張　戀，楊　浩

1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430074

氧化鋅納米棒陣列涂層的制備及其抗菌性能研究

張戀1，楊浩2*

1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430074

采用水熱法在鋅片表面成功制備了三種不同長徑比的氧化鋅納米棒陣列涂層，通過X射線粉末衍射，掃描電子顯微鏡和接觸角測量儀對涂層的組成、形貌和潤濕性進行了表征，研究了涂層對表面黏附的金黃色葡萄球菌的抗菌性能，并探討了納米棒陣列的長徑比和表面潤濕性對抗菌性能的影響.結(jié)果表明，所制備的氧化鋅納米棒陣列涂層對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出良好的抗菌效果，隨著氧化鋅納米棒的長徑比增加，涂層表面黏附的死細菌逐漸增多，這可能是由于涂層的親水性提高而使鋅離子在表面擴散速率增加導(dǎo)致的.

氧化鋅；涂層；納米棒陣列；抗菌性

1　引　言

近年來隨著抗生素的濫用，導(dǎo)致各種耐藥菌和超級細菌的蔓延，嚴重威脅著人類的身體健康［1］，因此各種抗菌材料（也稱抗菌劑）成為人們研究的重點.其中，無機抗菌劑由于其優(yōu)良的安全性、耐久性、緩釋性和化學(xué)穩(wěn)定性，特別是無機抗菌劑不易使細菌產(chǎn)生耐藥性，成為未來抗生素最有潛力的代替品［2］.常見的無機抗菌劑包括納米銀、二氧化鈦和氧化鋅.其中納米銀的抗菌作用報道最多［3］，但關(guān)于納米銀的細胞毒性問題使其在規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用受到限制；二氧化鈦是一種優(yōu)良的無機半導(dǎo)體，在紫外光照射下表現(xiàn)出很強的抗菌效果，但在無光照的條件下抗菌活性受到抑制［4］；氧化鋅具有良好的生物相容性和低的細胞毒性，已在精細化學(xué)品和醫(yī)用方面廣泛應(yīng)用.作為一種新型的無機抗菌劑，氧化鋅具有抗菌持久、安全穩(wěn)定和耐高溫等優(yōu)點［5-6］.與二氧化鈦相比，氧化鋅在無光照條件下仍然具有較好的抗菌作用，因此氧化鋅相比其他的抗菌劑具有更好的應(yīng)用前景.將氧化鋅制成涂層，研究該涂層表面對細菌的抑制作用，對未來開發(fā)功能性抗菌涂層具有重要的意義.一方面，氧化鋅的抗菌活性與其形貌和尺寸有關(guān)，不同形貌下的氧化鋅在抗菌活性上表現(xiàn)出較大的差異［7-8］.另一方面，細菌會在一些特定形貌和潤濕性的涂層表面具有較低的粘附特性，如納米棒陣列涂層［9-10］，這些性質(zhì)也會最終影響涂層表面粘附的細菌數(shù)量.因此，本論文通過合成不同長徑比的氧化鋅納米棒陣列，研究不同形貌的氧化鋅涂層對表面粘附細菌的抑制作用，最終為設(shè)計和開發(fā)新型的氧化鋅防污涂層提供有力的數(shù)據(jù)支撐.

2　實驗部分

2.1實驗試劑

鋅片（厚度為0.15 mm）、二水合醋酸鋅、無水乙醇和無水甲醇，均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉購于天津市大陸化學(xué)試劑廠.以上試劑均為分析純.

2.2實驗方法

2.2.1氧化鋅納米棒陣列涂層的制備不同長徑比的氧化鋅納米棒陣列涂層參照文獻［11］的合成方法，制備過程如下：分別稱取0.109 8 g二水合醋酸鋅和0.2 g氫氧化鈉，將它們分別溶于無水乙醇中，配制得到0.1 mol/L醋酸鋅乙醇溶液和0.5 mol/L的氫氧化鈉乙醇溶液，將兩者分別超聲10 min后混合，得到澄清均勻的溶液，再轉(zhuǎn)移到容量為20 mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，投入清洗干凈的鋅片后，然后置于150oC烘箱中反應(yīng)24 h.反應(yīng)結(jié)束后，取出鋅片，用去離子水沖洗、干燥后得到樣品S1.其他條件不變，當(dāng)把二水合醋酸鋅溶于無水甲醇，氫氧化鈉溶于無水乙醇中，得到樣品S2；當(dāng)把二水合醋酸鋅和氫氧化鈉均溶于無水甲醇中，得到樣品S3.

