一种儿科肺炎防护用抗菌材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及抗菌材料技术领域，特别是涉及一种儿科肺炎防护用抗菌材料及其制造方法。
背景技术
肺炎是儿童期常见的感染性疾病，也是儿童住院的最常见原因。根据致病菌的不同，可以分为细菌性肺炎、病毒性肺炎、支原体肺炎、衣原体肺炎及真菌性肺炎等，其中，细菌性肺炎是最常见的肺炎，约占肺炎的80％，而引发细菌性肺炎的肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌等细菌性病原体是引起发病率、病死率增高的重要因素。因此，为保障儿童健康，避免细菌感染引发的肺炎，有必要对儿童进行有效防护，而如何制造最适宜的儿科肺炎防护用抗菌材料，是当前的研究重点。
目前，儿科肺炎防护常用的抗菌材料主要分为包括天然抗菌材料、有机抗菌材料和无机抗菌材料三大类。其中，天然抗菌材料具有优异的生物相容性，但其抗菌范围窄、抗菌效率低等缺点导致其应用受限；有机抗菌材料主要包括酚醚类、季铵盐类、卤素类、双胍类等，其杀菌速度快、抗菌效率高，但通常不耐高温，有效期相对较短；无机抗菌材料主要由抗菌金属组成，具有耐热性好、不易产生耐药性等优点，但其单独使用时往往抗菌作用有限。因此，当前仍缺乏广谱长效、抗菌作用强的抗菌材料。
公开号为CN109880015A的专利提供了一种儿科护理抗菌材料，该专利通过对聚天冬氨酸进行改性，并将其与含有银、铜、镝的无机分子复合，制备了综合性能优异、抗菌效果显著、生物相容性好的抗菌材料。但该抗菌材料中含有大量银、铜、镝等重金属，且其释放速度较快，容易在早期形成过量释放，不仅抗菌时效较短，还会对儿童构成潜在威胁，生物安全性不足。
有鉴于此，当前仍有必要对儿科肺炎防护用抗菌材料及其制造方法进行研究，在保证抗菌效果的基础上延长抗菌时效，保障其使用安全性，以达到安全、持久的抗菌效果，为儿童提供长效保障。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种儿科肺炎防护用抗菌材料及其制造方法，通过制备氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子，并利用银离子对其进行修饰，再将载银的多孔二氧化硅纳米粒子包埋于季铵化改性的醋酸纤维素中，通过静电纺丝技术制造具有优异抗菌性能及长效抗菌效果的抗菌材料，实现对肺炎的高效防护，有效保障儿童的身体健康。
为实现上述目的，本发明提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，包括如下步骤：
S1、将十六烷基三甲基溴化铵溶于乙醇溶液中，再向溶液中依次加入预定量的氨水、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌10～12h后，再升温至80～90℃搅拌20～24h，待溶液冷却至室温后，依次经透析、过滤和冷冻干燥处理，得到氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子；
S2、将步骤S1得到的所述氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子分散于去离子水中，并将硝酸银溶液加入分散液中，充分搅拌后进行离心；对离心后得到的沉淀物依次进行干燥及热处理后，得到载银的多孔二氧化硅纳米粒子；
S3、将醋酸纤维素与硝酸铈铵和硝酸溶液混合，搅拌均匀后加入预定量的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，充分季铵化反应后，对产物进行过滤、洗涤，得到季铵化改性的醋酸纤维素；
S4、将步骤S3得到的季铵化改性的醋酸纤维素溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到醋酸纤维素溶液；将步骤S2得到的所述载银的多孔二氧化硅纳米粒子加入所述醋酸纤维素溶液中，充分分散后得到纺丝溶液；再对所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到儿科肺炎防护用抗菌材料。
进一步地，在步骤S1中，所述十六烷基三甲基溴化铵、氨水、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷的物质的量之比为1:0.25:2:(0.8～1.2)。
进一步地，在步骤S1中，所述透析过程为先在酸性溶液中透析24h，再于去离子水中透析24h；所述酸性溶液为pH为6的醋酸-乙醇溶液。
进一步地，在步骤S2中，所述硝酸银溶液中的硝酸银与所述氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子的质量比为(2～3):1。
进一步地，在步骤S2中，所述干燥过程为在50℃下干燥24h，所述热处理过程为在200℃下加热2h。
进一步地，在步骤S3中，所述醋酸纤维素和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为1:(10～20)。
进一步地，在步骤S3中，所述季铵化反应的反应温度为60～80℃，反应时间为12h。
进一步地，在步骤S4中，所述纺丝溶液中季铵化改性的醋酸纤维素的质量分数为15％～20％，所述纺丝溶液中载银的多孔二氧化硅纳米粒子的质量分数为5％～10％。
进一步地，在步骤S4中，所述静电纺丝的温度为50～60℃，静电纺丝时间为1～3h，静电电压为15～20kV。
