林业科学  2011, Vol. 47 Issue (1): 181-184   PDF    
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文章信息

黄素涌, 李凯夫, 佘祥威
Huang Suyong, Li Kaifu, She Xiangwei
杉木/TiO2复合材料的抗菌性
Antibacterial Property of China Fir/TiO2 Composite
林业科学, 2011, 47(1): 181-184.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(1): 181-184.

文章历史

收稿日期:2009-05-07
修回日期:2009-09-23

作者相关文章

黄素涌
李凯夫
佘祥威

杉木/TiO2复合材料的抗菌性
黄素涌1, 李凯夫2, 佘祥威3    
1. 西南林业大学 昆明 650224;
2. 华南农业大学 广州 510642;
3. 中南林业科技大学 长沙 410004
关键词:杉木    杉木/TiO2复合材料    光催化杀菌剂    抗菌率    抗菌性    
Antibacterial Property of China Fir/TiO2 Composite
Huang Suyong1, Li Kaifu2, She Xiangwei3    
1. Southwest Forestry University Kunming 650224;
2. South China Agricultural University Guangzhou 510642;
3. Central South University of Forestry and Technology Changsha 410004
Abstract: The small samples of China fir (Cunninghamia lanceolata)/TiO2 composite were made by sol-gel method and MWLPD (microwave assistant liquid phase deposition) method for the first time (XRD result shows the size of crystal TiO2 are 16.4 and 28.3 nm respectively). It has been verified by antibacterial testing that the antibacterial rates of samples reach up to above 90%. Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis were regarded as testing target in the antibacterial testing. The antibacterial function of samples is long lasting and broad spectrum. The testing result shows that the antibacterial effect is influenced by light supply and testing temperature. Introducing the TiO2 nanotechnology as photocatalysis antibacterial agent into wood industry will promote wood modification and development of multi-function wood product.
Key words: China fir (Cunninghamia lanceolata)    China fir/TiO2 composite    photocatalysis antibacterial agent    antibacterial rate    antibacterial property    

近来接连发生的重大致病性微生物对人类社会的危害事件,使人们对疾病控制和预防的重视提到了前所未有的高度,公众对自身居住、工作和生活环境的卫生要求越来越高,这极大促进了抗菌技术和抗菌材料的快速发展。TiO2是目前最常见的光催化性抗菌剂,具有即效抗菌效果,毒性低,安全性高。通过光催化作用进行抗菌,本身并不像其他抗菌剂会随着抗菌剂的消耗而效果逐渐下降,有持久的抗菌性能。因此,TiO2抗菌材料的研究是现代新材料科学一个极受关注的重点领域(徐瑞芬等,2002; 任成军等,2004; 郑怀礼等,2004)。

作为一种重要的建筑、装饰和装修材料,木材在人们的居住条件和生活环境中将会发挥越来越重要的作用。木材及其制品大量用于公共环境如车船、饭店、医院、娱乐等场所,这些地方往往成为微生物和细菌繁殖的温床。因此,用抗菌剂增强木材表面抗菌性能,使木材或木基复合材料表面对致病性微生物产生抑制或杀菌作用,具有重要的现实意义(龙玲等,2006)。

传统上对木材抗菌耐腐的研究,都是研究真菌(如木腐菌、霉菌和着色菌等)以及白蚁等对木材的破坏,其目的是保护木材、延长木材的使用寿命。本研究是引用纳米新材料以改进和增加木材的功能。纳米级TiO2新材料在玻璃、陶瓷、涂料、塑料、纸张等多种材料中已被广泛应用,但在木材加工业则刚刚起步。Huang等(2003)Okawa等(2002)以及Hou等(2006)都报导了木材/TiO2复合材料具有吸附、降解空气中有毒物质的效果,使木材增加了环保功能。周晓燕等(2005)以TiO2纳米粉末与脲醛胶、水混合喷施刨花板,使该板材具有自洁功能。王卫东等(2004)、龙玲等(2006)、叶江华(2006)以TiO2作抗菌剂研究了抗菌型复合板,均获得了明显的抗菌效果。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方主要人工速生林树种,是工业重用材。但目前利用水平不高,加工增值较低;加之经营上的一些问题,使种植悠久的杉木产业面临许多困境。纳米材料新技术已使许多工业领域产生了革命性的变化,引进纳米材料新技术改善和增加杉木的功能,将是杉木产业解困和增值的重要科技手段。本项目致力于此目的,研究杉木/TiO2复合材料的制备方法、工艺以及产品的分析和功能评估,本文报导杉木/TiO2复合材料的抗菌性。