2.2.2抗菌實驗將革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌（S.aureus，CCTCC AB 9993）接種到瓊脂培養(yǎng)基上，37℃恒溫條件下培養(yǎng)24 h后，用接種環(huán)挑取瓊脂板上的單菌落，置于PBS（pH為7.4）溶液中震蕩使其分散均勻，然后用PBS溶液稀釋菌液使其吸光值OD600=0.12，通過平板計數(shù)法可知，此時對應(yīng)的菌液濃度約為108CFU mL-1，再用PBS溶液稀釋5倍，使其細菌濃度約為2×107CFU mL-1.

將空白鋅片和不同長徑比的氧化鋅納米棒陣列涂層置于六孔板中，完全浸沒在5 mL的金黃色葡萄球菌的菌液中，浸泡時間為12 h.浸泡結(jié)束后，取出樣品用PBS溶液沖洗2～3遍，再滴加2滴Live/Dead細胞活性熒光試劑（Invitrogen，Molecular Probes，USA），置于4℃下暗室存放15 min，取出后再次用PBS溶液沖洗2次，然后置于常溫下自然干燥.使用Leica DMI 3000B型熒光顯微鏡（λex=450～490 nm/λem=515 nm）觀察涂層表面粘附的金黃色葡萄球菌，綠色表示活細菌，紅色表示死細菌，熒光圖像均是在200×拍攝的，每個樣品至少拍攝5個不同的點，圖像的熒光強度由圖像分析軟件Image-Pro Plus進行定量分析.

2.2.3ZnO涂層的表征采用德國布魯克公司D8 型XRD測量儀（Cu K=0.154 06 nm）對氧化鋅涂層的化學(xué)成分進行分析，掃描范圍為10°到80°，掃描速率為2（°）/min.采用日本Hitachi公司S4800型掃描電子顯微鏡對氧化鋅涂層的表面形貌和尺寸大小進行觀察，加速電壓為3 kV.采用德國Dataphysics的OCA 20型接觸角測量儀，水滴的體積3 mL，在樣品上面至少停留10 s以達到穩(wěn)定狀態(tài)，再測量樣品的靜態(tài)水接觸角，實驗結(jié)果為5次實驗的平均值.

3　結(jié)果與討論

3.1氧化鋅涂層的表征

3.1.1氧化鋅涂層的組成通過X射線粉末衍射（XRD）對水熱法制備的氧化鋅（ZnO）涂層成分進行了分析，如圖1所示，將樣品S1與氧化鋅標準譜圖 JCPDS 75～576以及鋅的標準譜圖 JCPDS 87～713進行對照，并用不同的符號對樣品出現(xiàn)的峰進行標記，其中符號○代表鋅的衍射峰，符號◇代表ZnO的衍射峰.結(jié)果表明，樣品S1出現(xiàn)了底材鋅片的衍射峰和ZnO的特征衍射峰，且沒有其他雜峰出現(xiàn)，說明所制備的樣品S1在鋅片上得到了結(jié)晶性較好，純度較高的ZnO.

圖1　水熱法制備的ZnO涂層S1的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of ZnO coating（S1）prepared by hydrothermal method

3.1.2氧化鋅涂層的形貌圖2分別是樣品S1、S2和S3的SEM圖，從圖中可知，3個樣品表面都分布了大量致密的陣列納米棒結(jié)構(gòu)，形貌較為均一.從圖2（a），（b）可以看出，樣品S1的納米棒短而粗，直徑在50～100 nm，長徑比約為4∶1；從圖2 （c），（d）可以看到，樣品S2的納米棒直徑和S1差別不大，但是納米棒的長徑比相對S1較大，約為7∶1；從圖2（e），（f）可以看到，樣品S3的納米棒細而長，直徑在30～50 nm，長徑比大于10∶1.上述結(jié)果說明，所制備的樣品S1、S2和S3的納米棒長徑比是逐漸增加的.

