1 引言

    美國、蘇聯(lián)/俄羅斯以及中國的航天實(shí)踐表明： 載人航天器密閉環(huán)境條件下容易滋生細(xì)菌，這些微生物能在密閉艙室內(nèi)的金屬或合金材料器件、高分子復(fù)合材料、無機(jī)非金屬等電路板和儀表盤以及航天服等材料上形成微生物膜，它們的生長繁殖和代謝會(huì)腐蝕這些材料，嚴(yán)重威脅空間站安全，縮短空間站的使用壽命，且易于產(chǎn)生損害航天員的身體健康，造成設(shè)備故障等問題。因此，開展抗腐蝕殺菌材料研究，無論是對(duì)于微生物源的控制，還是在軌運(yùn)行過程中的檢測(cè)防護(hù)都具有重要意義。

    對(duì)神舟系列飛行任務(wù)的飛船表面進(jìn)行了微生物的采集和分離純化，得到了多株腐蝕菌。對(duì)這些下行菌和搭載菌進(jìn)行腐蝕規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，少動(dòng)鞘氨醇單胞菌（ Sphingomonas paucimobilisH1） 對(duì)測(cè)試的近十種空間材料如高分子材料、金屬等均具有嚴(yán)重的腐蝕行為。因此，須針對(duì)材料進(jìn)行改性、涂層處理以提高對(duì)空間微生物，特別是對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的防腐抗菌能力。

    含氟高分子是分子結(jié)構(gòu)中含有一定比例氟碳單元的高分子聚合物，由于F-C 鍵十分穩(wěn)定，其鍵能遠(yuǎn)大于其同族的C-Cl 及C-Br 鍵，也比C-H 鍵要強(qiáng)，這使得含氟聚合物在耐候性、耐化學(xué)藥品性、憎水性、憎油性及耐沾污性等方面，具有其他涂料無法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此選用含氟高分子作為金屬表面的防腐蝕涂層。除此之外，納米銀抗菌效果良好、抗菌效果范圍廣且安全無毒，已經(jīng)在食品衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此提出在含氟高分子涂層中引入納米銀，形成納米銀復(fù)合涂層材料，以增強(qiáng)材料的防腐殺菌的功能。

    2 材料制備及測(cè)試方法

    2. 1 材料制備

    2. 1. 1 培養(yǎng)基的制備

    牛肉膏蛋白胨液體細(xì)菌培養(yǎng)基： 牛肉膏3 g（ 0. 3%） ，蛋白胨10 g（ 1%） ，NaCl 5 g（ 0. 5%） ，去離子水1 L，pH 7. 0 ～ 7. 2。

    牛肉膏蛋白胨固體細(xì)菌培養(yǎng)基： 1 L 的牛肉膏蛋白胨液體細(xì)菌培養(yǎng)基中加入15 g 瓊脂配制而成。

    2. 1. 2 菌懸液制備

    液體培養(yǎng)基： 將已滅菌的液體培養(yǎng)基傾入約50 mL 至滅菌的三角瓶（ 150 mL） 中。用經(jīng)火焰滅菌后的接種環(huán)從平板培養(yǎng)上挑取活化菌種的一個(gè)菌落，于液體培養(yǎng)基中靠壁劃線，在30 ℃，220 r /min 下?lián)u床培養(yǎng)24 h。

    菌懸液： 取活化菌培養(yǎng)液40 mL 至50 mL 離心管中，編號(hào)，離心，去掉上清液。將底部菌團(tuán)溶于生理鹽水（ 0. 8% NaCl） 中，配制為混合菌懸液。OD600 分別為1. 0、0. 8。

    2. 1. 3 氯化三苯基四氮唑（ TTC） 顯色溶液制備

    需要用到3 種溶液，具體如下： 1） TTC 溶液，濃度為1 g /L 的100 mL; 2） 葡萄糖溶液，濃度為0. 1 mol /L的100 mL; 3） Tris（ 三羥甲基氨基甲烷） -HCl 緩沖溶液，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） 與14. 7 mL 的HCl 溶液（ 0. 1 mol /L）混合，裝入100 mL 容量瓶中定容，最終濃度為0. 05 mol /L， pH 為8. 5。

