一种新型抗菌活性材料及其制备方法和应用与流程
本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯抗菌材料。
背景技术：
近年来，人们越来越关注威胁自身生命健康的各种外在因素，特别是自然界中分布广泛的各种有害细菌和病毒，sars、禽流感以及口蹄疫等给人类带来了很大伤害，甚至危及了社会的安定和经济的可持续发展。这就使得具有抑菌、杀菌功能的各种高效广谱抗菌材料成为当今高科技、新材料研究和开发的热点之一。
复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性而被广泛应用于航空航天、国防、医疗、交通、体育等领域；有机/无机纳米复合薄膜材料是其中最具吸引力的部分，它能够兼具有机物与无机物的一些优良性质(例如有机材料的多功能性以及无机材料优良的物理学特性)、在纳米尺度上对结构进行有效的调节，进而获得更加优异的性能和广阔的应用前景，因此近年来受到了广泛的关注。
有机/无机多层复合薄膜材料的一个重要的发展方向，是将具有特殊活性，如抗菌活性的有机分子与无机物成分混合，制备成复合材料；借助其中无机物成分帮助有机物分子实现“位置稳定”及“结构支撑”的作用，以实现有机物质的功能。
传统的制备有机/无机复合多层膜的方法，主要有以下几种:
(1)分子/原子层气相沉积法。它一般是利用大型仪器的辅助，在高真空或高温等极端条件下，将固态的原材料熔化后，逐层沉积到固体基底上。过去这种方法常被用于制备无机薄膜材料，最近它也被应用在有机/无机复合多层膜的制备上。例如，曾有研究组报道，他们用逐层沉积的方法在基底上依次沉积有机分子多层及无机原子多层，最终制备了不同厚度的有机/无机复合多层膜材料。这种方法制备的薄膜材料可控性强、取向性好，但是实验条件苛刻，对实验仪器、实验材料等都有严格的要求，成本较高。
(2)电化学沉积法。用电化学沉积法制备有机/无机多层膜，一般是在电解质溶液中利用外加电场，在导电的基底上实现材料生长，最终形成复合多层膜结构的方法，它是最近几年发展起来的一种复合材料制备技术。电化学沉积法能够控制膜的厚度、组分的厚度和微结构，从几纳米到几十微米的范围内能够保证膜的有序性，得到高度有序的复合多层膜结构，然而它对原材料的带电性质有一定的要求。
(3)layer-by-layer逐层自组装技术，它的原理是，将某种具有特定表面基团的基片浸入含有功能分子的溶液中，通过固液界面化学反应，在基片表面上通过化学键(离子键、共价键、氢键等)、范德华力、偶极-偶极相互作用等形成超薄膜。lbl逐层组装技术方法简单成本低廉，可控性比较好，能够在分子尺度上对膜的厚度进行控制，因此可用于制备光学薄膜等。但是，它也具有自身的一些缺点。例如，随层数的增加，膜的无序度会大大增加，因此用这种方法制备的复合薄膜总厚度很薄(一般厚度在100纳米的范围内)，对各组分(例如纳米颗粒等)的有序性难以有效的调节和控制等。
(4)基于表面活性剂分子的共组装法，它是基于表面活性剂分子的自组装能力而产生的方法，常用的有lb膜法(逐层提拉法)，旋涂法(spincoating)，dipcoating法，溶液浇铸法(solutioncasting)等。它们都是源于含有一定浓度表面活性剂分子的混合溶液。随着溶剂的挥发，表面活性剂的浓度增大，最终将自组装形成固态多层结构，溶液中的其它组分将保留在层间，形成复合结构。
2004年，一种新的碳基材料——石墨烯(graphene)的出现，在很短时间内吸引了大家广泛的关注，它的发现者也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是单原子层的石墨作为“世界上最薄的材料”，它具有独特而卓越的电子学、热学、机械学等特性。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，它的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。因其与有机化合物化学改性后仍让具有很好的性能，如力学、热学以及电学性能，许多学者将其作为基材进行有机/无机复合膜材的制备。
