一种纳米木质素抗菌材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及抗菌材料技术领域，具体涉及一种纳米木质素抗菌材料及其制备方法和应用。

背景技术

生物质具有廉价易得、环境友好和可再生等优点，其高附加值开发利用对于缓解资源短缺和环境污染具有重要现实意义。作为自然界植物中含量第二大的组分木质素，其具有三维网状分子结构和大量共轭结构，并且富含含氧官能团，在纳米功能材料、化工助剂等领域具有广阔的应用前景。现有将木质素结合其他物质制备具有抗菌功能材料的报道，但制备过程采用的是沸水浴加热法，其能耗和成本高。因此，提供一种低成本且抑菌效果好的纳米木质素抗菌材料是非常有必要的。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种纳米木质素抗菌材料及其制备方法和应用，以解决现有抑菌材料制备过程中能耗和成本高的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将木质素加入金属盐溶液中，搅拌混匀，然后加入助溶剂，在室温-65℃条件下搅拌反应1-5h，再经透析、干燥，制得纳米木质素抗菌材料；

其中，金属盐为银盐、铜盐、锌盐和镍盐中的至少一种。

本发明的有益效果为：木质素不易溶于水中，当加入助溶剂后可有助于木质素溶解，进而形成纳米木质素，而加入的金属盐能促进纳米木质素自组装形成木质素纳米管，在特定温度和反应时间下，木质素在自组装形成木质素纳米管的同时，还可原位还原金属离子使其形成金属纳米粒子负载到木质素纳米管上。木质素纳米管的形成过程中，尺寸如直径、长径比会受金属盐、助溶剂和透析因素的影响。上述制备方法中的透析过程是为了去除多余的金属盐、助溶剂，最终得到较纯的纳米木质素抗菌材料。

此外，金属纳米粒子和木质素纳米管能协同起到抑菌作用，即制得具有抑菌作用的木质素纳米管负载金属纳米粒子的杂化纳米抗菌材料。

上述金属盐中的银盐为常见银盐，如硝酸银等；铜盐也为常见铜盐，如硫酸铜、氯化铜等；锌盐也为常见锌盐，如硝酸锌、氯化锌等；镍盐也为常见镍盐，如硫酸镍、氯化镍等。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，将木质素加入金属盐溶液中使得木质素浓度为1-10wt％。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：本发明采用的木质素为脱碱木质素、木质素磺酸钠等纯木质素试剂。木质素的浓度为1-10wt％，在这样的浓度下，才能在助溶剂条件下快速溶解，自组装形成比较纯的木质素纳米管，若浓度过高，会影响溶解以及与金属盐结合情况和最终木质素纳米管的形成率和纯度。

进一步，金属盐溶液的浓度为0.01-0.1M。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：当金属盐的浓度为0.01-0.1M，才能有效促进木质素形成木质素纳米管，同时金属盐中的金属离子形成金属纳米粒负载到木质素纳米管上，两者协同起到优异的抗菌效果。

进一步，助溶剂为醇类、非质子溶剂、质子溶剂、深共熔溶剂或离子液体。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：上述助溶剂可加快木质素在水中的溶解速度，跟金属盐搭配后可有效促进木质素纳米管的形成。

进一步，醇类为甲醇、乙醇或乙二醇；非质子溶剂为四氢呋喃或二氧六环；质子溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；深共熔溶剂为氯化胆碱/柠檬酸、氯化胆碱/乙酸；离子液体为[Amim]Cl、[Bmim]Cl、DMSO/TBAH。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：上述仅为列举的部分助溶剂，如作为助溶剂的醇类物质不仅仅是甲醇、乙醇或乙二醇可作为该技术方案中的助溶剂，还可以为其他醇类物质，只要能够起到相同的助溶作用即可，此处不一一列举。

进一步，加入助溶剂后使得助溶剂在反应体系中所占的体积浓度为10-40％。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：助溶剂的作用不仅影响木质素在水中的溶解速率，所加入的助溶剂含量还会影响所形成木质素纳米管的直径，即在木质素完全溶解条件下，木质素纳米管的直径随助溶剂含量的增多而增大。

进一步，透析过程中透析温度为20-40℃，透析时间为2-3天。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：该透析过程是为了去除助溶剂等杂质，提高抗菌材料的纯度。

进一步，上述制备方法还包括：透析后干燥前向所得物中加入碳酸氢钠，搅拌0.5-2h，再干燥；其中，所加碳酸氢钠的质量为木质素质量的25-35wt％；优选所加碳酸氢钠的质量为木质素质量的30wt％。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：当向制得的负载金属纳米粒子的木质素纳米管中加入碳酸氢钠，其调节了体系中的pH值，同时促进负载金属纳米粒子的木质素纳米管的抑菌效果。

上述制得的纳米木质素抗菌材料在抑菌方面的应用，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有抑制作用。对革兰氏阳性菌的代表菌金黄色葡萄球菌，革兰氏阴性菌的代表菌大肠杆菌的抑菌率均达到99.9％以上。

本发明具有以下有益效果：

在助溶剂和金属盐条件下，木质素分子自组装形成木质素纳米管，同时金属离子被木质素还原生成金属纳米粒子，实现了木质素纳米管负载金属纳米粒子的杂化纳米抗菌剂。该制备过程简单，条件温和，所制备的材料无毒可降解，稳定性好。