    2. 1. 4 納米銀復(fù)合材料的制備

    精確稱取一定量的納米銀和含氟高分子（ 氟碳漆） 前聚體，在燒杯中劇烈攪拌1 h，使納米銀與高分子混合充分。之后加入10% （ 質(zhì)量比） 的交聯(lián)劑，攪拌10 min。將燒杯放入真空干燥箱20 min以除去體系的氣泡，取出，將納米銀/高分子混合液涂于金屬表面，置于45 ℃干燥箱中，放置一天后，得到金屬表面的納米涂層； 也可將混合液涂于玻璃表面，以相同的處理方式得到含銀納米復(fù)合材料，因復(fù)合材料與玻璃的粘附力比較弱，可以將材料從玻璃上剝離下來，得到自支撐的膜，用于殺菌實(shí)驗(yàn)的研究。

    2. 2 測(cè)試方法

    2. 2. 1 材料結(jié)構(gòu)測(cè)試

    對(duì)納米銀復(fù)合材料進(jìn)行廣角X 射線衍射（ WAXD ） 測(cè)試，所用儀器是Bruker GADDSD8discover，掃描范圍35°到85°。

    2. 2. 2 納米銀復(fù)合材料的殺菌性能測(cè)試

    選擇TTC 顯色法進(jìn)行殺菌性能的測(cè)試。其顯色機(jī)理是： TTC 可以通過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被活菌攝取，活菌新陳代謝時(shí)，脫氫酶作用于營養(yǎng)物質(zhì)，使其氧化脫氫，TTC 可作為還原氫的受體，被還原為紅色的1，3，5-三苯甲臢（ TF） ，TF 不溶于水，但能溶于甲苯等有機(jī)溶劑，所以可用甲苯等有機(jī)溶劑將生成的TF 萃取出來，萃取出來的TF 越多，顏色越深，從而可以推斷體系中的活菌數(shù)量越多，顏色越淺，表明殺菌效果越好。該方法與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，具有操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)。

    加入4 mL 培養(yǎng)24 小時(shí)的大腸桿菌菌液（ 用分光光度計(jì)測(cè)得其光密度OD 值為0. 8，測(cè)試條件為600 nm，水為參比） ，然后再分別加入涂層4 g，再加入4 mL 超純水。搖勻，放入37 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)恒溫反應(yīng)48 小時(shí)，反應(yīng)后加入2 mL 葡萄糖溶液（ 0. 1 mol /L） ，2 mL TTC 溶液（ 1 g /L） ，2 mLTris-HCl 緩沖溶液（ 0. 05 mol /L，pH = 8. 5） 觀察顏色變化。

    2. 2. 3 微生物形貌表征

    用QUANTA FEG250 FEI 掃描電子顯微鏡（ SEM） 觀察殺菌前后微生物的形貌變化。將抗菌殺菌測(cè)試前后的材料經(jīng)過固定、脫水、干燥、噴金操作后，進(jìn)行SEM 觀察。

    3 結(jié)果與討論

    3. 1 納米銀復(fù)合材料表征結(jié)果

    選取商品化的納米銀（ 粒徑在30 ～ 50 nm 之間） ，通過“先預(yù)混后交聯(lián)”的方式，將納米銀引入到高分子基體當(dāng)中。從圖1（ a） 可以看到，納米粒子在高分子基體中得到了良好的分散，得到的復(fù)合材料是透明的。這為后續(xù)的研究和使用奠定了基礎(chǔ)。將納米銀復(fù)合材料涂覆在金屬樣品表面，形成了金屬的保護(hù)膜，這為金屬的防腐抗菌提供了保障，如圖1 （ b） 、（ c） 。涂層在金屬表面的附著非常牢固，除了利用刷涂的方式外，含氟高分子材料的前聚體的粘度比較低，可以利用噴槍進(jìn)行施工，提高了材料的使用便利性。

    廣角X-射線衍射實(shí)驗(yàn)（ 結(jié)果如圖2 ） 表明：納米銀在復(fù)合涂層材料中的晶型保持不變，晶型是cubic 晶體結(jié)構(gòu)； 對(duì)于不同納米銀含量的復(fù)合材料，納米銀的特征峰（ 2θ = 37. 9°） 強(qiáng)度隨著納米銀含量的增加而逐漸增強(qiáng)； 納米銀成功與涂層材料復(fù)合，并且含量越高，衍射峰強(qiáng)度越大。

    3. 2 納米銀復(fù)合涂層材料殺菌性能測(cè)試結(jié)果與討論

    選取少動(dòng)鞘氨醇單胞菌H1 作為研究對(duì)象，測(cè)試制備的納米銀復(fù)合材料的殺菌性能。將不同納米銀含量的復(fù)合材料加入到微生物溶液中。利用TTC 顯色法快速檢測(cè)殺菌效果。