卤胺是一类含有氮卤(n-x)官能团的有机化合物，通过共价键结合在氮原子上的卤原子由于带有正电荷而具有氧化性。卤胺类化合物在杀灭细菌和病毒的过程中，氧化态的卤原子被消耗导致卤胺分子中的n-x键转变成n-h键而失去活性，但经过浓度很稀的漂白液(有效成分为次氯酸盐)简单漂洗后，其中的n-h键又可以被氧化为n-cl键而重新获得杀菌功能。可见，卤胺抗菌剂具有抗菌性能可再生的特点，但其制备的材料却常因为机械性能差或者耐热性不佳而得不到推广应用。
技术实现要素：
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种新型抗菌活性材料及其制备方法和应用，其目的在于，提供一种新型抗菌活性材料，通过在石墨烯表面进行化学改性，与卤胺类化合物复合，制备出的新型薄膜材料不仅具有良好的抗菌能力和可再生能力，同时具备石墨烯材料通常具备的良好的机械性能、力学性能和热学性能，极大的推广了该类材料的应用。
本发明提供一种新型抗菌活性材料的制备方法，按照以下步骤制备得到：
s1.卤胺的制备：胺类、酰胺或亚酰胺与卤素或卤化氢直接卤代反应得到卤胺类化合物；反应式如下式4-6所示：
s2.新型抗菌活性材料的制备：将石墨烯加入乙醇溶液中，超声分散均匀，加入偶联剂和交联剂，滴加s1制备的卤胺类化合物的乙醇溶液，氮气氛中升温搅拌反应2-5h，反应停止后淬灭反应，用koh溶液调节ph，过滤，蒸馏水反复洗涤沉淀，烘干，即得；反应式如下7-9所示：
作为本发明进一步的改进，卤胺类化合物的通用结构选自以下三种：
作为本发明进一步的改进，超声条件为600-800w超声30-50min。
作为本发明进一步的改进，偶联剂为硅烷偶联剂，选自kh550、kh560、kh570、kh792、dl602、dl171中的一种。
作为本发明进一步的改进，交联剂选自二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸丙二醇酯、二甲基丙烯酸丁二醇酯和二甲基丙烯酸己二醇酯中的一种或几种。
作为本发明进一步的改进，升温步骤中，温度升至70-90℃。
作为本发明进一步的改进，koh溶液的物质的量浓度为2mol/l。
作为本发明进一步的改进，烘干步骤中，烘干温度为40℃，时间为2-4h。
作为本发明进一步的改进，新型抗菌活性材料的结构式为式一或式二或式三所示：
式一、石墨烯-胺类卤胺抗菌材料
式二和式三、石墨烯-亚酰胺类卤胺抗菌材料
其中，1<n≦100000000
本发明进一步保护根据上述方法制备的新型抗菌活性材料。
本发明进一步保护一种上述新型抗菌活性材料的的应用。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明在石墨烯表面进行化学改性，与卤胺类化合物复合，制备出的新型薄膜材料不仅具有良好的抗菌能力和可再生能力，同时具备石墨烯材料通常具备的良好的机械性能、力学性能和热学性能，极大的推广了该类材料的应用；
2.本发明制备的石墨烯/卤胺-复合抗菌材料方法简单，容易制备，为大生产提供的方法。
附图说明
图1为新型抗菌活性材料的制备工艺图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例只是本发明的部分具有代表性的实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。
实施例1新型抗菌活性材料的制备
按照以下步骤制备得到：
s1.卤胺的制备：将二乙胺与溴的四氯化碳溶液溶于二氯乙烷，加入铁粉，50℃加热反应7h，得到卤胺类化合物；