为实现上述目的，本发明还提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料，该抗菌材料根据上述技术方案中任一技术方案制造得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过制备氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子，并利用银离子对其进行修饰，再将载银的多孔二氧化硅纳米粒子包埋于季铵化改性的醋酸纤维素中，通过静电纺丝技术制造了儿科肺炎防护用抗菌材料，该抗菌材料具有优异抗菌性能及安全长效的抗菌效果，能够实现对肺炎的高效防护，有效保障儿童的身体健康，满足了实际应用的需求，具有较好的应用前景。
2、本发明以正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷为原料、以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，并以氨水为催化剂，一步合成了氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子，与传统的先制备多孔二氧化硅再进行氨基化相比，不仅简化了制备步骤，还能够使正硅酸乙酯的水解与3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基化改性同时进行，从而有效提高氨基官能团的接枝数量，并使制得的氨基化多孔二氧化硅纳米粒子具有相对较大的比表面积和孔径。此外，本发明通过添加硝酸银溶液，能够利用氨基化多孔二氧化硅纳米粒子中丰富的氨基作为活性位点，对溶液中的银离子进行络合，从而紧密吸附溶液中的银离子，并通过热处理将银离子还原为银单质，使得到的载银多孔二氧化硅纳米粒子具有优异的抗菌性能和较强的结合牢度，释放速率较慢，能够达到长效缓释的效果，安全性更高。
3、本发明通过添加甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵对醋酸纤维素进行季铵化改性，不仅能够使甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的季铵基团接枝于醋酸纤维素上，还能够引入乙烯官能团，并利用乙烯基的自由基聚合作用增加季铵基团的接枝率，从而大幅提高接枝于醋酸纤维素的季铵基数量，并利用季铵基的抗菌作用有效提高醋酸纤维素的抗菌效果，并与银纳米粒子共同作用，进一步增强制得的抗菌材料的抗菌效果，并拓宽抗菌范围，达到广谱抗菌的效果，为儿童提供更为全面的安全保障。
4、本发明通过配制含有季铵化改性醋酸纤维素和载银多孔二氧化硅纳米粒子的纺丝溶液，并采用静电纺丝的方式，使载银的多孔二氧化硅纳米粒子包埋于醋酸纤维素纳米纤维中，不仅能够通过醋酸纤维素提高抗菌材料的生物相容性，还能够综合纳米银和季铵基团的抗菌作用，提高抗菌效率，并降低纳米银与外界的直接接触，使纳米银的浸出率较低，实现更加安全、持久的抗菌性能。此外，本发明提供的儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法整体易于操作，可控程度高，能够通过调节相应制造参数对制得的抗菌材料的抗菌性能进行调控，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，其流程示意图如图1所示，包括如下步骤：
S1、将十六烷基三甲基溴化铵溶于乙醇溶液中，再向溶液中依次加入预定量的氨水、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌10～12h后，再升温至80～90℃搅拌20～24h，待溶液冷却至室温后，依次经透析、过滤和冷冻干燥处理，得到氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子；
S2、将步骤S1得到的所述氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子分散于去离子水中，并将硝酸银溶液加入分散液中，充分搅拌后进行离心；对离心后得到的沉淀物依次进行干燥及热处理后，得到载银的多孔二氧化硅纳米粒子；
S3、将醋酸纤维素与硝酸铈铵和硝酸溶液混合，搅拌均匀后加入预定量的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，充分季铵化反应后，对产物进行过滤、洗涤，得到季铵化改性的醋酸纤维素；
S4、将步骤S3得到的季铵化改性的醋酸纤维素溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到醋酸纤维素溶液；将步骤S2得到的所述载银的多孔二氧化硅纳米粒子加入所述醋酸纤维素溶液中，充分分散后得到纺丝溶液；再对所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到儿科肺炎防护用抗菌材料。
在步骤S1中，所述十六烷基三甲基溴化铵、氨水、正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷的物质的量之比为1:0.25:2:(0.8～1.2)。
在步骤S1中，所述透析过程为先在酸性溶液中透析24h，再于去离子水中透析24h；所述酸性溶液为pH为6的醋酸-乙醇溶液。
在步骤S2中，所述硝酸银溶液中的硝酸银与所述氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子的质量比为(2～3):1。
在步骤S2中，所述干燥过程为在50℃下干燥24h，所述热处理过程为在200℃下加热2h。