    未加任何高分子材料的空白組，其甲苯萃取溶液的顏色為深紅色，表明溶液中少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的活性非常好，順利將TTC 轉(zhuǎn)換成紅色的TF。加入不含納米銀的高分子作為對(duì)照組，材料盡管沒有殺菌性能，但對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌具有一定的粘附作用，使溶液少動(dòng)鞘氨醇單胞菌濃度有所下降，從而使TTC 轉(zhuǎn)換的TF 量有所減少，甲苯萃取液的顏色略有變淺。當(dāng)加入納米銀含量為0. 25%的復(fù)合材料時(shí)，材料中的銀離子遷移到細(xì)菌培養(yǎng)液中，對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌具有殺菌作用，甲苯萃取液的顏色變淺。表明納米銀復(fù)合材料起到了一定的殺菌功能。提高納米銀的含量，把納米銀含量為0. 51% 的復(fù)合材料加入到少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的菌液中，其他條件不變，得到的TF 萃取液顏色進(jìn)一步變淺，進(jìn)一步提高納米銀的含量至0. 73%，復(fù)合材料對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的殺菌能力得到充分體現(xiàn)，銀離子從復(fù)合材料中滲透到溶液中，殺死了大部分的鞘氨醇單胞菌，從而抑制了TTC 向TF 的轉(zhuǎn)變，TF 的甲苯萃取溶液的濃度非常低，幾乎觀察不到溶液的顏色，如圖3 所示，表明納米銀含量的提高，對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的殺菌效果得到提高。

    從上述結(jié)果可以看出，納米銀復(fù)合涂層材料對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌具有優(yōu)良的殺菌性能，通過TTC 檢色法迅速的檢驗(yàn)出其殺菌性能。如圖3 所示，隨著材料中納米銀的含量增加，TF 溶液的顏色逐漸變淺，直至無色，表明復(fù)合材料對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌的殺菌能力逐漸增強(qiáng)。

    3. 3 涂層材料表面微生物形貌變化分析

    利用掃描電子顯微鏡可以對(duì)殺菌前后的細(xì)菌形態(tài)進(jìn)行觀察。如圖4 所示，在不含納米銀的材料表面可以看到完整的少動(dòng)鞘氨醇單胞菌，細(xì)菌顆粒飽滿，有立體感，說明都是正常菌。而納米銀改性處理的材料表面粘附的細(xì)菌數(shù)量極少，并且細(xì)菌形狀發(fā)生變化，說明納米銀復(fù)合材料起到了良好的殺菌效果，由于含氟高分子本身具有低黏附力，細(xì)菌死亡后難以在材料表面附著，因此納米銀含量為0. 51%，0. 73% 的材料表面沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的存留。對(duì)比圖4-c、d，少動(dòng)鞘氨醇單胞菌在金屬材料銅片和鋁片的掃描電鏡圖片，大量細(xì)菌生存在金屬表面，必定會(huì)漸漸腐蝕材料。

    4 結(jié)論

    目前關(guān)于納米銀的殺菌機(jī)理還沒有定論，可能是銀離子從材料內(nèi)部擴(kuò)散到表面，與細(xì)菌中的巰基酶結(jié)合，使酶失去活性，從而起到殺菌的作用； 也可能是溶液中的銀離子進(jìn)入細(xì)菌，與體內(nèi)的DNA 結(jié)合，從而抑制了細(xì)菌的生長與繁殖。總體來說，納米銀復(fù)合材料對(duì)人體毒副作用小，使用方便，對(duì)空間下行菌的殺菌能力強(qiáng)，是一類優(yōu)異的防腐抗菌材料。

    本文針對(duì)空間下行微生物少動(dòng)鞘氨醇單胞菌對(duì)金屬等空間材料的腐蝕問題，提出了納米銀復(fù)合含氟高分子涂層進(jìn)行防護(hù)殺菌的策略，利用TTC 顯色法測(cè)試其殺菌能力。研究發(fā)現(xiàn)，納米銀復(fù)合含氟高分子涂層對(duì)少動(dòng)鞘氨醇單胞菌具有優(yōu)異的殺菌能力，且隨著納米銀含量的提高，殺菌能力逐漸提高，這對(duì)于空間金屬材料的防護(hù)具有重要意義。（作者：隨欣,楊宇,秦利鋒,楊軍,高龍成,吳志強(qiáng),謝瓊,馬玉飛,劉長庭  來源：仿生智能界面科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科）

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責(zé)任編輯：王元

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