纳米银复合涂层对空间下行微生物杀菌性能的实验研究

载人航天

Manned SpaceflightVol.22 No.4 Aug. 2016

纳米银复合涂层对空间下行微生物杀菌性能的实验研究

随欣1，杨宇\\秦利锋2,杨军1,高龙成“，吴志强2,谢琼2,马玉飞2,刘长庭3

(1.仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室，北京航空航天大学化学与环境学院，北京100191;

2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094;

3.总医院南楼呼吸科，北京100853)

摘要：针对长期空间环境影响下微生物腐蚀的问题,提出纳米银复合含氟高分子涂层抗腐蚀杀 菌策略。将不同含量的纳米银引入含氟高分子中得到纳米银复合涂层材料，以具有强烈腐蚀 性的少动鞘氨醇单胞菌作为杀菌对象，测试了银纳米复合材料的杀菌性能，证实了复合材料涂 层对该菌的杀菌效果，且随着纳米银含量的提高，对空间下行少动鞘氨醇单胞菌的杀菌能力逐 渐增强。关键词：少动鞘氨醇单胞菌；纳米银;含氟高分子；杀菌中图分类号：V7 文献标识码:A文章编号= 1674-5825(2016)04-0520-05

Research on Sterilization Performance of Nano-silver

Composite against Microorganism Cultured in Space

SUI Xin1 , YANG Yu1 , QIN Lifeng2 , YANG Jun1 , GAO Longcheng1 * ,

WU Zhiqiang2 , XIE Qiong2 , MA Yufei2 , LIU Changting3

(1. Key Laboratory of Bio-inspired Smart Interfacial Science and Technology of Ministry of Education, School of Chemistry and Environment, Beihang University, Beijing 100191, China； 2. China Astronaut

Research and Training Center, National key Laboratory of Human Factors Engineering, Beijing 100094, China； 3. Department of Respiratory Disease in South Building, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China)

Abstract ： Microbiologically influenced corosion ( MIC) in space materials is a serious threat to the

health of astronaut and the safety of equipments. Composites coating with different amount of nano siliver were prepared for the sterilization of Sphingomonas paucimobilis. The sterilization ability of the nano-silver/fluorine-containing polymer composite increased with the increase of nano-silver con­tent in the composite. The results indicate that the composite coating has excellent sterilization effect.

Key words：Sphingomonas paucimobilis； nano silver； fluorine-containing polymers； sterilization；

1引言

美国、苏联/俄罗斯以及中国的航天实践表

膜[5]，它们的生长繁殖和代谢会腐蚀这些材 料[6-8],严重威胁空间站安全，缩短空间站的使用 寿命[9-10],且易于产生损害航天员的身体健康，造 成设备故障等问题。因此,开展抗腐蚀杀菌材料 研究，无论是对于微生物源的控制,还是在轨运行 过程中的检测防护都具有重要意义[11-13]。

对神舟系列飞行任务的飞船表面进行了微生

明：载人航天器密闭环境条件下容易滋生细 菌[|-2],这些微生物能在密闭舱室内的金属或合金 材料器件[3]、高分子复合材料[4]、无机非金属等 电路板和仪表盘以及航天服等材料上形成微生物

收稿日期:2015-12-M;修回日期:2016-06-13

基金项目：载人航天预先研究项目（040203)作者简介：随欣（1990 -),女，博士研究生，研究方向为功能高分子。E-mail:suixiii_1991@ 126. com *通讯作者:高龙成（1981 -),男，博士，副撤授，研究方向为功能高分子。E-mail:lcgao@ buaa. edu. cii