s2.新型抗菌活性材料的制备：将石墨烯加入乙醇溶液中，超声分散均匀，超声功率600w，超声30min，加入偶联剂kh560和二甲基丙烯酸丁二醇酯，滴加s1制备的卤胺类化合物的乙醇溶液，氮气氛中升温至70℃搅拌反应2h，反应停止后淬灭反应，用2mol/lkoh溶液调节ph，过滤，蒸馏水反复洗涤沉淀，烘干，烘干温度为40℃，时间为2h，即得。
实施例2新型抗菌活性材料的制备
按照以下步骤制备得到：
s1.卤胺的制备：二甲基酰乙胺与hbr的水溶液溶于甲醇，70℃加热反应5h，得到卤胺类化合物；
s2.新型抗菌活性材料的制备：将石墨烯加入乙醇溶液中，超声分散均匀，超声功率800w，超声50min，加入偶联剂kh792和二甲基丙烯酸乙二醇酯，滴加s1制备的卤胺类化合物的乙醇溶液，氮气氛中升温至90℃搅拌反应2-5h，反应停止后淬灭反应，用2mol/lkoh溶液调节ph，过滤，蒸馏水反复洗涤沉淀，烘干，烘干温度为40℃，时间为4h，即得。
实施例3新型抗菌活性材料的制备
按照以下步骤制备得到：
s1.卤胺的制备：n-乙酰-乙酰胺与单质i2的四氯化碳溶液溶于二氯甲烷，40℃反应5h，得到卤胺类化合物；
s2.新型抗菌活性材料的制备：将石墨烯加入乙醇溶液中，超声分散均匀，超声功率700w，超声40min，加入偶联剂dl171和二乙烯基苯，滴加s1制备的卤胺类化合物的乙醇溶液，氮气氛中升温至80℃搅拌反应3h，反应停止后淬灭反应，用2mol/lkoh溶液调节ph，过滤，蒸馏水反复洗涤沉淀，烘干，烘干温度为40℃，时间为3h，即得。
对照例1按照专利zl201410082193.x“一种氧化石墨烯复合龙脑的抗菌材料”的方法制备
向固态氧化石墨烯中加入无水dmf超声1h，然后加入质量比1:1的d-龙脑，在dcc作催化剂的条件下，75℃搅拌反应36h，离心水洗三次，得到产物烘干，即得。
对照例2按照专利zl201010610000.5“氧化石墨烯/溶菌酶抗菌纳米复合薄膜材料其制备方法及作为抗菌材料的应用”的方法制备
氧化石墨烯的合成。
石墨的氧化采用改进的hummers方法。作为原料的石墨是325目的粉末，纯度为99.9995％，购于alfaaesar公司，高锰酸钾、硝酸钠、浓硫酸、盐酸、双氧水等化学试剂购于南京化学试剂公司。
取2g石墨粉，与3.75g硝酸钠混合后置于大烧杯中；安装电动搅拌器，在之后的整个氧化过程中保持搅拌器持续工作。缓慢倒入170ml浓硫酸，持续搅拌2小时令试剂混合均匀。将烧杯置于冰浴中，分批次缓慢加入高锰酸钾，共22g，整个过程持续时间为4小时，之后保持在冰浴中继续搅拌8小时。撤走冰浴装置，将烧杯置于水浴中35℃下恒温搅拌30小时，至反应完全。缓慢加入温水345ml，这是一个剧烈的放热过程，因此要缓慢和小心的进行，以保证体系的温度始终不高于50℃。搅拌1天，后继续加入温水，定容至800ml。最后缓慢滴入双氧水反应掉剩余的高锰酸钾，至溶液不再变色为止(约10ml)，溶液最终变成亮黄褐色，即获得氧化石墨溶液。
蛋白溶液的准备
溶菌酶粉末购于sigma。称取10mg溶菌酶，溶于1ml磷酸盐缓冲液中，轻微震荡令其完全溶解，获得10mg/ml浓度的蛋白溶液。
硅片基底的清洗
将单面抛光的(100)硅基片，切成8*8mm尺寸的小片。分别以丙酮和酒精溶液超声清洗10分钟，取出以超纯水冲洗干净。将其置于h2so4∶h2o2∶h2o＝1∶1∶5的混合溶液中煮沸15分钟，取出以纯水冲洗，再置nh3·h2o∶h2o2∶h2o＝1∶1∶5的混合溶液中煮沸10分钟，之后取出，冲净后以n2吹干备用。
复合薄膜的制备
母液的准备
以微升进样器量取适量的蛋白溶液，滴入10μl氧化石墨烯溶液中，加入适量纯水，使溶液总体积达到50μl，轻微震荡令其混合均匀，作为样品制备的母液使用。量取的蛋白溶液体积，根据样品要求的不同浓度而有所区别。选用的母液中样品浓度范围(以溶菌酶与氧化石墨烯的质量相对浓度表示)及所量取的蛋白溶液体积分别为：溶菌酶∶氧化石墨烯＝2.5∶1，蛋白溶液＝5μl；
