无机抗菌粉体（也称无机抗菌剂）从载体可分为硅酸盐系（包括沸石、托勃莫来石、硅胶玻璃、膨润土等），磷酸盐系（包括磷酸锆、磷酸钙等），氧化物系（包括TiO2、ZrO2、Al2O3等）和其他（如活性碳、碳纤维、络合物等）。根据抗菌剂的有效成分不同可分为银系（含Ag+、Cu2+、Zn2+等金属离子）和钛系（具有光催化作用的TiO2等）抗菌剂、载银硅酸盐系抗菌剂主要用于低温加工的纤维、塑料等产品、载银磷酸盐系抗菌剂和氧化物光触媒系抗菌。主要用于高温加工的陶瓷产品。
本研究的抗菌剂是用于陶瓷釉中生产抗菌日用瓷、卫生瓷和内墙砖等产品的载银型无机菌剂。对这种 抗菌剂的要求有：抗菌能力、耐热性、耐久性和安全性。所谓抗菌能力指抗菌抗菌剂具有广谱、高效抑菌杀菌能力；所谓耐热性指抗菌剂经高温烧成时不分解挥发、不发色，抗菌效果不下降，所谓耐久性指抗菌剂载体对银离子等的担持能力银离子等的缓释性及抗菌性能的持续长久；所谓安全性指抗菌剂对人和环境具有良好的相容性，即经口急性毒性试验：LD50＞5000mg/kg和皮肤一次刺激试验：无刺激反应以及基因突变呈阴性。
为了达到上述性能要求，本研究采用纳米粒子制备技术，研究开发出了以纳米磷酸锆粒子为载体的纳米银抗菌粉体材料，与日本的抗菌粉体相比较，具有颗粒尺寸小、粒径分布范围窄、抗菌谱广高效、无毒、耐高温、抗菌持久等特性。
2 实验过程与方法
2.1实验的原材料
NH4H2PO4，ZrOCl28H2O，AgNO3，草酸，工业纯：
Span-60,Tween－60,O·P，CMC，PVA，PEG，化学纯
2.2工艺流程
2.21 载体的合成
配料→溶解→加表面活性剂→共沉淀→过滤水洗→脱水处理→干燥→锻烧→气流粉碎→检测→包装备用
2.22抗菌粉体的制备
2.3 抗菌剂的物理性能和MIC值测试
2.31 抗菌粉体的粒度分布和平均粒度测定：按GB/T13221－91，X－射线小角散射法；实验仪器：3014X光衍射光谱仪－kratky小角测角仪，射线：Coka，负荷：35KV，30mA；狭缝：0.04mm，0.02mm，0.1mm；在冶金部研究总院测试。结果见表1。
2.32 载银抗菌粉体对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的最小发育阻止浓度（MIC值）的测试：将1×107cfu/ml浓度的大肠杆菌（8099），金黄色葡萄球菌（ATCC6538）分别接种于试验组和对照组流体培养基，置37℃振摇培养24小时，再将各管细菌转种平板培养基37℃,24小时。将1×107cfu/ml浓度的白色念珠菌0.1ml分别接种于试验组和对照沙氏培养基，置26℃，培养10天。观察并记录结果见表2。
2.4抗菌瓷片样口的制备
2.41 坯、釉配方
2.42本研究选用两种抗菌剂，一种是釉中加入纳米磷酸锆载银的抗菌剂（制备样品为1＃）；另一种是在釉料中加入日本进口的微米磷酸三钙载银的抗菌剂（制备样品为2＃）。加入质量百分数都是2%，釉料和抗菌剂经球磨制得釉浆，喷在坯体上，经干燥，分别在1100℃（样品号：1＃－1,2＃－1）、1200℃（样品号：1＃－2,2＃－2）、1300℃（样品号：1＃－3,2＃－3）及氧化气氛中烧成。
2.5瓷片的抗菌性测试
2.5.1菌种准备和培养基准备：
本试验采用的菌种为大肠杆菌（8099）、金黄色葡萄球菌（ATCC6538）和白色念珠菌（ATCC10231），取菌种第7代经37℃（白色念珠菌28℃）培养24小时的新鲜斜面培养物5ml、0.03mol/l的磷酸盐缓冲液（PBS）洗下菌苔并稀释成含菌量为106～107cfu/ml的细菌悬液备用。
培养基为：营养琼脂培养基与沙堡氏琼脂培养基。
2.5.2方法：将抗菌瓷片和不含抗菌剂的对照瓷片分别投入含5mlPBS的试管中于冰箱（4℃）放置一定时间后，用手振打，作适当稀释，吸取0.5ml作活菌计数，测试结果见表3。
2.6耐热性、耐久性和安全测试
本研究用原子吸收测定釉中在1100℃、1200℃、1300℃温度下银的含量，测试结果见表4；
各样品抗菌耐久性的测定，即将各样品在酸性和碱介质中浸渍3个月后，在清水中擦洗48小时，用自来水冲洗3个月后，对大肠杆菌（8099）测定其平均抑菌率（%），结果见表5；
本研究制备的纳米磷酸锆银抗菌粉体在江西省卫生防疫站进行了经口急性毒性测试，对家兔皮肤一次刺激性试验等安全性测试。
3结果与讨论
3.1制备工艺对抗菌粉体颗粒尺寸的影响
表1 X光小角散射的测试结果
