壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法与流程

本发明属于高分子复合材料合成技术领域，具体涉及一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法。

背景技术：

金属有机框架(metalorganicframeworks,mofs)又称为金属有机配位聚合物，是近年来引起学者广泛关注和重视的一类新型多孔材料。金属有机框架(mofs)材料是一类具有只允许特定分子进入孔隙的形状和结构的材料，这类化合物主要以有机配体中的氧原子和氮原子连接无机金属离子，通过对金属离子与有机配体的选择可以获得不同组成与结构的mofs材料；通过对有机配体的设计实现对mofs孔洞尺寸与形状的调节；通过对有机配体官能团的修饰可以改变mofs孔洞表面的化学性质。由于mofs材料具有孔道可调控、较大的比表面积、特殊的金属中心(饱和或不饱和金属位点)并具有结构丰富、性能可调、可后修饰等诸多优点，在许多应用中具有很大的潜力，例如气体分离和储存，催化，传感和药物输送等。

壳聚糖(chitosan，cs)是由甲壳素脱乙酰基得到的碱性多糖，也是自然界中唯一的天然存在的阳离子聚合物，具有廉价、无毒、可生物降解、成膜性好等优点，近年来被公认为是未来极具发展潜力的绿色材料。壳寡糖具有提高免疫、活化细胞、预防癌症、降血脂、降血压、抗衰老，调节机体环境等作用，可用于医药、保健、食品领域。在环保领域壳聚糖可用于污水处理，蛋白回收，水净化等。功能材料领域，壳聚糖可用于膜材料、载体、吸附剂、纤维、医用材料等。

壳聚糖作为天然多糖几丁质的脱乙酰产物，具有诸多优良的物理化学性质，如生物相容性、生物可降解性、无毒、多反应性、低刺激性、广谱抗菌性等。壳聚糖具有广谱的抗菌性能，对多种细菌、真菌，甚至一些病毒都具有较好的抑制效果。壳聚糖表面带有丰富的氨基，这是壳聚糖具有抗菌性能的关键。目前已有大量学者研究了关于壳聚糖抗菌性的影响因素，研究发现壳聚糖的来源、脱乙酰度、分子质量、浓度等对抗菌效果的影响很大，同时环境的ph、含水量、溶剂等外在因素对壳聚糖的抗菌能力也存在显著的影响。

壳聚糖虽然具有一定的抗菌能力，但壳聚糖的抗菌能力比较温和，且只有在一定的ph条件下，其抗菌能力才能充分体现出来，这大大限制了壳聚糖抗菌能力的发挥。向壳聚糖中外加一些抗菌因子来提高其抗菌性是一种有效的方法，这种复合的壳聚糖结合了抗菌剂和壳聚糖的诸多优点，是一种极具潜力的抗菌材料。但是传统改性壳聚糖抗菌材料抗菌性能有限，改性方法复杂，甚至引入的季铵盐为高毒有害的物质，不能很好的应用在伤口愈合，食品保鲜等安全健康服务项目。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，该方法以壳聚糖、金属盐和羧酸类有机配体为原料，采用简便的水热反应或自组装的方法制备得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料（cs@mofs），采用该方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料（cs@mofs）具有卓越的广谱抗菌性能，大大提高了壳聚糖的抗菌效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，1g/ml-1000g/ml的金属盐水溶液一份，1-1000mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.1-0.5mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为0.1%-3%的壳聚糖溶液，备用；

（2）将壳聚糖溶液滴加到金属盐水溶液中充分反应3-6h，得到壳聚糖金属离子交联物；将壳聚糖金属离子交联物置入水热反应釜中，加入羧酸类有机配体溶液，混合均匀，于30-120℃下反应3-45h；

（3）取出即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

或者，一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，1g/ml-1000g/ml的金属盐水溶液一份，1-1000mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.1-0.5mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为0.1%-3%的壳聚糖溶液，备用；

（2）按体积将金属盐水溶液平均分为2份，先将壳聚糖溶液滴加到其中一份金属盐水溶液中充分反应3-6h，得到壳聚糖金属离子交联物；

（3）再将羧酸类有机配体溶液和另一份金属盐水溶液滴加入到上述得到的壳聚糖金属离子交联物中，以30-100rpm的转速，反应4-24h；取出，离心分离，去掉上清液，将下层沉淀进行干燥，即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

上述的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法中，所述的金属盐水溶液为带金属离子的水溶液，所述的金属盐包括硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌、硝酸银等中的一种或多种。

上述的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法中，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为带有羧基的有机配体；具体选用均苯三甲酸、对苯二酸、乙三胺或2-氨基对苯二甲酸等物质。