1 材料与方法 1.1 材料

1) 菌种、培养基及洗脱液  大肠埃希氏菌(Escherichia coli) NICPBP 44113-5,购自中国药品和生物制品检定所;鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium) NICPBP50115,购自中国药品和生物制品检定所;金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus) 26003,购自中国医学细菌保藏管理中心;枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),由华南农业大学农学院微生物实验室提供。

试验采用LB培养基、LB培养液,选取0.1 mol·L-1的NaOH溶液或0.1 mol·L-1的HCI溶液灭菌后作为菌悬液初始pH值调节液。除特别说明,试验中菌悬液初始pH值为7.0~7.2。试验采用的洗脱液为0.8%灭菌生理盐水。

2) 材料  杉木原料采自广东江门五邑地区林区,30~35年生,活立木伐下后截断剖成小木方,刨切成薄木,用剪刀裁成小试样,先气干再放入烘箱中干燥到绝干状态后备用。本文中抗菌性测试所用木材均为杉木边材。

采用溶胶-凝胶法和微波辅助液相沉积法制备杉木/TiO2纳米复合材料。

溶胶-凝胶(sol-gel)法:以钛酸正丁酯、二乙醇胺、无水乙醇、蒸馏水等为原料,按一定配比制备溶胶,将制好的木材样品作为基体在溶胶中浸渍提拉并辅以超声波振荡,使基体上薄膜均匀一致。再经微波处理后,发生水解和缩聚反应,在杉木基体上形成TiO2膜层。经XRD测试计算,膜层上TiO2晶体微粒的粒径平均值为16.4 nm。

微波辅助液相沉积(MWLPD)法:以氟钛酸铵(NH4)2TiF6、硼酸H3BO3、蒸馏水为原料,按一定配比制成溶液。将制好的木材样品作为基体浸入溶液中,并辅以超声波振荡和微波加热,形成并析出TiO2晶体附着于木材样品的表面,再经微波处理制得杉木/TiO2复合材料。经XRD测试计算,膜层上TiO2晶体微粒的粒径平均值为28.3 nm。

材料编号: A.未经处理的杉木木材; B. sol-gel法制备的杉木/TiO2复合材料; C. MWLPD法制备的杉木/TiO2复合材料。本抗菌性试验所用的所有材料尺寸均为20 mm×20 mm×0.2 mm。

3) 设备  恒温培养箱(37±1)℃,RH≥90%;光照培养箱; 冷藏箱0~5 ℃; 振荡培养箱; 光电比色计; 超净工作台; 压力蒸汽灭菌器; 电热干燥箱; 150 W自镇流荧光高压汞灯; 30 W自滤色紫外线灯等。

TiO2微粒晶相与粒度分析采用D/Max-A型X射线多晶衍射仪(日本产)。

1.2 方法

1) 抗菌性评价方法  目前尚无木材抗菌性检测和评价的相关国家标准。本试验采用了2种评价方法,以未处理的杉木木材为对照,对经sol-gel法和MWLPD法处理后得到的杉木/TiO2复合材料进行抗菌效果的评价:一种是菌悬液光密度(OD)值的定性评价,在同等条件下,OD值降低,表示微生物总量减少,即抗菌性增强;另一种是在进行平板培养后,参考国标GB/T 4789.2-2003《食品卫生微生物学检验菌落总数测定》中的方法进行菌落计数,并将菌落总数进行对比,按下式计算复合材料相对于杉木木材的抗菌率,并以该计算所得的抗菌率来评价复合材料相对于杉木木材的抗菌效果。