Table1 The test results of small －angle X- ray scattering
|
粒度间隔
（mm） |
相对分布频度 |
重量百分数
（wt%） |
累计百分数
（wt%） |
|
1～10 |
16.7 |
1.6 |
1.6 |
|
10～20 |
61.7 |
6.4 |
8 |
|
20～30 |
43.5 |
4.5 |
12.5 |
|
30～40 |
68 |
7.1 |
19.6 |
|
40～60 |
58 |
12.1 |
31.7 |
|
60～80 |
100 |
20.9 |
52.6 |
|
80～120 |
39.7 |
16.6 |
69.1 |
|
120～160 |
36.7 |
15.3 |
84.4 |
|
160～220 |
11.9 |
7.5 |
91.9 |
|
220～280 |
12.9 |
8.1 |
100 |
平均粒度D＝97.8（nm）
本研究采用纳米粒子制造技术中液体处理方法：共沉淀法和Sol-gel法。从表1可知，该抗菌粉体平均粒度为97.8纳米，且分布比较窄。液相共沉淀法制备磷酸锆载体和抗菌活性成分与载体吸附，置换反应等工艺过程中，溶胶内含有大量的自由水、吸附水、结构配位水和非架桥羟基，在后续的干燥、煅烧过程中，首先排除的是自由水，随着温度的升高，吸附水，结构配位水也被排除。这些水分子具有比自由水高几倍至几十倍的表面张力，因而引起胶粒之间的聚集。最后残留的非架桥羟基的脱除，使胶粒之间强烈地结合成硬团聚体。本研究在采用静电机制和位阻机制控制沉淀反应的基础上，在干燥前引入表面活性剂S.T.O实施脱水处理工艺，通过脱去凝胶表面由吸附水、结构配位水和非架桥羟基等组成的“水膜”，控制了凝胶在干燥和煅烧过程中硬团聚体的形成，从而制备出纳米级抗菌粉体。
3.2抗菌粉体的纳米尺寸对抗菌效果的影响
表2 抗菌剂的最小发育阻止浓度MIC值（ppm）
Table2 The minimal preventing growth concentration
|
样品 |
平均粒径（mm） |
大肠杆菌 |
葡萄球菌 |
白色念珠菌 |
|
1＃ |
97.8 |
62.5 |
125 |
125 |
|
2＃ |
1300 |
250 |
500 |
500 |
表3 抗菌瓷片抑菌率（%）
Table3 The antibacterial rate of the antibacterial ceramics samples (%)
|
试验菌株 |
对照样菌数cfu/ml |
各试样任用24小时数抑菌率（%） |
|
1＃－2 |
2＃－1 |
1＃－2 |
2＃－2 |
1＃－3 |
2＃－3 |
|
大肠杆菌
（8099） |
6.2×106 |
100 |
97.23 |
99.95 |
82.26 |
99.90 |
70.30 |
|
葡萄球菌（ATCC6538） |
5.6×106 |
100 |
97.57 |
99.91 |
83.11 |
99.90 |
71.20 |
|
白色念珠菌
（ATCC10231） |
4.2×106 |
100 |
96.60 |
99.96 |
80.12 |
99.92 |
70.10 |
从表2可知，本研究制备的纳米抗菌粉体的最小发育阻止浓度（MIC）最小，仅为日本进口的抗菌粉体的四分之一，表明纳米抗菌粉体的抗菌能力最强。从表3可知，试样1＃－1与2＃－1比较，含抗菌粉都是2（wt）%，在1100℃氧化气氛下烧成的瓷片，本研究制备的抗菌粉体的抗菌效果更好。
表4不同温度下银的含量及抑菌率（%）
Table4 The siver content and the antibacterial rate
under different temperature
|
烧成温度 |
1100℃ |
1200℃ |
1300℃ |
|
试验样品 |
1＃－1 |
2＃－1 |
1＃－2 |
2＃－2 |
1＃－3 |
2＃－3 |
|
银含量（%） |
0.2 |
0.183 |
0.198 |
0.133 |
0.196 |
0.105 |
|
抑菌率（%）
（对大肠杆菌） |
100 |
97.23 |
99.95 |
82.26 |
99.90 |
70.30 |
