抗菌銅粉的表面形貌及粒徑大小分布如圖2所示。圖2(a)為微納米抗菌銅粉的SEM圖像(工作電壓30 kV)，從SEM圖像中能清楚地看到銅顆粒形貌呈近球形，銅顆粒之間較分散，沒有嚴重的團聚現象，顆粒直徑大約在600至800 nm之間。圖2(b)和2(c)是銅粉的TEM圖像，樣品在無水乙醇中超聲分散后在銅網上制樣測得。TEM圖像證實了銅顆粒形貌為近球形。利用LPA測試了銅顆粒的粒度分布，樣品在無水乙醇中超聲分散后滴入樣品池測得，結果如圖2(d)所示。從粒徑分布的直方圖可見，銅顆粒的粒徑分布均勻，平均粒徑為653 nm。

反應過程中，溶液中釋放的銅離子與PVP的柔性鏈結合，形成類離子交聯聚合物，滴加還原劑后，吸附在PVP柔性鏈上的銅離子被還原為銅原子，PVP分子內的C—H長鏈伸向四周，能形成立體屏障，分子鏈的空間位阻效應能阻礙銅粒子的聚集和生長，從而提高銅顆粒的分散性[21]。CTAB屬于陽離子表面活性劑，有良好的表面活性、穩定性，在強酸及強堿中穩定，與非離子及兩性離子表面活性劑有良好的配位性[22]，同時，它也是一種電解質，在溶液中溶解時會電離出大量的陽離子基團，電離出的陽離子基團會吸附在生成的銅粒子表面，從而使得顆粒與顆粒之間獲得較強的排斥力。因此，在PVP和CTAB的協同作用下，制備得到的微納米抗菌銅粉具有較好的分散性。另外，還原劑水合肼緩慢勻速地滴入反應溶液中，氧化還原反應速率穩定，銅粒子長大的速率相差不大，因此粒度分布較為均勻。

2.2 抗菌性能

表1為微納米銅粉的抗菌性能測試結果。在未加微納米銅粉的對照組中，振蕩前的平均活菌數為4.0×104，振蕩培養后大腸桿菌的平均活菌數增加到3.5×105，金黃色葡萄球菌的平均活菌數增加到4.8×104。然而，加了微納米銅粉的試驗組，振蕩6～8 h后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的平均活菌數都小于1，根據抗菌率的計算公式可計算出該微納米銅粉對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率都達到了99%以上。圖3為振蕩后空白對照組和試驗組平板計數瓊脂培養基上的菌落生長圖。從圖中可以看出，振蕩培養后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在瓊脂培養平板上生長繁殖出很多菌落，而添加微納米銅粉后，瓊脂培養平板上幾乎沒有菌落生長。結果表明，本文制得的微納米銅粉抗菌性能優異，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅、抑制效果顯著。

盡管對金屬材料的抗菌性已有諸多研究乃至應用，但對其在細菌或酵母和其他微生物中發揮抗菌作用的生物物理和生物化學機制學者們還沒有統一觀點[23-24]。目前的報道提出，金屬材料的抗菌機制主要包括以下幾個方面：①與細菌內蛋白質半胱氨酸殘基的巰基相互作用，使其失活[25]；②作用于細菌細胞膜，與細胞膜中的成分相互作用，增加細胞膜的通透性，破壞細胞膜的完整性[26]；③作用于細菌的DNA，導致細菌的DNA降解[27]；④干擾細菌營養吸收，導致其生長停滯[28]；⑤引起活性氧物質(ROS)如羥基自由基的產生，導致對細菌生存至關重要的細胞成分如核酸和脂類的氧化損傷[29]。由此可以推測，銅顆粒發揮抗菌作用時首先接觸到的都是細菌的外膜，且細菌的細胞膜由磷脂雙分子層構成，包含具有高電負性化學基團的聚合物，能作為金屬陽離子的吸附位點，從而介導金屬離子的吸收，因此我們認為細胞膜這種協調金屬的能力跟金屬的抗菌活性直接相關，微生物的膜功能受損可能是銅顆粒導致細菌死亡的重要原因之一。

