JNT 纳米技术杂志》 1687 - 9511 1687 - 9503 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/5404529 5404529 研究文章 抗菌性Chitosan-Alumina / f-MWCNT纳米复合材料 Masheane Monaheng 1、2 2 Nthunya Lebea 1、2 2 Malinga 苏拉 1 Nxumalo 爱德华。 2 巴纳德 托拜厄斯 3 http://orcid.org/0000 - 0003 - 4985 - 2418 Mhlanga Sabelo 2 Dikin 他在一个。 1 应用化学和DST Mintek纳米技术创新Centre-Water /研究节点 约翰内斯堡大学 邮政信箱17011 Doornfontein 约翰内斯堡2028年 南非 uj.ac.za 2 纳米技术和水可持续发展研究中心 大学的科学 工程和技术 南非大学 佛罗里达 约翰内斯堡1709年 南非 unisa.ac.za 3 水和卫生研究中心 约翰内斯堡大学 邮政信箱17011 Doornfontein 约翰内斯堡2028年 南非 uj.ac.za 2016年 17 11 2016年 2016年 27 06 2016年 18 10 2016年 2016年 版权©2016 Monaheng Masheane et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

抗菌chitosan-alumina / functionalized-multiwalled碳纳米管(f-MWCNT)纳米复合材料是由一个简单的相转化方法。扫描电子显微镜(SEM)分析表明,复合材料的内部形态的变化和能量色散谱(EDS)证实了壳聚糖聚合物中的氧化铝和f-MWCNTs矩阵。傅里叶变换红外(FTIR)光谱显示的外观从氧化铝和f-MWCNTs新的官能团,和热重分析(TGA)显示,氧化铝和f-MWCNTs壳聚糖聚合物的热稳定性提高。氧化铝和f-MWCNTs聚合物基质中发现改善热稳定性和降低壳聚糖聚合物的溶解度。准备chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料显示抑制十二株菌株,进行了测试。因此,纳米复合材料表现出的潜力作为杀虫剂在水处理的细菌在不同的环境条件。

 NRF 97823年 水研究委员会 Mintek 约翰内斯堡大学 南非大学 1。介绍

安全饮用水仍然是一个梦想对于许多南非农村居民点。水污染威胁到政治、经济、人文和社会生活;它也是一种侮辱人的自尊 1]。众所周知,健康的社区是影响饮用水的质量 2]。一些农村地区水源在南非被病原微生物污染来自人类或牲畜排泄物。恶劣的卫生条件以及供水系统的保养不良也贡献了主要作用在水源的微生物的降解 3]。在南非水源性疾病的影响是巨大的,估计有43000人死亡和超过一百万事件的疾病每年报告( 4, 5]。疾病主要与未成熟的或免疫系统影响人们,特别是年轻人和老年人和那些感染了艾滋病病毒/艾滋病( 2]。

许多传统的水处理方法如使用已使用氯消毒。然而,这些已知生产消毒的产品(主要)的环境问题 6]。壳聚糖,是一个线性多糖组成的随机分布 β -(1 - 4)与D-glucosamine和N-acetyl-D-glucosamine(图 1),有一个潜在的用于饮用水消毒,在膜作为抗菌剂,作为吸附剂(珠子,海绵),和作为水储罐涂料 7- - - - - - 9]。此外,它还具有优于其他消毒材料由于具有较高的抗菌活动对人类和动物的毒性较低。壳聚糖也呈现的生物活性和生物相容性材料有用在许多应用程序中包括伤口敷料、制药和化妆品,和水处理 10, 11]。

壳聚糖聚合物的结构。

壳聚糖的抗菌活动由于其polycationic自然。这些结果之间的静电相互作用带正电荷的壳聚糖胺组和带负电荷的微生物的细胞膜( 12]。这种静电相互作用导致了双重干扰:(i)通过促进膜壁渗透率的性质的变化,从而引发内部渗透失衡,(ii)因此抑制微生物的生长( 13, 14]。其次,肽聚糖的水解胞内微生物墙导致泄漏的电解质,如钾离子和其他低分子量蛋白质的成分(如蛋白质、核酸、葡萄糖、乳酸脱氢酶)( 15- - - - - - 17]。这表明,阳离子化胺数量越高,抗菌活性越高( 18]。第三个抗菌机制活动是绑定细菌DNA和居住的信使rna合成发生通过壳聚糖渗透到细胞核的微生物从而干扰信使rna和蛋白质的合成导致这些生物的死亡 19, 20.]。最后,螯合的金属,抑制孢子的元素,和绑定必需营养素微生物增长导致细胞死亡( 21]。