纳米粒子是一种介于固体与分子间的亚稳中间态物质，具有颗粒尺寸小，表面能高，表面原子所占比例大等特点，其物理化学性能完全不同于微粉材料。纳米磷酸锆载体具有庞大的比表面积（用BET法检测，其比表面积高达180～200m2/g）和多微孔结构（用高分辨电镜观察发现，其表面含有许多纳米级介孔结构）。我们正是利用纳米磷酸锆的多微孔结构特征，采用特殊的化学手段和阴阳离子置换法，将Ag+置换进纳米磷酸锆载体的微孔中，然后再进行Ag+微孔中低温脱水和高温稳定等工艺，最后制备出纳米抗菌粉体材料。正是由于这种纳米材料除了具有表面与界面效应、尺寸效应之外，还有量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。因此纳米抗菌粉体的抗菌效果更强。
3.3 烧成温度对抗菌效果的影响
由表3和表4可知，抗菌粉体的载体不同，其耐热性不同。在1100℃以上，随着温度升高，银离子挥发量增高。对于用磷酸三钙为载体的抗菌粉制备抗菌陶瓷，在1200℃烧成，Ag+已挥发33.5%，在1300℃烧成，Ag+大约挥发50%，其抗菌效果明显下降。由此可见，此种抗菌粉体不宜用于烧成温度高于1100℃的陶瓷产品中。而磷酸锆为载体的抗菌粉可用于1100℃～1300℃一次烧成日用瓷和卫生瓷产品中。
3.4抗菌机理、耐久性及安全性
表5 抗菌耐久性测定结果（抑菌率%）
Table5 The test results of the antibacterial endurance
(The antibacterial rate ,%)
|
样品号 |
10%盐酸溶液浸渍3个月后 |
次氯酸钠浸渍3个月后 |
在清水中擦洗48小时后 |
用自来水冲洗3个月后 |
|
1＃－1 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
|
1＃－2 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
|
1＃－3 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
99.9 |
|
2＃－1 |
97.0 |
97.0 |
97.0 |
97.0 |
|
2＃－2 |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
82.0 |
|
2＃－3 |
70.0 |
70.0 |
70.0 |
70.0 |
有关银的抗菌机理，有关文献已报道：银的化学结构决定了银具有较高的催化能力，高氧化态的银的还原势较高，足以使其周围空间产生原子氧，原子氧具有强氧化性可以灭菌；另外，Ag+可以强烈地吸引细菌中蛋白酶上的巯基（－SH），并迅速与其结合在一起，丧失活性，导致细菌死亡。当细菌被Ag+杀灭后，Ag+又由细菌尸体中游离出来，再与其它菌落接触，周而复始地进行上述过程，这是银抗菌持久性的原因之一。据测定，水中含Ag+为0.05mg/l时，就能完全杀灭水中的大肠杆菌，并能保持长达90天内不繁衍出新的菌丛。本研究对抗菌瓷片进行了耐久性试验，由表5可知，经酸性和碱性介质3个月浸渍，在水中擦洗48小时，用水冲洗3个月后，其抗菌效果没有变化。结果表明，纳米磷酸锆和微米磷酸三钙载银抗菌粉体在陶瓷釉中具有缓释性，这是载银抗菌瓷具有抗菌持久性的另一原因。
据试验，Ag+溶出速度控制在每日每立方厘米釉料中溶出50ngAg+足以杀灭接触上的细菌。即溶出速度为50ng/cm3.d，换算成抗菌粉体则为1000mg/cm3.d，按抗菌持续时间20年计，釉中应溶出3.6×10－4g/cm3Ag+而釉中实际含有4.0×10－3g/cm3Ag+，因此，载银抗菌陶瓷抗菌时间可达20年以上。
本研究制备的纳米磷酸锆载银抗菌粉体的安全性试验结果表明：对家兔皮肤无刺激性；经口急性毒性（致半数试验动物死亡剂量）LD50＞5000mg/Kg和基因突变呈阴性。
4 结论
（1） 采用纳米粒子制备技术可制得纳米磷酸锆载银抗菌粉体材料。与日本的抗菌粉体材料相比，其突出特点是颗粒尺寸小，粒径分布窄、抗菌谱广、高效、无毒。
（2） 在陶瓷釉中添加2%(w·t)的纳米磷酸锆载银抗菌粉体，经1300℃烧成，其抗菌率仍可达到99.9%。而用日本的磷酸三钙载银抗菌粉体制备抗菌陶瓷，必须控制烧成温度在1100℃以下。否则，银的挥发量大，抑菌效果明显下降。
（3） 抗菌陶瓷经酸、碱溶液3个月浸泡和3个月水冲洗等，对抑菌效果无影响。由于载银抗菌粉体在陶瓷釉中缓释性，因此它具有抗菌耐久性。 信息来源：中国陶瓷信息资源网
|