附图说明

图1为纳米木质素抗菌材料的SEM形貌图。

图2为纳米木质素抗菌材料的EDS结果图。

图3为纳米木质素抗菌材料的XRD谱图。

图4为纳米木质素抗菌材料的XPS谱图。

图5为纳米木质素抗菌材料的紫外-可见光吸收光谱图。

图6为纳米木质素抗菌材料对大肠杆菌的抗菌效果图。

图7为纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图。

图8为优化后的纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图。

具体实施方式

以下所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硝酸银水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例2：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.05M硝酸银水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为5wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例3：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硝酸银水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为10wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为30％，然后于30℃搅拌5h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例4：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硝酸银水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入N,N-二甲基甲酰胺，使得N,N-二甲基甲酰胺的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h，将所得物放入透析袋中，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，在水中透析2天，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例5：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硫酸铜水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例6：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.05M硫酸铜水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为5wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例7：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硫酸铜水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为10wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为30％，然后于30℃搅拌5h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例8：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硝酸锌水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例9：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.05M硝酸锌水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为5wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例10：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硝酸锌水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为10wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为30％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例11：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硫酸镍水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例12：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.05M硫酸镍水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为5wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

实施例13：

一种纳米木质素抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱碱木质素加入0.1M硫酸镍水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为10wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为30％，然后于30℃搅拌4h，将所得物放入透析袋中，在水中透析2天，透析温度为30℃，透析过程中换水5次，然后将透析袋中的物质取出，使用液氮将其冷冻后，再进行冷冻干燥，制得纳米木质素抗菌材料。

上述制得的纳米木质素抗菌材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有较好的抑菌效果，现以实施例1为例，来说明其材料的情况和具体的抑菌实验。

1、纳米木质素抗菌材料(Ag@NL纳米杂化材料)的表征检测

实施例1制得的纳米木质素抗菌材料的SEM形貌图如图1所示，EDS结果如图2所示，XRD谱图见图3，XPS谱图见图4，紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱图见图5。

由图1可知，银以纳米粒子形式负载到木质素纳米管上，木质素纳米管的直径为200-900nm。

由图2可知，样品表面存在Ag分布，其质量分数为7.6％，可以说明银离子被还原负载于木质素纳米管上。

由图3可知，2θ＝38.12°、44.12°、64.42°、77.34°、81.44°的五个峰分别属于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)五个银的晶面，符合银的标准PDF卡片。可以说明该纳米木质素抗菌材料中含有银单质。

由图4可知，在360-365eV之间显示出明显的Ag3d轨道峰，表面样品中银元素的存在。其中在286.4、532.13、618.6、367.18、371.28分别属于C1s、O1s、Ag3p、Ag3d5/2、Ag3d3/2的轨道峰。Ag

由图5可知，银纳米颗粒在440nm左右处存在明显表面等离子体共振带，因此在UV-Vis表征中，样品悬浮液在440nm左右出现的驼行峰可以反应银纳米颗粒的生成。

上述图中DAL为原料脱碱木质素。

2、纳米木质素抗菌材料的抑菌实验

(1)对大肠杆菌的抑菌实验

用生理盐水配置0.05g/20ml的纳米木质素抗菌材料(实施例1)悬液，然后滴入100ul大肠杆菌菌液振荡24h，然后取500ul振荡液于培养皿中，并依次按10倍梯度稀释4次，稀释样品均取500ul于培养皿中，并倒入琼脂，制备菌种培养皿，最后在37℃恒温培养24h，取出平板，比较抗菌前后平板中菌落形成情况，取菌落数在30以上的平板计数，使用平板计数法计算其抗菌率。

抗菌率＝(抗菌前菌落数-抗菌后菌落数)/抗菌前菌落数×100％

上述实验中，抑菌前菌落数为不负载银的纳米木质素条件下的菌落，抗菌后菌落数是在加入本发明纳米木质素抗菌材料条件下的菌落。

不负载银的纳米木质素，其制备过程具体为：将脱碱木质素加入0.1M氯化钠水溶液中，使得脱碱木质素的浓度为1wt％，搅拌混匀后加入四氢呋喃，使得四氢呋喃的体积浓度为20％，然后于室温条件下搅拌3h后透析，透析温度为30℃，透析时间为2天，然后冷冻干燥，制得。

对大肠杆菌的抑菌实验结果见图6，图6中为稀释2次后的样品抑菌结果，左侧为加入不负载银的纳米木质素的结果，右侧为加入本发明纳米木质素抗菌材料的结果。由图6可知，本发明制得的纳米木质素抗菌材料对大肠杆菌有很好的抑制作用，根据平板计数法计算其抗菌率达到99.9％。

(2)对金黄色葡萄球菌的抑菌实验

该实验过程与上述大肠杆菌抑菌实验过程相同，其结果见图7。图7中为稀释4次后的样品抑菌结果，左侧为加入不负载银的纳米木质素的结果，右侧为加入本发明纳米木质素抗菌材料的结果。由图7可知，本发明制得的纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌也有比较好的抑菌作用，根据平板计数法计算其抗菌率达到63.38％。

(3)优化后的纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌的抑菌实验

对纳米木质素抗菌材料的制备过程进行了优化，与实施例1不同之处在于：在透析后干燥前，向透析所得物中加入碳酸氢钠，然后搅拌1h，然后液氮冷冻，最后冷冻干燥，制得；碳酸氢钠的加入量为木质素质量的30wt％，是以碳酸氢钠水溶液的形式加入，具体为将该质量的碳酸氢钠配置为0.1M的水溶液后加入。

优化后的纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌的抑菌实验与上述抑菌实验过程相同，对照组为空白对照，其结果见图8。图8中左侧为空白对照组的结果，右侧为加入本发明纳米木质素抗菌材料的结果。

由图8可知，优化后的纳米木质素抗菌材料对金黄色葡萄球菌有很好的抑制作用，根据平板计数法计算其抗菌率达到99.9％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。