虽然已经证明,壳聚糖抗菌性,它的应用程序是有限的,由于水溶性和工作的pH值等因素( 19, 22]。Cross-linkers如环氧氯丙烷和戊二醛和无机材料,如氧化铝,二氧化硅,二氧化钛被用来改善其化学稳定性( 23]。氧化铝作为吸附剂的众所周知的特点是由于其高表面面积( ~200米2/ g)及其含水氢氧化铝的两性角色。其抗酸离解导致积极的(哦2 +以较低的pH值() 24, 25]。微碳纳米管(热合)也成为理想的增强材料作为无机填料或增韧高分子材料( 26]。正如上面所讨论的,由于其良好的属性研究壳聚糖及其纳米复合材料从水中微生物的去除。合成的壳聚糖/氧化铝复合材料嵌入功能化热合(f-MWCNTs)没有被报道。材料证明十二的菌株的抗菌活性。

 2。实验 2.1。材料

壳聚糖、氧化铝(颗粒大小范围:30 - 60海里),氢氧化钠(氢氧化钠)、草酸、铁(III)氯化六水合物(FeCl3h·62O)、硝酸钴(Co(没有3)2),碳酸钙(CaCO3)、硫酸(H2所以4),硝酸(HNO3), p-iodonitrotetrazolium氯(INT)用于本研究由西格玛奥德里奇(德国),被用来作为收到。从美国获得的菌株是类型文化集合(写明ATCC)。热合在我们实验室合成过程由Mhlanga和阿尔 27)和Mhlanga et al。 28]。从水净化系统获得了去离子水(Po流程Ecopure GII科学)在我们的实验室。

 2.2。制备壳聚糖/氧化铝复合材料

壳聚糖/氧化铝凝胶(4:1比壳聚糖:氧化铝)制备螯合氧化铝和壳聚糖使用草酸使用修改后的过程由李et al。 29日)(图 2)。氧化铝被氧化为10%草酸作为表面涂层,然后用去离子水被pH = 7。产品是在烤箱干一夜之间在110°C。氧化氧化铝粉加入2%壳聚糖凝胶由戈和Fatinathan报告的修改方法 30.)和Chatterjee和吸引 31日]。混合搅拌12 h,然后脱气。

的示意图表示chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料的形成。

 2.3。Chitosan-Alumina / f-MWCNT纳米复合材料的制备

Chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料(3.75:1:0.25)准备通过增加计算量的f-MWCNTs Chitosan-alumina准备节中描述的解决方案 2。2( 29日]。混合搅拌直到均匀然后脱气。的纳米复合凝胶沉淀然后干在烤箱60°C。的插图chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料的形成图所示 2。草酸作为交联剂壳聚糖、氧化铝、和f-MWCNTs,从而形成氢键。

 2.4。纳米复合材料的抗菌活性

表中所示的菌株 1被用来评估壳聚糖的抗菌性和chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料。菌株被镀和维护Muller-Hinton琼脂(Oxoid,猫。实验期间CM0337数量)。盘子被孵化一夜之间在37°C和储存在4°C。细菌菌株被接种在液体培养Muller-Hinton肉汤(嗨媒体,猫。m391 - 500 g)的殖民地种植的盘子。液体媒体都在37°C有轻微搅拌(100 fpm)到一个最佳的密度在600 nm (OD600年)为0.6。这些细胞悬浊液,媒体,被用于后续的实验。

总结菌株用于纳米复合材料的测试。

生物 写明ATCC数量 革兰氏染色剂 能动性
大肠杆菌 259922年 革兰氏阴性 能动的
大肠杆菌 11775年 革兰氏阴性 能动的
肺炎克雷伯菌 13882年 革兰氏阴性 不动的
肺炎克雷伯菌 31488年 革兰氏阴性 不动的
Klebsiellla oxytoca 8724年 革兰氏阴性 不动的
铜绿假单胞菌 27853年 革兰氏阴性 能动的
变形杆菌 12453年 革兰氏阴性 能动的
志贺氏杆菌sonnei 25931年 革兰氏阴性 不动的
志贺氏杆菌鲍氏 9207年 革兰氏阴性 不动的
粪肠球菌 7080年 革兰氏阳性 能动的
蜡样芽胞杆菌 10876年 革兰氏阳性 能动的
肠杆菌属下水道 13047年 革兰氏阴性 能动的