在步骤S3中，所述醋酸纤维素和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为1:(10～20)。
在步骤S3中，所述季铵化反应的反应温度为60～80℃，反应时间为12h。
在步骤S4中，所述纺丝溶液中季铵化改性的醋酸纤维素的质量分数为15％～20％，所述纺丝溶液中载银的多孔二氧化硅纳米粒子的质量分数为5％～10％。
在步骤S4中，所述静电纺丝的温度为50～60℃，静电纺丝时间为1～3h，静电电压为15～20kV。
本发明还提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料，该抗菌材料根据上述技术方案中任一技术方案制造得到。
下面通过实施例及对比例对本发明提供的儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法进行说明。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，包括如下步骤：
S1、将0.01mol十六烷基三甲基溴化铵溶于200mL浓度为50％的乙醇溶液中，再向溶液中依次加入由0.0025mol氨水与去离子水配制的浓度为25％的氨水溶液、0.02mol正硅酸乙酯和0.01mol 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌12h后，再升温至80℃搅拌24h，待溶液自然冷却至室温后，先在pH为6的醋酸-乙醇溶液中透析24h除去十六烷基三甲基溴化铵，再于去离子水中透析24h，将得到的溶液在真空度为5Pa、温度为-20℃的环境下冷冻干燥24h，得到氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子；
S2、将步骤S1得到的所述氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子分散于去离子水中，并将硝酸银溶液加入分散液中，使硝酸银溶液中的硝酸银与氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子的质量比为2.5:1；将得到的混合溶液充分搅拌后再离心处理，并将离心后得到的沉淀物先在50℃下干燥24h，再在200℃下加热2h，得到载银的多孔二氧化硅纳米粒子；
S3、将1g醋酸纤维素与1.096g硝酸铈铵和200mL浓度为0.01mol/L的硝酸溶液混合，搅拌均匀后再加入15g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，在70℃下充分反应12h后，对产物进行过滤，并用去离子水洗涤，得到季铵化改性的醋酸纤维素；
S4、将步骤S3得到的季铵化改性的醋酸纤维素溶于N,N-二甲基甲酰胺中，得到醋酸纤维素溶液；再将步骤S2得到的所述载银的多孔二氧化硅纳米粒子加入所述醋酸纤维素溶液中，充分分散后得到纺丝溶液；使纺丝溶液中季铵化改性的醋酸纤维素和载银的多孔二氧化硅纳米粒子的质量分数分别为20％和7.5％，再对所述纺丝溶液进行静电纺丝，设置静电纺丝的温度为50℃，静电纺丝时间为2h，静电电压为20kV，得到儿科肺炎防护用抗菌材料。
将本实施例制造的儿科肺炎防护用抗菌材料浸泡于pH为7.4的无菌磷酸盐缓冲溶液中，置于37℃的培养箱中进行老化处理，并以肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌为例，采用振荡法对浸泡时间分别为0d、7d、28d和90d的儿科肺炎防护用抗菌材料的抑菌率进行测试，结果如表1所示。
表1 实施例1制得的儿科肺炎防护用抗菌材料浸泡不同时间下的抑菌率
由表1可以看出，本发明制造的儿科肺炎防护用抗菌材料对肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌均具有优异的抗菌效果，能够对由肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌等细菌性病原体引发的细菌性肺炎起到有效的防护作用；且该抗菌材料能够长期保持较高的抑菌率，具有长效抗菌的效果。
实施例2～5及对比例1
实施例2～5及对比例1分别提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，与实施例1相比，不同之处在于实施例2～5仅改变了步骤S1中各原料的物质的量之比或步骤S2中硝酸银与氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子的质量比，对比例1仅将步骤S1中3-氨丙基三乙氧基硅烷的掺量改为0，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述；各实施例及对比例中步骤S1与S2对应的相应参数如表2所示。
表2 实施例2～5及对比例1中步骤S1与步骤S2对应的参数
按照与实施例1相同的方法对实施例2～5及对比例1制造的儿科肺炎防护用抗菌材料的抗菌性能进行测试，结果如表3所示。
表3 实施例2～5及对比例1制得的儿科肺炎防护用抗菌材料在不同浸泡时间下的抑菌率
结合表2和表3可以看出，随着3-氨丙基三乙氧基硅烷或硝酸银含量的增加，制得的儿科肺炎防护用抗菌材料对肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均逐渐增加，且抑菌长效性保持较好，主要是因为3-氨丙基三乙氧基硅烷的增加有利于提高接枝于多孔二氧化硅纳米粒子上的氨基数量，并利用氨基与银离子间的络合作用，增加与多孔二氧化硅纳米粒子的结合的银离子数量，并提高银离子与多孔二氧化硅纳米粒子牢固结合，从而在保证抗菌效果的同时降低银的释放速率，达到安全、持久的抗菌效果。