第4期随欣，等.纳米银复合涂层对空间下行微生物杀菌性能的实验研究

521

物的采集和分离纯化，得到了多株腐蚀菌[1415]。 对这些下行菌和搭载菌进行腐蚀规律研究发现,

少动銷氣醇单胞菌（Sphingomonas paucimobilis

H1)对测试的近十种空间材料如高分子材料、金

0. 1 mol/L的100 mL;3)Tris(三羟甲基氨基甲烷）-

HCl缓冲溶液，先配制好0. 1 mol/L的Tris溶液和

0. 1 mol/L的HCl溶液，再取50 mL的Tris溶液 (0. 1 mol/L)与 14. 7 mL 的 HCl 溶液（0. 1 mol/L)混合，装入100 mL容量瓶中定容，最终浓度为 0. 05 mol/L,pH 为 8. 5。

2. 1.4纳米银复合材料的制备

属等均具有严重的腐蚀行为。因此，须针对材料 进行改性、涂层处理以提高对空间微生物，特别是 对少动鞘氨醇单胞菌的防腐抗菌能力。

含氟高分子是分子结构中含有一定比例氟碳 单元的高分子聚合物，由于F-C键十分稳定，其键 精确称取一定量的纳米银和含氟高分子（氟 碳漆）前聚体，在烧杯中剧烈搅拌1 h,使纳米银 能远大于其同族的C-Cl及C-Br键，也比C-H键 要强，这使得含氟聚合物在耐候性、耐化学药品 性、憎水性、憎油性及耐沾污性等方面，具有其他 涂料无法比拟的优势[16]，因此选用含氟高分子作 为金属表面的防腐蚀涂层[I7-IS]。除此之外，纳米 银抗菌效果良好、抗菌效果范围广且安全无毒，已 经在食品卫生、环境保护等领域得到广泛应 用[19-21]。因此提出在含氟高分子涂层中引入纳 米银，形成纳米银复合涂层材料，以增强材料的防 腐杀菌的功能。

2材料制备及测试方法2. 1材料制备2. 1. 1

培养基的制备

牛肉膏蛋白胨液体细菌培养基:牛肉膏3 g

(0.3%),蛋白胨 10 g(1%) ,NaCl5 g(0.5%),去 离子水 1 L,pH 7. 0 ~7. 2。

牛肉膏蛋白胨固体细菌培养基:1 L的牛肉 膏蛋白胨液体细菌培养基中加入15 g琼脂配制 而成。

2. 1.2菌悬液制备

液体培养基:将已灭菌的液体培养基倾入约 50 mL至灭菌的三角瓶（150 mL)中。用经火焰 灭菌后的接种环从平板培养上挑取活化菌种的 一个菌落，于液体培养基中靠壁划线，在30丈， 220 r/min下摇床培养24 h。

菌悬液:取活化菌培养液40 mL至50 mL离 心管中，编号，离心，去掉上清液。将底部菌团溶 于生理盐水(0. 8% NaCl)中，配制为混合菌悬液。 0D600 分别为 1.0、0. 8。2. 1. 3

氯化三苯基四氮唑(TTC)显色溶液制备 需要用到3种溶液，具体如下:1)TTC溶液，浓 度为1 g/L的100 mL;2)葡萄糖溶液，浓度为

与高分子混合充分。之后加入10% (质量比）的

交联剂，搅拌10 min。将烧杯放入真空干燥箱

20 min以除去体系的气泡，取出，将纳米银/高分

子混合液涂于金属表面，置于45丈干燥箱中，放 置一天后，得到金属表面的纳米涂层;也可将混合 液涂于玻璃表面，以相同的处理方式得到含银纳 米复合材料，因复合材料与玻璃的粘附力比较弱， 可以将材料从玻璃上剥离下来，得到自支撑的膜， 用于杀菌实验的研究。2. 2测试方法

2. 2. 1

材料结构测试

对纳米银复合材料进行广角X射线衍射 (WAXD)测试，所用仪器是Bruker GADDS

D8discover,扫描范围 35°到 85°。2. 2. 2

纳米银复合材料的杀菌性能测试

选择TTC显色法进行杀菌性能的测试。其 显色机理是:TTC可以通过细胞壁和细胞膜被活 菌摄取，活菌新陈代谢时，脱氢酶作用于营养物 质，使其氧化脱氢，TTC可作为还原氢的受体，被 还原为红色的1,3,5-三苯甲臢（TF),TF不溶于 水，但能溶于甲苯等有机溶剂，所以可用甲苯等有