表1 微納米銅粉的抗菌性能測試數據

3 微納米銅粉在金屬檔案柜表面涂層的抗菌防霉應用

金屬檔案柜產品采用優質冷軋鋼板模壓成型，表面經去油、除銹、磷化等工序，然后靜電噴涂，高溫塑化加工而成。傳統噴涂工藝在金屬表面噴涂的粉末涂料主要由樹脂、顏料、填料、固化劑和添加劑等組成[30]。為了獲得具有抗菌防霉功能的金屬檔案柜涂層，在靜電噴涂過程，將質量分數為1%的上述微納米銅粉添加到聚酯樹脂粉末涂料中，通過高能球磨等機械混合的方式使微納米銅粉與傳統的粉末涂料混合均勻得到抗菌防霉粉末涂料，然后用噴槍將抗菌防霉粉末涂料靜電噴涂至冷軋鋼板表面，噴涂完成后放入電熱恒溫干燥箱中190 ℃保溫15 min，烘烤涂層使其固化。全程不改變金屬檔案柜原始的生產工藝與流程。

按上述方法制得的抗菌防霉金屬涂層依據GB/T 21866—2008《抗菌涂料(漆膜)抗菌性測定法和抗菌效果》測定其抗菌性能。表2為抗菌防霉金屬涂層的抗菌性能測試數據。按標準培養24 h后，對照樣上大腸桿菌的平均活菌數從1.8×105增加到了2.3×106，金黃色葡萄球菌的平均活菌數從2.8×105增加到了1.3×106。由微納米銅粉制備的抗菌防霉金屬涂層樣品上，大腸桿菌在24 h后的平均活菌數小于20，金黃色葡萄球菌的平均活菌數為7.2×104。根據抗菌率的計算公式可計算出，抗菌防霉金屬涂層對大腸桿菌抗菌率超過了99.99%，對金黃色葡萄球菌的抗菌率為94.46%。根據相關標準，抗菌率達到99%為Ⅰ級抗菌，抗菌率達到90%為Ⅱ級抗菌，結果表明添加微納米銅粉制備得到的金屬涂層符合抗菌產品要求，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的殺滅和抑制作用。

此外，制得的抗菌防霉金屬涂層的防霉性能依據GB/T 1741—2007《漆膜耐霉菌性測定法》測定。用黑曲霉、黃曲霉、球毛殼、臘葉芽枝霉、桔青霉、宛氏擬青霉、綠色木霉、出芽短梗霉等8種霉菌的標準菌株對試驗樣品進行了28 d的測試，結果如表3所示，8種霉菌的長霉面積為8%，長霉等級為1級，說明添加了微納米銅粉的金屬涂層能有效抵御這8種霉菌。對紙質檔案保存有害的微生物主要包括青霉、曲霉、芽枝霉、毛殼霉等霉菌，比如毛球殼科和黑曲霉能降解紙張中的纖維素，木霉菌具有膠質分解的能力，黃曲霉能分解蛋白質，這些都會影響紙質檔案的質量和使用壽命。因此，本實驗制得的抗菌防霉金屬檔案柜涂層可用于檔案庫房抵制細菌、霉菌等有害微生物的侵蝕。

表2 抗菌防霉金屬涂層的抗菌性能測試數據

表3 抗菌防霉金屬涂層的長霉等級測試數據

4 結論

本文以氧化銅為前驅體，采用液相還原法制備得到了微納米尺寸抗菌銅粉：

(1) XRD、SEM、TEM和LPA測試結果表明：微納米抗菌銅粉形貌為近球形，平均粒徑約650 nm。

(2) 抗菌測試結果顯示：微納米抗菌銅粉對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均>99%。

(3) 將微納米抗菌銅粉按質量分數1%添加至金屬檔案柜表面噴涂用粉末涂料中，制得抗菌防霉金屬涂層產品，測試結果表明，該產品對大腸桿菌抗菌率>99.99%，對金黃色葡萄球菌的抗菌率達到94.46%，防霉等級為1級。