抗菌率(%)=(木材组菌落数-杉木/TiO2复合材料组菌落数)/木材组菌落数×100%。

2) 抗菌性测试方法   ①光密度值测定  将A, B, C 3种材料的样品灭菌并在紫外灯下照射0.5 h后放入灭菌锥形瓶中,加入一定比例的菌悬液和培养液,置于振荡培养箱中振荡培养(开启箱内日光灯),分别在12和24 h时测溶液的OD值,比较菌悬液浓度变化。增加一组空白样做比较,即瓶内不放任何样品,只加入菌悬液和培养液。重复3次试验,按平均值计算结果。

② 平板培养活菌计数  将A, B, C 3种材料的样品灭菌并在紫外灯下照射0.5 h后放入灭菌平皿中,分别移取15 mL菌悬液加入平皿与样品充分接触,20 min后取出样品放在另外的灭菌平皿中,置于恒温恒湿培养箱中培养。每种材料同时做3个样品。24 h后取出,分别移取10 mL洗脱液对每个培养皿中样品进行洗脱,对洗脱后的菌液10倍递增稀释2次,制成不同浓度梯度的稀释液,各取0.2 mL涂于预先制好的平板培养基中,每个稀释度同时做3个样品。置于恒温恒湿培养箱中培养24 h后,按GB/T4789.2-2003方法活菌计数。重复3次试验,每种材料有9个样品,3种材料共计27个样品,243个平板培养活菌计数,按各自的平均值计算结果,并以此结果计算最终的抗菌率。

3) 不同光照条件试验方法  纳米TiO2的抗菌机理是基于光催化反应,其光催化作用和效果与光源有很大关系,故本试验也考察了在不同光源条件下的抗菌率变化。取用了紫外光灯、高压汞灯、自然光、日光灯以及微光几种条件。紫外光灯和高压汞灯培养条件是在培养时直接将灯管放在培养箱中开启照射,关闭其他光源; 自然光是完全自然状态,没有使用任何光源; 日光灯是将培养箱中的日光灯管开启照射; 微光是用半透明的深色布将培养箱的箱门盖住,同时关闭箱内光源。

4) 菌种保藏、活化,菌悬液配制、培养  按微生物学常规方法进行。

2 结果与讨论 2.1 杉木/TiO2复合材料对菌悬液的抗菌作用

在菌悬液中分别浸泡材料A,B,C,分别培养12和24 h后测OD值,结果见表 1

表 1 菌悬液培养1224 h后的OD Tab.1 OD values after 12 and 24 h

表 1显示:杉木经TiO2处理后,菌悬液的OD值较杉木木材(A)大大降低,表明TiO2对大肠埃希氏菌等4种菌的菌悬液有明显的抗菌作用, 而未经TiO2处理的杉木木材(A)OD值与空白样基本一致, 说明在该试验条件下杉木木材未表现出抗菌作用。

2.2 杉木/TiO2复合材料对不同菌种的抗菌率

用大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及枯草杆菌4个不同菌种分别进行抗菌检测,并结合检测杉木/TiO2复合材料制备后放置时间对抗菌率的影响,在1个月、6个月和1年3个时间段内分别检测抗菌率, 结果见表 2

表 2 杉木/TiO2复合材料对不同菌种抗菌率 Tab.2 Antibacterial rate of different bacterials

表 2可见:杉木/TiO2复合材料对于大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及枯草杆菌的抗菌率基本都在90%以上。样品制备后放置1个月、6个月和1年,抗菌率基本没有变化。通常,大肠埃希氏菌可作为典型的革兰氏阴性肠道菌的代表,金黄色葡萄球菌可作为典型的革兰氏阳性化脓菌的代表,鼠伤寒沙门氏菌可作为毒性大、严重危害健康的病菌代表。这一结果说明杉木/TiO2复合材料的抗菌作用非常显著,其抗菌作用具有广谱性,且并未随时间延长而有明显减弱。