对比例1中未添加3-氨丙基三乙氧基硅烷，不能对多孔二氧化硅纳米粒子进行氨基化，导致其吸附的银离子数量较少，且结合强度不足，得到的抗菌材料不仅早期抗菌效果不足，后期由于银离子释放过快也会造成抗菌作用衰减较大，难以长期保持较高的抑菌率。因此，本发明通过添加3-氨丙基三乙氧基硅烷对多孔二氧化硅纳米粒子进行氨基化，能够使制得的抗菌材料具有优异的抗菌性能和安全、持久的抗菌效果。
实施例6～9及对比例2
实施例6～9及对比例2分别提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，与实施例1相比，不同之处在于实施例6～9仅改变了步骤S3中醋酸纤维素和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比或季铵化反应的反应温度，对比例2仅将步骤S3中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的掺量改为0，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述；各实施例及对比例中步骤S3对应的相应参数如表4所示。
表4 实施例6～9及对比例2中步骤S3对应的参数
按照与实施例1相同的方法对实施例6～9及对比例2制造的儿科肺炎防护用抗菌材料的抗菌性能进行测试，结果如表5所示。
表5 实施例6～9及对比例2制得的儿科肺炎防护用抗菌材料在不同浸泡时间下的抑菌率
结合表4和表5可以看出，随着甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵含量的增加，制得的儿科肺炎防护用抗菌材料的抑菌率均逐渐增加，且抑菌长效性保持较好，而随着季铵化反应温度的升高，制得的抗菌材料的抑菌率呈先升高后降低的趋势；主要是因为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的增加或反应温度的适当升高有利于提高接枝于醋酸纤维素上的季铵基团数量，并利用季铵基团与银纳米粒子的共同作用，有效增强制得的抗菌材料的抗菌效果。
对比例2中未添加甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，不能对醋酸纤维素进行季铵化改性，其得到的醋酸纤维素不具有抗菌作用，最终的抗菌材料仅依靠纳米银的抗菌作用，导致抗菌性能相对较差，抑菌率较低。因此，本发明通过添加甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵对醋酸纤维素进行季铵化改性，不仅能够保留醋酸纤维素良好的生物相容性，还能够综合纳米银和季铵基团的抗菌作用，提高抗菌效率，并降低纳米银与外界的直接接触，使纳米银的浸出率较低，实现更加安全、持久的抗菌性能。
实施例10～13
实施例10～13分别提供了一种儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法，与实施例1相比，不同之处在于仅改变了步骤S4中纺丝溶液中季铵化改性的醋酸纤维素或载银的多孔二氧化硅纳米粒子的质量分数，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述；各实施例中步骤S4对应的相应参数如表6所示。
表6 实施例10～13中步骤S4对应的参数
按照与实施例1相同的方法对实施例10～13制造的儿科肺炎防护用抗菌材料的抗菌性能进行测试，结果如表7所示。
表7 实施例10～13制得的儿科肺炎防护用抗菌材料在不同浸泡时间下的抑菌率
结合表6和表7可以看出，随着季铵化改性的醋酸纤维素或载银的多孔二氧化硅纳米粒子含量的增加，制得的儿科肺炎防护用抗菌材料的抑菌率均逐渐增加，且抑菌长效性保持较好，但过量的季铵化改性的醋酸纤维素会对静电纺丝过程造成影响，而过量的载银多孔二氧化硅纳米粒子容易造成银含量过高，降低安全性，因此，本发明优选纺丝溶液中季铵化改性的醋酸纤维素的质量分数为15％～20％，并优选纺丝溶液中载银的多孔二氧化硅纳米粒子的质量分数为5％～10％，在此条件下制得的儿科肺炎防护用抗菌材料不仅具有优异的抗菌性能，还能够达到安全、持久的抗菌效果。
综上所述，本发明公开了一种儿科肺炎防护用抗菌材料及其制造方法，通过制备氨基化的多孔二氧化硅纳米粒子，并利用银离子对其进行修饰，再将载银的多孔二氧化硅纳米粒子包埋于季铵化改性的醋酸纤维素中，通过静电纺丝技术制造了儿科肺炎防护用抗菌材料。通过上述方式，本发明能够利用氨基化多孔二氧化硅纳米粒子中丰富的氨基作为活性位点，对银离子进行紧密络合；并利用接枝于醋酸纤维素上的大量季铵基团与纳米银共同作用，在保证抗菌效果的基础上降低银的释放速率，使制得的抗菌材料具有优异抗菌性能及安全长效的抗菌效果。且本发明提供的儿科肺炎防护用抗菌材料的制造方法整体易于操作，可控程度高，能够满足实际应用的需求，具有较高的应用价值。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，步骤S1中室温下的搅拌时间可以在10～12h内进行调整，升温后的温度可以是80～90℃，搅拌时间可以是20～24h；步骤S4中静电纺丝的温度可以是50～60℃，静电纺丝时间可以是1～3h，静电电压可以是15～20kV，不影响制得的儿科肺炎防护用抗菌材料的抗菌性能，均属于本发明的保护范围。
以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
