专利名称：具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用的制作方法
具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用技术领域
本发明属于抗菌材料技术领域，具体涉及具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用。
背景技术：
铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒是以植物纤维为模板，金属铜离子为原料，通过加温碳化还原方法制备而成的(连崑教授的美国专利申请号PCT/US07/61862)新型纳米颗粒材料。该铜/碳-核/壳纳米颗粒材料与市场上现有的铜纳米颗粒材料相比有如下的特殊性能(1)具有特殊性能的网状碳膜形成的壳结构，它既可以保护纳米铜核免于外界环境的过度侵蚀又可以让纳米铜的特性表征出来；(2)该核/壳结构的铜纳米颗粒在日常环境中十分稳定，可以长期保持金属铜的形式；C3)在氧化环境中生成铜=氧化亚铜的纳米颗粒平衡体系，不形成氧化铜；(4)在氧化环境中生成铜=氧化亚铜的纳米颗粒遇到还原条件时又转换成金属铜，并保持原有的核/壳纳米颗粒结构；(5)所制备的材料是以纳米铜颗粒均勻地镶嵌在多孔碳黑基体中的形式存在，其物理尺寸范围可根据实际工艺需要在几百纳米到几毫米甚至分米之间变化(可以充分发挥纳米材料的优点，又可以避免纳米颗粒材料通常由于尺寸太小难以控制的缺点)；(6)该铜纳米颗粒材料在pH值1-11的水溶液中长期浸泡不溶解，溶液中没有明显的铜离子渗出；(7)网状的碳壳结构保留了纤维素原有的羟基和羰基等功能团，所制备的纳米颗粒在极性溶液(如水)和非极性有机溶液(如油)中均具有良好的分散性和互溶性。发明内容
本发明的目的在于提供具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用，可应用于抗生、防腐与灭菌等方面。
为达到上述目的，本发是采用的技术方案是
具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用。
所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用，其特征在于是对真菌或细菌的抑菌和/或杀菌。
所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用， 其特征在于所述的真菌为双极霉属真菌(Bipolar mildew fungi)、离蠕孢属真菌 (He lminthosporium fungi)、木霉属真菌(Trichoderma fungi)、白腐真菌(White rot fungi)或蓝变真菌(Blue stain fungus)。
所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用，其特征在于所述白勺细菌为大肠杆菌(Escherichia coli)、金色葡萄球菌(Staphylococcus aureus) 或白色念珠菌(Candida albicans)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果
具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料不溶于水，在使用中几乎没有铜离子溶出，不随水的流动而四处扩散，不会在空气中长期飘浮，具有自修复功能，抗菌效果期长；在常规使用时对人体无害，环境友好，生态友好，易于控制，价格便宜，触杀型的广谱抗菌材料。
具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料所特有的“铜-氧化亚铜-铜”的循环氧化-还原反应会涉及到不断的电子交换。正是这些电子的交换反应会对微生物细胞的生长产生干扰，进而拟制，破坏细胞的生长，起到抗菌和杀菌的作用。由于该铜金属纳米颗粒的功能特性及其灭菌的特殊机理，这就使得各种菌类很难对其产生抗药性，这种优势是其它生化类抗菌药品所不能相比的。
与传统的抗菌材料-纳米银相比，铜具有0价、1价与2价三种状态，在反应过程中有两次电子转换过程，具有优于银的抗生、防腐与灭菌的功能，而且具有更大的价格优势。
具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料不仅可以制成溶剂，凝胶等剂型，也可以混入塑料制品，涂料，复合材料，牙膏，纺织品，皮革制品，竹木制品等不同产品中作为抗菌，防污，防霉，防腐添加剂。
图1是将铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒在氮气条件下进行连续4次从40°C到 500°C重复热差分析图2是将铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒在富氧条件下的热差分析结果；
图3-a 图3-b用含不同浓度(0. 15%、0. 3% )铜/碳-核/壳结构的纳米材料抗双极霉属/离蠕孢属真菌实验72、240小时的观测结果；
图4-a 图4-b是双极霉属/离蠕孢属真菌在不含/含有铜/碳-核/壳结构的纳米材料培养720小时后培养实验的显微图片的对照(40X)；
图5是铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒对木霉属真菌的抗菌培养结果；
图6是铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒对白腐真菌的抗菌培养结果；
图7是铜/碳-核/壳结构的铜纳米颗粒对蓝变真菌的抗菌培养结果。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