机溶剂将生成的TF萃取出来，萃取出来的TF越 多，颜色越深，从而可以推断体系中的活菌数量越 多，颜色越浅，表明杀菌效果越好[22]。该方法与 传统检测方法相比，具有操作简单，耗时短，现象 明显等优点[23]。

加入4 mL培养24小时的大肠杆菌菌液（用 分光光度计测得其光密度0D值为0. 8,测试条件 为600 nm,水为参比），然后再分别加入涂层4 g, 再加入4 mL超纯水。摇匀，放入37丈恒温水浴 锅内恒温反应48小时，反应后加入2 mL葡萄糖 溶液(0. 1 mol/L),2 mL TTC 溶液（1 g/L),2 mL

Tris-HCl 缓冲溶液(0. 05 mol/L,pH =8. 5)观察颜

522载人航天第22卷

色变化。2. 2. 3微生物形貌表征

用QUANTA FEG250 FEI扫描电子显微镜 (SEM)观察杀菌前后微生物的形貌变化。将抗 菌杀菌测试前后的材料经过固定、脱水、干燥、喷 金操作后，进行SEM观察。3

结果与讨论

a.背

景，

丄

40 50 60 70 80

3.1纳米银复合材料表征结果

b.0%，c.0.25%,

Scattering angle/degree

d.0.51%，e.0.73%，f.1.1%。

选取商品化的纳米银（粒径在30〜50 nm之 间），通过“先预混后交联”的方式，将纳米银引入 到高分子基体当中。从图1(a)可以看到，纳米粒 子在高分子基体中得到了良好的分散，得到的复 合材料是透明的。这为后续的研究和使用奠定了 基础。将纳米银复合材料涂覆在金属样品表面， 形成了金属的保护膜，这为金属的防腐抗菌提供 了保障，如图1(b)、（c)。涂层在金属表面的附 着非常牢固，除了利用刷涂的方式外，含氟高分子 材料的前聚体的粘度比较低，可以利用喷进行 施工，提高了材料的使用便利性。

a b

a.银纳米离子含氟高分子复合涂层材料，b.纳米银复合涂层涂覆在铜表面的数码图片，

c.纳米银复合涂层涂覆在铜表面的数码图片

图1纳米银含氟高分子复合涂层材料数码图片 Fig. 1 Digital photo of nano silver composite fluori-

nated polymer coating material

广角X-射线衍射实验（结果如图2)表明： 纳米银在复合涂层材料中的晶型保持不变，晶 型是cubic晶体结构；对于不同纳米银含量的 复合材料，纳米银的特征峰（2(9 = 37. 9°)强度 随着纳米银含量的增加而逐渐增强；纳米银成 功与涂层材料复合，并且含量越高，衍射峰强 度越大。