圖2　氧化鋅涂層（a、b）S1，（c、d）S2，（e、f）S3的SEM圖Fig.2　SEM images of the ZnO coatings（a and b）S1；（c and d）S2；（e and f）S3

圖3　靜態(tài)水接觸角（a）空白鋅片；（b）S1；（c）S2；（d）S3Fig.3　Static water contact angles of the samples（a）Zn；（b）S1；（c）S2；（d）S3

3.1.3氧化鋅涂層的潤濕性圖3是空白鋅片和氧化鋅涂層的靜態(tài)水接觸角，從圖中可以看出，空白鋅片的靜態(tài)水接觸角較大，達到了102.3°，為疏水表面，而樣品S1、S2和S3的水接觸角分別為10.1°、8.2°和6.9°，為超親水表面.隨著氧化鋅納米棒的長徑比增大，涂層表面的靜態(tài)水接觸角逐漸減小.由此可見，納米棒的長徑比會改變涂層表面的潤濕性，長徑比越大，親水性越強，這一結(jié)果與前人報道是一致的［12］.

3.2氧化鋅涂層的抗菌性能研究

當(dāng)樣品在金黃色葡萄球菌菌液中的浸泡12 h以后，如圖4所示，空白鋅片上面粘附了大量的活細菌，而氧化鋅納米棒陣列涂層表面則出現(xiàn)了明顯的死細菌，說明氧化鋅涂層表現(xiàn)出較好的殺菌性能.比較樣品S1、S2和S3的熒光圖，隨著納米棒的長徑比增加，涂層表面的死細菌逐漸增多，通過熒光強度統(tǒng)計結(jié)果（圖5）進一步發(fā)現(xiàn)，氧化鋅涂層表面的活細菌數(shù)量S1＞S2＞S3，而死細菌數(shù)量S1＜S2＜S3.分析其中可能的原因是，當(dāng)樣品在菌液中浸泡時，氧化鋅會緩慢釋放出鋅離子，通過鋅離子對細菌作用從而破壞細胞導(dǎo)致細菌死亡.當(dāng)納米棒的長徑比增加時，其親水性增強導(dǎo)致鋅離子更容易在表面擴散，同時納米棒直徑減小也有利于加快鋅離子的釋放速度，最終使得樣品的抗菌活性提高.

4　結(jié)　語

通過水熱法在鋅片表面成功制備了3種不同長徑比的氧化鋅納米棒陣列涂層，實驗結(jié)果表明，氧化鋅納米棒陣列涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性，并且對金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌效果.隨著氧化鋅納米棒的長徑比逐漸增加，涂層表面的親水性增強，對金黃色葡萄球菌的殺菌作用也逐漸增強.這一結(jié)果為今后設(shè)計氧化鋅抗菌涂層提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

圖4　樣品浸泡12 h后粘附的S.aureus的熒光圖（a）空白鋅片；（b）S1；（c）S2；（d）S3Fig.4　Fluorescence graphs of（a）Zn，（b）S1，（c）S2 and （d）S3 immersed in S.aureus culture for 12 h

圖5　空白鋅片和樣品S1、S2、S3上粘附的S.aureus熒光強度統(tǒng)計圖Fig.5　Fluorescence intensities of S.aureus adhered on Zn，S1，S2 and S3，respectively

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本文編輯：張瑞

Preparation of ZnO Nanorod Array Coating and Its Antibacterial Property

ZHANG Lian，YANG Hao*
1.School of Chemistry and Environmental Engineering，Wuhan 430074，China；
2.School of Chemical Engineering and Pharmacy，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

ZnO nanorod array coatings with three different aspect ratios were prepared on the surface of zinc plate via a hydrothermal method.The structure，morphology and surface wettability of the coatings were characterized by X-ray powder diffraction，scanning electronic microscopy，and optical contact angle meter.The antibacterial property of the ZnO coating against staphylococcus aureus was studied，and the effects of surface wettability and aspect ratio of nanorod on antibacterial properties were also discussed.The results show that the as-prepared ZnO nanorod array coatings have good antibacterial effect against staphylococcus aureus.With the increase of aspect ratio of ZnO nanorod，the amount of the dead bacteria adhered on the coating increases，probably due to the increase of surface diffusion rate of zinc ions caused by enhancement of hydrophilicity.

ZnO；coating；nanorod array；antibacterial

TQ132.4；R318.08

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.03.006

1674-2869（2016）03-0236-04

2016-04-07

國家自然科學(xué)基金（21201135）

張戀，碩士研究生.E-mail：yxyy.zl@foxmail.com

楊浩，博士，副教授.E-mail：hyang@wit.edu.cn