所述的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒均为(连崑教授的美国专利申请号PCT/ US07/61862)制备的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒。其主要参数如下
1)铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒，铜的重量百分比为25%，其余的为多孔碳黑；
2)纳米颗粒都是均勻地嵌镶在多孔碳黑中的复合物，所用铜纳米颗粒材料的尺寸为平均直径在15微米的镶嵌着多个铜纳米颗粒的多孔炭黑材料。将所用的粉末材料放在水溶液中经超声搅拌后放置M小时，用激光衍射粒子计数仪对上层溶液进行检测，结果表明没有游离的纳米颗粒存在。
3)铜纳米颗粒既可以均勻地分布与极性介质(如水性溶剂等)，也可均勻地分布与极性介质(如油性溶剂，乳胶，塑料等物质)中。
并对所制备的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒进行以下稳定性试验
1)铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒在溶液中的稳定性实验
将制备的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒分别在pH为1、4、5、6、7、8、9和11的溶液(酸性和碱性溶液分别用去离子水加硫酸(H2SO4)或氢氧化钠(NaOH)溶液调配而成)中进行了为期60天的浸泡实验。由于电导率和铜离子的浓度成正比，在实验中以电导率的变化来检测溶液中铜离子的浓度变化。如果铜离子从纳米颗粒中溶出，溶液的电导率会相应地增加。结果显示经过了 60天的浸泡，溶液的电导率没有显著变化，说明纳米铜颗粒在pH 为1、4、5、6、7、8、9、和11的溶液中没有溶解的倾向。
2)铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒的热稳定性
金属/碳-核/壳结构的纳米颗粒有着非常好的热稳定性。以铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒为例，对其在氮气条件下进行了连续4次从40°C到500°C重复热差分析。其结果表明(图1)在缺氧条件下，铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒在500°C以下都是稳定的(没有反应峰出现)。当在空气条件加热(有氧环境)，热差分析结果表明(图2)铜/碳-核 /壳结构的纳米颗粒在280°C以下都是稳定的。
具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料的抗菌作用
相对于传统的抗菌材料-纳米银，铜具有0价、1价与2价三种状态，在反应过程中有两次电子转换过程，理论上应具有优于银的抗生、防腐与灭菌的功能，而且具有更大的价格优势。但由于现有的纳米铜颗粒在环境中极不稳定，短时间内会全部氧化为2价铜(氧化铜或氢氧化铜)，则基本丧失了其功效。据文献记载和实验结果表明，在铜的化合物中，1 价铜(氧化亚铜)，具有最强的抗生、防腐、灭菌与消毒的功效。
铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒，由于其独特的壳结构，在通常环境中可长时间保持金属铜的化学状态。在氧化条件下，纳米铜颗粒会形成铜-氧化亚铜(1价铜)的平衡体系，不会生成二价铜。当遇到还原环境时(许多细菌生长会产生还原环境)，铜-氧化亚铜体系中的氧化亚铜又可以还原成为零价铜。这种铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒所特有的 “铜-氧化亚铜-铜”的循环氧化-还原反应会涉及到不断的电子交换。正是这些电子的交换反应会对微生物细胞的生长产生干扰，进而拟制，破坏细胞的生长，起到抗菌和杀菌的作用。再加上由于氧化亚铜不溶于水，避免了纳米铜颗粒在水中的溶解，不仅防止了铜离子对环境的污染，也保证了铜纳米颗粒的耐用性。
铜/碳-核/壳结构的纳米材料的广谱抗菌作用
1)抗双极霉属/离蠕孢属真菌
用含铜/碳-核/壳结构的纳米材料质量百分比浓度分别为0. 15%、0. 3%、和 0(对照组)的培养基(3. 9克马铃薯葡萄糖琼脂粉末+100毫升蒸馏水+不同比例的铜纳米颗粒复合物)进行双极霉属和离蠕孢属真菌两类真菌的培养。在接种后，放入温度为30°C 的恒温箱内进行培育。试样在对、72、144、和240小时时放入无菌的层流箱内进行检测并照相记录。
如图3_a(0. 15% w)、图3_b (0. 3% w)所示的培养结果(图中左侧为双极霉属真菌、右侧为离蠕孢属真菌)，在含0. 15% w的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物颗粒 (含铜的重量比约为万分之八)的培养基中，以菌落生长的尺寸来评价，双极霉属/离蠕孢属真菌的生长速度和对照组相比明显下降；而含0. 3% w的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物颗粒(含铜的重量比约为万分之十六)双极霉属/离蠕孢属真菌的生长速度为零。
通过显微镜观测，当将双极霉属/离蠕孢属真菌接种于含铜纳米颗粒复合物的含量达0. 3% w的培养基时，经过204小时后，在接种区的边缘没有菌膜的生成，接种时植入的菌落的菌丝干缩，菌落的新陈代谢停止，没有分生孢子生成，菌落处于死亡状态。
如图4-a (正常培养，作为对照)、图4-b (0. 3 %铜/碳-核/壳结构的纳米材料)所示的显微视图对照(40X)，对照试样中(左图)双极霉属/离蠕孢属真菌的菌丝和分生孢子新陈代谢正常，分生孢子生长旺盛，使得菌落不断长大；在含铜纳米材料复合物为0. 3% w时(右图)，菌丝干缩，没有可见的分生孢子，菌落处于死亡状态。