所有的测试进行了抗菌活性的纳米复合材料在无菌96 -微滴定度盘盖子(NUNC microwell 96 f,猫。167008号)和一个板是用来测试壳聚糖和chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料对特定选择的菌株( 32]。无菌蒸馏水(50 μL)被添加到每个井后的50 μL 2 μg / L测试解决方案(壳聚糖和chitosan-based纳米复合材料在水中)被添加到第一个,混合,并转移到下一个。系列稀释的持续了4次,直到中间的板后达成的过程又开始了。对此,细菌培养(50 μL)准备添加了如前所述获得图中所示的实验装置 3。一夜之间,微滴定度板被孵化在37°C。表示细菌生长,50 μL (INT溶解在水中被添加到微板井和孵化在37°C为30分钟。活跃的细菌细胞减少INT产生一个紫色的颜色指示细菌生存,也就是说,没有抑制( 32]。

的例子,一个典型的96孔微型滴定度板布局用于测试纳米复合材料。明确井显示抑制细菌生长和紫井显示活跃的细胞减少INT。

 3所示。结果与讨论 3.1。形态的纳米复合材料

图 4SEM图像和EDS光谱显示壳聚糖,chitosan-alumina, chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料。改变壳聚糖的内部形态合并后的氧化铝,氧化铝/ f-MWCNTs被观察到。EDS证实,氧化铝和f-MWCNTs被包括到壳聚糖聚合物矩阵。这是明显的铝(Al),碳(C)、氮(N)和氧(O)的峰值检测的EDS光谱chitosan-alumina和chitosan-alumina / f-MWCNTs如图 4 (b)和 4 (c)。

壳聚糖的SEM图像和相应的EDS光谱(a), chitosan-alumina (b),和chitosan-alumina / f-MWCNTs (c)。

 3.2。红外光谱分析壳聚糖和Chitosan-Alumina / f-MWCNT纳米复合材料

壳聚糖的红外光谱谱,chitosan-alumina和chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料在图所示 5。在壳聚糖的光谱,以下特性吸附带观察:-哦,nh2拉伸振动(3461厘米−1),ch伸展振动在ch和ch2(2912厘米−1)c -拉伸振动(2328厘米−1),乙酰基- c = O伸缩振动(1642厘米−1),nh2带振动(1562厘米−1在R), c n伸缩振动1R2-CHNH2(1375厘米−1),公司拉伸寇兹(1024厘米−1)。

壳聚糖的红外光谱谱(A), chitosan-alumina (B),和chitosan-alumina / f-MWCNTs (C)。

添加氧化铝和f-MWCNTs后,表面壳聚糖与铝发生相互作用,导致了新的高峰。乐队在1000 - 500厘米−1是氧化铝的特性 33]。在775年达到顶峰,679厘米−1被分配到O-Al-O Al-O拉伸模式和弯曲模式,分别。除了铝的特征峰,有新高峰在1637年,1462年,1320厘米−1,它代表了O C = O草酸的弯曲振动,切断和碳碳伸缩振动,分别和C = O不对称伸缩振动。峰值出现在chitosan-alumina光谱仍出现在光谱chitosan-alumina / f-MWCNTs。唯一显著峰值频谱chitosan-alumina / f-MWCNTs 2912厘米−1这是由于ch伸展振动。这表明壳聚糖化学相互作用,氧化铝,热合,草酸 29日]。

 3.3。热分析壳聚糖和Chitosan-Based纳米复合材料

温谱图和衍生品重量块壳聚糖和chitosan-alumina / f-MWCNTs呈现在图 6。这是观察到壳聚糖在两步失去了它的质量。质量损失的第一步(我)在图 6(一)发生在50 - 130°C的范围。这个质量损失的第一步是归因于水分子由于多糖的损失通常具有很强的亲水性,因此很容易水化。第二步质量损失从280°C,达成最大在620°C的热氧化分解的壳聚糖( 34, 35]。具体地说,涉及的降解分解胺组(ii)和聚合物链降解(iii)在图 6(一)。