3.2纳米银复合涂层材料杀菌性能测试结果与 讨论

选取少动鞘氨醇单胞菌H1作为研究对象， 测试制备的纳米银复合材料的杀菌性能。将不同

图2不同含量纳米银粒子复合材料的广角X-射线衍射

Fig. 2 SAXS of different content of nano silver compos­

ite materials纳米银含量的复合材料加入到微生物溶液中。利 用TTC显色法快速检测杀菌效果。

未加任何高分子材料的空白组，其甲苯萃取 溶液的颜色为深红色，表明溶液中少动鞘氨醇单 胞菌的活性非常好，顺利将TTC转换成红色的

TF。加入不含纳米银的高分子作为对照组，材料

尽管没有杀菌性能，但对少动鞘氨醇单胞菌具有 一定的粘附作用，使溶液少动鞘氨醇单胞菌浓度 有所下降，从而使TTC转换的TF量有所减少，甲 苯萃取液的颜色略有变浅。当加入纳米银含量为 0. 25%的复合材料时，材料中的银离子迁移到细 菌培养液中，对少动鞘氨醇单胞菌具有杀菌作用， 甲苯萃取液的颜色变浅。表明纳米银复合材料起 到了一定的杀菌功能。提高纳米银的含量，把纳 米银含量为0. 51%的复合材料加入到少动鞘氨 醇单胞菌的菌液中，其他条件不变，得到的TF萃 取液颜色进一步变浅，进一步提高纳米银的含量 至0. 73%，复合材料对少动鞘氨醇单胞菌的杀菌 能力得到充分体现，银离子从复合材料中渗透到 溶液中，杀死了大部分的鞘氨醇单胞菌，从而抑制 了 TTC向TF的转变，TF的甲苯萃取溶液的浓度 非常低，几乎观察不到溶液的颜色，如图3所示， 表明纳米银含量的提高，对少动鞘氨醇单胞菌的 杀菌效果得到提高

从上述结果可以看出，纳米银复合涂层材料 对少动鞘氨醇单胞菌具有优良的杀菌性能，通过

TTC检色法迅速的检验出其杀菌性能。如图3所

示，随着材料中纳米银的含量增加，TF溶液的颜 色逐渐变浅，直至无色，表明复合材料对少动鞘氨 醇单胞菌的杀菌能力逐渐增强。

第4期随欣，等.纳米银复合涂层对空间下行微生物杀菌性能的实验研究

523

能是银离子从材料内部扩散到表面，与细菌中的 巯基酶结合，使酶失去活性，从而起到杀菌的作 用[24];也可能是溶液中的银离子进入细菌，与体

内的DNA结合，从而抑制了细菌的生长与繁殖。 总体来说，纳米银复合材料对人体毒副作用

空白

无Ag

0.25% Ag 0.51% Ag 0.73% Ag

小[25]，使用方便，对空间下行菌的杀菌能力强，是 一类优异的防腐抗菌材料。

本文针对空间下行微生物少动鞘氨醇单胞菌 对金属等空间材料的腐蚀问题，提出了纳米银复 图3 不同纳米银含量（对照，0% , 0• 25% , 0• 51% ,

0.73%)的复合材料对少动鞘氨醇单胞菌H1 的抗菌效果图

Fig. 3 Antibacterial property of different content of

nano silver composite material against Sphin-

gomonas paucimobilis H1

3.3涂层材料表面微生物形貌变化分析

利用扫描电子显微镜可以对杀菌前后的细菌 形态进行观察。如图4所示，在不含纳米银的材 料表面可以看到完整的少动鞘氨醇单胞菌，细菌 颗粒饱满，有立体感，说明都是正常菌。而纳米银 改性处理的材料表面粘附的细菌数量极少，并且 细菌形状发生变化，说明纳米银复合材料起到了 良好的杀菌效果，由于含氟高分子本身具有低黏 附力，细菌死亡后难以在材料表面附着，因此纳米 银含量为0. 51%，0. 73%的材料表面没有发现细 菌的存留。对比图4-c、d，少动鞘氨醇单胞菌在金 属材料铜片和铝片的扫描电镜图片，大量细菌生 存在金属表面，必定会渐渐腐蚀材料。

a.空白，b.〇.25%Ag，C.H1对铜片的腐蚀，d.Hl对铝片的腐蚀

图4

纳米银复合涂层对少动鞘氨醇单胞菌H1的抗

菌效果及少动鞘氨醇单胞菌H1对金属材料腐 蚀的SEM图

Fig. 4 SEM of aitibacterial property of nano silver

composite material against Sphingomonas paucimobilis H1 and the corrosion of H1 to metal material

4结论

目前关于纳米银的杀菌机理还没有定论，可

合含氟高分子涂层进行防护杀菌的策略，利用 TTC显色法测试其杀菌能力。研究发现，纳米银 复合含氟高分子涂层对少动鞘氨醇单胞菌具有优 异的杀菌能力，且随着纳米银含量的提高，杀菌能 力逐渐提高，这对于空间金属材料的防护具有重 要意义。

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物