以上结果表明铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物对双极霉属/离蠕孢属真菌在低浓度时(O. l%w)有明显的抑制作用；当浓度达到一定值时(0.3% W)显示出有效的杀菌功能。
2)抗木霉属真菌的能力
用含铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物重量百分比浓度为0. 03%和0 (对照组)的培养基(3. 9克马铃薯葡萄糖琼脂粉末+100毫升蒸馏水+不同比例的铜纳米颗粒复合物)进行木霉属真菌的培养实验，在接种后，放入温度为30°C的恒温箱内进行培育。试样在对、48、和72小时时放入无菌的层流箱内进行检测并照相记录。
结果如图5所示对照组的木霉属真菌生长正常，菌落增长迅速；而当培养基中含 0.03% w的纳米铜复合物颗粒(含铜的重量比约为万分之一点五)时，木霉属真菌生的生长停止，整个菌落处于死亡状态。因此可见，即使在浓度为0. 03% w时，铜纳米颗粒复合物对木霉属真菌生具有良好的灭菌作用。
3)抗白腐真菌的能力
用含铜重量百分比为万分之七的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物颗粒进行了白腐菌的木材腐蚀实验，具体安装按美国木材保护协会(AWPA)的AWPAEO标准实验方法进行。试样为美国的南方松木，经铜纳米颗粒复合材料处理后，试样的平均含万分之七的铜纳米颗粒复合材料。
实验结果如图6所示，对照组的试样(右图)在600小时后白腐真菌已覆盖了整个试样表面。而经铜纳米颗粒复合材料处理过的试样(左图)表面则完全不受白腐真菌的侵袭。实验结果表明，含万分之七铜的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物对白腐真菌有有效的灭菌防腐作用。
4)抗蓝变真菌的能力
用含铜重量百分比分别为0. 01 %、0. 05 %、0. 1 %、0. 25 %和0. 5 %的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物颗粒进行蓝变真菌的培养实验(3. 9克马铃薯葡萄糖琼脂粉末 +100毫升蒸馏水+不同比例的铜纳米颗粒复合物)。
经过25天的实验结果(图7)显示当铜纳米颗粒复合材料的含量为0到0. w 时，蓝变真菌的生长基本不受影响；但当铜纳米颗粒复合材料的含量达到0. 25% w时，蓝变真菌的生长受到明显的抑制，菌落大小明显变小，表明含万分之七铜的铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物对白腐真菌有有效的灭菌防腐作用。
5)抗大肠杆菌、金色葡萄球菌及白色念珠菌的能力
含铜/碳-核/壳结构的纳米颗粒复合物为干重千分之五的样品在陕西省疾病预防控制中心依据《一次性使用卫生用品卫生标准》进行了抗大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的实验。中和剂鉴定试验采用悬液法鉴定试验，对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)作用lmin，试验温度为20士2°C，相对湿度为50%。定量杀菌试验为悬液法试验。试验温度为 20士2°C，相对湿度为50%。试验重复三次。
实验结果表明该试样具有良好的杀菌效果。含3.0%吐温-80+0. 3%卵磷脂的 PBS溶液对含纳米铜颗粒的0.5%样品能够完全中和，该中和剂产物对金黄色葡萄球菌 (ATCC6538)、白色念珠菌(ATCC10231)均无影响，试验结果见表1。
表1中和剂鉴定试验结果
权利要求
1.具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用。
2.如权利要求1所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用，其特征在于是对真菌或细菌的抑菌和/或杀菌。
3.如权利要求2所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用，其特征在于所述的真菌为双极霉属真菌(Bipolar mildew fungi)、离蠕孢属真菌(Helminthosporium fungi)、木霉属真菌(Trichoderma fungi)、白腐真菌(White rot fungi)或蓝变真菌(Blue stain fungus)。
4.如权利要求2所述的具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料的抑菌和/或杀菌的应用， 其特征在于所述的细菌为大肠杆菌(Escherichia coli)、金色葡萄球菌Staphylococcus aureus) ^[=1^^ (Candida albicans)。
全文摘要
本发明公开了一种具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用，尤其是对真菌或细菌的抑菌和/或杀菌。具有铜/碳-核/壳结构的纳米材料材料性质稳定，对人体无害，环境友好，生态友好，是一种广谱抗菌材料。由于该铜金属纳米颗粒的功能特性及其灭菌的特殊机理，这就使得各种菌类很难对其产生抗药性，这种优势是其它生化类抗菌药品所不能相比的。
文档编号A01N59/20GK102499260SQ20111030847
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者吴清林, 李维凤, 牛晓峰, 王小鹏, 连崑, 陈天宁, 陈花玲, 齐亚冬 申请人:西安交通大学