上述的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的溶剂为无水乙醇、水和二甲基甲酰胺中的一种或多种混合得到的溶剂。

本发明中配制壳聚糖溶液所用的溶剂为能够溶解壳聚糖的弱酸，可选用亚硫酸h2so3、草酸、磷酸、醋酸(ch3cooh)、甲酸、乙酸等弱酸物质。

本发明制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料在制作抗菌材料中的应用。

本发明的有益效果为：

本发明一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，该方法以壳聚糖、金属盐和羧酸类有机配体为原料，采用简便的水热反应或自组装的方法制备得到系列的复合材料壳聚糖@金属有机框架抗菌材料（cs@mofs），工艺方法简单易行，成本低廉，采用该方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料（cs@mofs）具有卓越的广谱抗菌性能，大大提高了壳聚糖的抗菌效果。

本发明首次引入有机-框架材料协同加强壳聚糖的抗菌能力，采用本发明方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料（cs@mofs）通过壳聚糖和无机金属离子双重作用提升杀毒抗菌能力，同时缓释出的低浓度的金属离子，不会对人体或作物造成伤害，可在医学领域、食品保鲜等安全健康服务项目中使用，从而减少抗生素类试剂的应用，为公共卫生服务行业提供保障支撑。

附图说明

图1为浊度法抗菌实验中从实验开始进行至2h时的四组试验组的菌悬液溶液图；

图2为浊度法抗菌实验中从实验开始进行至4h时的四组试验菌组的悬液溶液图；

图3为浊度法抗菌实验中从实验开始进行至6h时的四组试验组的菌悬液溶液图；

图4为浊度法抗菌实验中从实验开始进行至12h时的四组试验组的菌悬液溶液图；

图5为浊度法抗菌实验中从实验开始进行至24h时的四组试验组的菌悬液溶液图；

图6为抑菌圈法抗菌实验中培养24h后的抑菌圈大小情况图；

图1-5中，(i)为空白对照，(ii)为菌悬液中加入壳聚糖,(iii)为菌悬液中加入壳聚糖+铜离子，(iv)为菌悬液中加入本发明实施例2中制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

具体实施方式

实施例1

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，1g/ml的金属盐水溶液一份，1mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.1mol/l的磷酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为0.1%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为硝酸铜，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为均苯三甲酸，所用的溶剂为无水乙醇；

（2）将壳聚糖溶液滴加到金属盐水溶液中充分反应3h，得到壳聚糖金属离子交联物；将壳聚糖金属离子交联物置入水热反应釜中，加入羧酸类有机配体溶液，混合均匀，于30℃下反应45h；

（3）取出即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

实施例2

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，40g/ml的金属盐水溶液一份，70mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.3mol/l的醋酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为1.5%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为硫酸铜，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为对苯二酸，所用的溶剂为无水乙醇和水按体积比1:1的比例配制得到的溶剂；

（2）将壳聚糖溶液滴加到金属盐水溶液中充分反应4h，得到壳聚糖金属离子交联物；将壳聚糖金属离子交联物置入水热反应釜中，加入羧酸类有机配体溶液，混合均匀，于80℃下反应25h；

（3）取出即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

实施例3

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，按照100g金属盐加1ml水配制得到的金属盐水溶液一份，110mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.5mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为3%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为氯化锌，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为乙三胺，所用的溶剂为无水乙醇、水和二甲基甲酰胺按体积比1:1:1的比例配制得到的溶剂；

（2）将壳聚糖溶液滴加到金属盐水溶液中充分反应6h，得到壳聚糖金属离子交联物；将壳聚糖金属离子交联物置入水热反应釜中，加入羧酸类有机配体溶液，混合均匀，于120℃下反应3h；

（3）取出即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

实施例4

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，1g/ml的金属盐水溶液一份，1mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.1mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为0.1%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为硫酸锌，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为2-氨基对苯二甲酸，所用的溶剂为无水乙醇；

（2）按体积将金属盐水溶液平均分为2份，先将壳聚糖溶液滴加到其中一份金属盐水溶液中充分反应6h，得到壳聚糖金属离子交联物；

（3）再将羧酸类有机配体溶液和另一份金属盐水溶液滴加入到上述得到的壳聚糖金属离子交联物中，以100rpm的转速，反应4h；取出，离心分离，去掉上清液，将下层沉淀进行干燥，即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

实施例5

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，10g/ml的金属盐水溶液一份，30mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.3mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为2%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为硝酸银，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为均苯三甲酸，所用的溶剂为无水乙醇和水按体积比1:1的比例配制得到的溶剂；