2.3 不同光源对杉木/TiO2复合材料抗菌性的影响

在紫外光、高压汞灯、自然光、日光灯、微光5种光源条件下,杉木/TiO2复合材料对大肠埃希氏菌抗菌性的影响结果见表 3

表 3 杉木/TiO2复合材料在不同光源下抗菌率 Tab.3 Antibacterial rate of different light sources

表 3表明: B和C一致地显示出杉木/TiO2复合材料在不同光源条件下抗菌率的差异。紫外光和高压汞灯下,抗菌率高达99.99%以上,自然光和日光灯下,抗菌率90%~93%;微光下只有80%。不同光源条件下复合材料抗菌率有差异,这是由不同光源特质和对TiO2光催化能力的影响决定的。紫外光和高压汞灯本身就有杀菌作用,并且这种光源下TiO2的光催化活性为最强,2种因素的叠加导致复合材料表现出极强杀菌效果。

2.4 不同温度下杉木/TiO2复合材料的抗菌性

在10,20,30和37 ℃ 4种温度下,杉木/TiO2复合材料对大肠埃希氏菌的抗菌作用结果见表 4

表 4 杉木/TiO2复合材料在不同温度下抗菌率 Tab.4 Antibacterial rate of different temperatures

表 4可见:在试验温度10~37 ℃范围内,2种杉木/TiO2复合材料的抗菌作用非常一致,都有明显抗菌效果,抗菌率均随着温度升高而递增。在低温10 ℃时,2种材料仍有较好的抗菌作用,抗菌率也都在85%以上。不同温度下复合材料抗菌率有差异,这可能是环境温度对细菌的生长繁殖以及对TiO2光催化活性的影响所致。

3 结论 3.1 杉木/TiO2复合材料具有显著而广谱的抗菌性

根据杉木/TiO2复合材料对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和枯草杆菌这4种有代表性菌种的抗菌测试,不论是对4种菌的菌悬液的检测(表 1),还是分别对4种菌的检测(表 2),其抗菌性都非常显著。复合材料制备后放置1个月、6个月、1年3个时间段内,对上述4种菌的抗菌检测结果表明其抗菌率基本没有变化。因此,认为该复合材料具有显著而广谱的抗菌性,且抗菌性呈现一定稳定性和持久性。

3.2 杉木/TiO2复合材料抗菌性受光源和温度影响

不同光源和温度条件的测试结果显示,复合材料抗菌性受光源和温度影响。在紫外光和高压汞灯下虽然复合材料抗菌率高达99.99%,但这种光源在实际应用中受到限制。在自然光和日光灯下,复合材料抗菌率也都在90%以上,因此它仍具有广泛的利用价值。在10~37 ℃试验温度下,随着温度递增,抗菌率略增。虽然10 ℃低温下抗菌率低于37 ℃,但仍都在85%以上,抗菌效果仍较为明显。

3.3 2种方法制备的杉木/TiO2复合材料,抗菌功能相近

采用以钛酸正丁酯为主要原料的sol-gel法制备的复合材料,和采用以氟钛酸铵为主要原料的MWLPD法制备的复合材料,在抗菌试验中(不同菌种,不同光源,不同温度)均表现出相近的抗菌率。个别试验中的微小差异,是由于TiO2光催化杀菌作用与TiO2微晶粒径和TiO2在杉木中存在的状态有关。试验样品都是实验室常规制备的小样,有关大样本以及产品开发时的配方、工艺、设备、成本等许多问题有待进一步研究。

3.4 杉木/TiO2复合材料的研发有广阔前景

我国林业部门已明确提出,加速高新技术的应用和渗透是林业发展规划和产业升级的战略需求。鉴于TiO2纳米材料所具有的良好功能特性和在其他领域中应用所取得的成果和经济效益,在木质材料功能化改良中引入这一新材料新技术,为木质材料高值化利用提供了新思路和新手段。杉木/TiO2复合材料的研发,为促进我国重要速生用材杉木的深度加工、开发多功能复合材料新产品提供有效途径。

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