TGA和TGA曲线导数的壳聚糖(a), chitosan-alumina (b),和chitosan-alumina / f-MWCNTs (c)纳米复合材料。

的chitosan-alumina热法证明了一个额外的质量损失(iv)观察到710°C(图 6 (b))。这个质量损失是由于脱羟基2O3( 36]。对于chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料,还有一个额外的质量损失(v)在图 6 (c)观察到890°C,归因于热合的热降解。一般来说,艾尔和f-MWCNTs壳聚糖聚合物基质增加了聚合物的热稳定性。基本上,壳聚糖在空气中完全分解而chitosan-alumina和chitosan-alumina / f-MWCNTs分解到约75%。剩余的质量对应的氧化铝和f-MWCNTs添加到聚合物基质中。

 3.4。壳聚糖的溶解性和Chitosan-Based纳米复合材料

壳聚糖的溶解性和chitosan-based纳米复合材料表所示 2。这是观察到壳聚糖复合材料溶于0.1 HAc (pH值3)的解决方案,但不溶于蒸馏水(pH = 7)和0.1 M氢氧化钠(pH = 9)解决方案。壳聚糖溶解在酸性介质pH值(3),因为主要氨基质子化了的,这导致壳聚糖的降解聚合物链。然而,壳聚糖的改性氧化铝和f-MWCNTs减少他们的溶解度。另一方面,chitosan-alumina和chitosan-alumina / f-MWCNTs被发现是不溶于所有三个媒体(表 2)。这是因为有更少的主要氨基酸组可使质子化,导致溶解的交联( 37]。

溶解度的影响壳聚糖和chitosan-based纳米复合材料。

吸附剂 溶剂中的溶解度
0.1工厂 蒸馏水 0.1 M氢氧化钠
壳聚糖 可溶性 不溶性 不溶性
Chitosan-alumina 不溶性 不溶性 不溶性
Chitosan-alumina / f-MWCNTs 不溶性 不溶性 不溶性
3.5。纳米复合材料的抗菌性

图 5显示了壳聚糖的抗菌效果和chitosan-based纳米复合材料。所有的纳米复合材料(初始浓度= 2毫克/毫升,即。,2 mg of beads in 1 mL of water) showed some growth inhibition to all bacterial strains. Typically, all the beads demonstrated complete (100%) inhibition at all concentrations (from high, i.e., 1 mg/mL = 2x, dilution in Figures 7(一), 7 (b), 7 (c)低,即31.25 μ克/毫升= 64 x,稀释的人物 7(一), 7 (b), 7 (c)) 粪大肠细菌菌株。然而,进一步稀释需要做为了确定的最低抑制浓度(MIC) 粪大肠。麦克风的纳米复合材料以外的其他菌株 粪大肠在62.5的范围 μg / ml - 0.25 mg / L(表 3)。纳米复合材料的抗菌活性是由于网站(nh带正电的活跃2和-哦组在酸性媒体)的材料,它与带负电荷的细菌菌株的细胞壁,从而导致细菌的死亡。

总结最高的稀释(麦克风)的珠子,抑制细菌生长,由INT化验。

生物 纳米复合材料( μg / L)
壳聚糖 Chitosan-alumina Chitosan-alumina / f-MWCNTs
粪大肠 31.3 31.3 31.3
k .肺炎 125年 125年 125年
k .肺炎 125年 125年 125年
铜绿假单胞菌 62.5 62.5 125年
大肠杆菌 62.5 62.5 125年
美国sonnei 62.5 62.5 125年
大肠杆菌 125年 125年 125年
p .奇异君子兰 62.5 62.5 62.5
k . oxytoca 125年 125年 125年
b的仙人掌 62.5 62.5 125年
鲍氏血清 62.5 62.5 125年
大肠下水道 125年 125年 250年

壳聚糖的抗菌效果(a), chitosan-alumina (b),和chitosan-alumina / f-MWCNTs (c)在不同的菌株。明确井表示,没有/抑制细菌生长。紫色的油井指示(没有抑制)的细菌生长。

 4所示。结论

Chitosan-alumina / f-MWCNT与抗菌性纳米复合材料是由一个简单的逆相使用草酸作为交联。的氧化铝和f-MWCNTs壳聚糖改善热稳定性和降低壳聚糖的溶解性和膨胀行为。chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料显示出类似的原始壳聚糖抗菌活性;然而,它们的物理化学性质,如热稳定性和较低的溶解度提高了属性。因此,这部小说chitosan-alumina / f-MWCNT纳米复合材料可以作为抗菌药物即使在低pH值和高温没有退化。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

作者要感谢DST /纳米技术联盟旗舰项目(批准号97823),水研究委员会,DST Mintek纳米技术创新中心(NIC), /水和卫生研究中心(约翰内斯堡大学),和南非大学的支持这项工作。

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