复合薄膜材料的制备
复合薄膜材料采用传统的溶液浇铸法制备。用微升进样器量取10μl母液，滴到清洗过的硅基片上，溶液将在硅基片亲水的表面完全铺开，覆盖住整个表面。将其置于室温环境下20小时以上令溶剂完全挥发，氧化石墨烯挟裹着蛋白质分子自组装成多层结构，即可获得硅基底上的纳米复合薄膜材料。
试验例1抑菌实验
1、供试菌种：大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、白色念珠菌；
2、供试药品：实施例1-3制备的新型抗菌活性材料、对照例1-2制备的抗菌材料；
3、培养基的制备：
lb液体培养基：蛋白胨10g、酵母粉5g、nacl10g，加纯水至1000ml，调节ph值达7.0；
lb固体培养基：牛肉膏3g、蛋白胨10g、酵母粉5g、nac110g、琼脂15～20g，加纯净水至1000ml，调节ph值达7.0高温高压灭菌，制作培养基。
将培养皿和试管用报纸包好，按照配方配制好固液培养基，然后一同放入高压灭菌锅中灭菌。固体培养基倒人培养皿中制作平板，液体配基倒入试管中。
4、菌悬液的制备：
用平板画线法将大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、白色念珠菌分别接种于lb固体培养基上，用封口膜封好，37℃置生化培养箱中培养24h活化细菌，活化后，用接种环挑取同一菌落的细菌，接种于装有lb液体培养基的试管内，然后置于气浴恒温摇床中37℃培养48h用作实验菌种。
5、药品抑菌效果的实验：
实验菌种培养好以后，在超净工作台上开始抑菌实验。将实验菌种摇匀，用移液枪移取50μl菌悬液于本发明实施例1-3、对照例1-2抗菌材料制备的平板和玻璃板上，平铺涂匀，5种实验菌，每种涂6个平板，全部排好之后，在超净台上静放10min。之后置于37℃生化培养箱内培养24h后观察培养皿内的细菌生长情况，并用千分尺对应测量各个处理组和对照组抑菌圈的直径并记录，有效果记为“+”，没有效果记为“-”，与对照组比较抑菌效果。
实验结果见表1。
表1两种药液的抑菌效果
由以上实验结果可知，对照例1制备的氧化石墨烯复合龙脑的抗菌材料主要对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和白色念球菌有明显的抑制作用；对照例2制备的氧化石墨烯/溶菌酶抗菌纳米复合材料主要对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌和革兰阳性球菌有明显的抑制作用。本发明实施例1-3制备的新型抗菌活性材料则对5种细菌均有明显抑制作用，抗菌效果明显优于对照例。
测试例2性能测试
性能测试的方法和标准如下：
将实施例1-3、对比例1-2所得抗菌材料，事先在90～100℃的鼓风烘箱中干燥2～3小时，然后再将干燥好的粒子材料在注射成型机上进行注射成型制样。材料的综合力学性能通过测试所得的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲模量、热变形温度以及冲击强度的数值进行评判。其中，拉伸性能测试按iso527-2进行，弯曲性能测试按iso178进行，热变形温度按iso75进行。结果见表2。
表2性能测试结果
由上表可知，本发明实施例制备的新型抗菌活性材料具有优异的力学性能，明显优于对照例，可广泛应用到现有的抗菌材料中。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
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