（2）按体积将金属盐水溶液平均分为2份，先将壳聚糖溶液滴加到其中一份金属盐水溶液中充分反应5h，得到壳聚糖金属离子交联物；

（3）再将羧酸类有机配体溶液和另一份金属盐水溶液滴加入到上述得到的壳聚糖金属离子交联物中，以60rpm的转速，反应15h；取出，离心分离，去掉上清液，将下层沉淀进行干燥，即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

实施例6

一种壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）按重量份数取壳聚糖一份，50g/ml的金属盐水溶液一份，100mg/ml的羧酸类有机配体溶液一份；以0.5mol/l的弱酸为溶剂将壳聚糖配制成质量浓度为3%的壳聚糖溶液，备用；所述的金属盐水溶液中所用的金属盐为硝酸锌，所述的羧酸类有机配体溶液中，所用的羧酸类有机配体为对苯二酸，所用的溶剂为无水乙醇、水和二甲基甲酰胺按体积比1:1:1的比例配制得到的溶剂；

（2）按体积将金属盐水溶液平均分为2份，先将壳聚糖溶液滴加到其中一份金属盐水溶液中充分反应3h，得到壳聚糖金属离子交联物；

（3）再将羧酸类有机配体溶液和另一份金属盐水溶液滴加入到上述得到的壳聚糖金属离子交联物中，以30rpm的转速，反应24h；取出，离心分离，去掉上清液，将下层沉淀进行干燥，即可得到壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。

抑菌效果实验

采用本发明实施例2中壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的制备方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料进行抑菌试验，具体方法如下：

1、配制大肠杆菌悬液

配置一个固体活化培养基与若干液体培养基。固体培养基各组分为1%蛋白胨，0.5%酵母提取物，1%氯化钠和2%琼脂粉。液体培养基各组分为1%蛋白胨，0.5%酵母提取物，1%氯化钠，无琼脂粉。配好培养基后包扎捆好，放入设定程序为温度121℃时间20分钟的灭菌锅进行灭菌。冷却后的培养基用于活化大肠杆菌菌株和后续抗菌实验。此次实验菌株进行两次活化，确保生物活性；一次固体活化，一次液体活化，活化培养时间均为12～15h。接种0.5%浓度活化菌液入培养基，得到含有大肠杆菌的菌悬液。

2、浊度法抗菌实验

（1）试验分为(i)、(ii)、(iii)、(iv)4组，每组试验有两个重复实验，每一个实验均取用10ml含有大肠杆菌的菌悬液，(i)为空白对照，(ii)为菌悬液中加入壳聚糖,(iii)为菌悬液中加入壳聚糖+铜离子,(iv)为菌悬液中加入本发明实施例2中制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料。(ii)、(iii)、(iv)组中所加入的外加物质是同等重量的。

（2）观察4组试验组从开始至24小时的持续抗菌情况，观察4组试验组中菌悬液溶液的浑浊情况，有大肠杆菌的溶液浑浊，无大肠杆菌或少量大肠杆菌的溶液为澄清溶液。

（3）试验结果：(i)、(ii)、(iii)、(iv)4组试验组从实验开始进行至2h、4h、6h、12h、24h时的菌悬液溶液的浑浊情况如图1-5所示，从图1-5中可见，加入本发明壳聚糖@金属有机框架抗菌材料的第(iv)组菌悬液溶液最为澄清，第(i)组空白对照组最为浑浊，说明本发明制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料对大肠杆菌有很好的抗菌能力，能够抑制大肠杆菌的生长，而且其作用效果比壳聚糖以壳聚糖+铜离子的抑菌效果好，可见采用本发明方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料大大提高了壳聚糖的抗菌性能，而且具有很好的抗菌能力。

3、抑菌圈法抗菌实验

①先配制大肠杆菌菌悬液，然后制备琼脂菌板，每个琼脂板凝固后，滴加0.2ml大肠杆菌菌悬液，涂布均匀；

②制备a、b、c三种抑菌材料，a为本发明实施例5中制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料；b为壳聚糖滴定加入硝酸银溶液制备得到的产物；c为壳聚糖。

③称取相同质量的a、b、c三种抑菌材料，将干燥的三种抑菌材料打孔置入菌板上，可以一个板放多个纸片；于37℃下培养24h，观察抑菌圈大小；

④试验结果：培养24h后抑菌圈大小情况如图6所示，从图6中可见，抑菌圈最大的是a本发明得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料，可见，采用本发明制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料，具有卓越的广谱抗菌性能，能够抑制大肠杆菌的生长，而且其作用效果比壳聚糖的抑菌效果好，采用本发明方法制备得到的壳聚糖@金属有机框架抗菌材料大大提高了壳聚糖的抗菌性能。