含可见光敏感光催化剂的疏水复合材料的抗菌活性

摘要

传统的PTFE超疏水表面没有杀菌性能，对有机液体也没有足够的排斥作用。这些限制了聚四氟乙烯在消毒领域的应用，导致其耐久性不足。n型TiO₂针对这些缺点，研制了添加PTFE光催化剂的复合材料。本文报道了新开发的复合材料的表面特性、杀菌和自清洁性能。尽管包含了亲水的n掺杂TiO，该材料仍表现出超过150度的接触角，这与它的疏水性一致₂．该复合材料的表面自由能为5.8 mN/m。即使暴露在弱荧光灯强度(100 lx)下24小时，革兰氏活细胞仍呈阴性大肠杆菌在12% n掺杂TiO上₂-ptfe薄膜减少了5个原木。在革兰氏阳性MRSA上也证实了较高的杀菌活性。与n掺杂的TiO相比₂仅涂覆一层，复合材料的失活率显著提高。利用n掺杂的TiO₂用聚四氟乙烯复合涂层可成功去除表面吸附的油酸。这些结果表明了新型n掺杂TiO的潜在适用性₂光触媒疏水复合材料，既可用于室内抗菌作用，又可用于室外污染防治。

1.介绍

众所周知，聚四氟乙烯(PTFE)提供的传统超疏水表面没有杀菌性能，对有机物也没有足够的排斥作用。因此，在环境空气中存在细菌更容易粘附其表面的潜在风险，而有机物也被认为降低了超疏水性能的耐久性。为了弥补这一缺点，锐钛矿二氧化钛(TiO₂)，我们在先前的研究中已开发出一种添加了防水剂的紫外光敏感光触媒复合材料[1- - - - - -5］．TIO.₂被用来证明各种细菌的失活，如大肠杆菌（大肠杆菌),耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)铜绿假单胞菌（铜绿假单胞菌），嗜肺性军团菌（退伍军人）[6- - - - - -8),而Clostridium艰难术孢子(8］．TiO的加入₂预期PTFE涂层会产生抗微生物和自清洁性能，这将扩大其应用范围。Anatase TiO.₂-添加的PTFE复合材料不仅防水，而且具有自清洁性能。然而，由于锐钛矿TiO₂只有在紫外线照射下才具有催化活性，其应用仅限于户外使用[9- - - - - -12.］．

近年来，随着耐药菌的出现，医院感染成为一个非常重要的问题，引起了人们的极大关注[13.］．改善医院环境被认为是解决这一问题的有效措施。针对这一问题，我们通过添加n掺杂的TiO研制了一种疏水、自清洁的复合材料₂，一种可见光敏感的光催化剂[14.]，以疏水复合材料含有分散的PTFE颗粒，以获得抗菌性能。这种新型涂料有望用于外墙或内墙涂料。本文对新开发的复合材料的表面特性进行了研究。此外，研究了该复合材料的抗菌活性大肠杆菌和MRSA在可见光照射下评估，强度范围为100至2.000 LX，这相当于室内和室外条件。

2.材料和方法

２.１.疏水复合材料的发展

样品由商业PTFE颗粒，氟化粘合剂和氟油组成，具有不同量的N-掺杂TiO₂(0, 3, 8，和12 wt%)。n型TiO₂由日本住友化学株式会社提供。聚四氟乙烯颗粒、含氟粘结剂、含氟油和n掺杂TiO₂将混合物与醋酸丁酯喷在基材上。一种分散的颗粒状复合材料约5μM的厚度是通过一次喷涂形成的。颗粒复合材料约15μ对整个基体喷涂三次，形成M的厚度。复合材料在乙酸丁酯干燥24小时后准备进行各种测量。

２.２.特征

2.2.1。表面特征

接触角用自动接触角计(CA-Z;Kyowa界面科学有限公司，琦玉日本)。用注射器将一滴水滴在样品上。接触角是在针尖与液滴分离后测量的。因此，测量的接触角是平衡接触角，而不是前进或后退接触角。每个样品的接触角分别在五个不同的位置确定。

样品的表面自由能是通过以下程序得到的。接触角θ_sl的α-溴代萘(90°)、亚甲基碘化物(87°)和水(152°)被代入Young-Dupre方程: 在哪里是工作的附着力和是液体的无表面自由能。

的分散、极性和氢键组成部分提供了分散,极地，和氢键利用Kitazaki-Hata方法计算表面自由能的分量[15.］．表面自由能的计算公式如下:

采用JSM-6300F扫描电镜观察样品。采用MFT-2000 FT-IR光谱仪获得了PTFE粉末的透射率红外光谱。将粉碎后的溴化钾(KBr)晶体与聚四氟乙烯(PTFE)粉末混合，压成圆盘，放置在FT-IR光谱仪中进行测量。

2.2.2。抗菌测试

研究了聚四氟乙烯复合材料的抗菌活性大肠杆菌(NBRC 3972;日本生物资源中心Natinol技术与评价研究所)和MRSA(由横滨市大学医学研究生院临床分离)进行了评估，经过一些调整后，按照日本工业标准方法(JIS R 1702) [16.］．在营养琼脂平板(E-MC35，日本Eikenkizai)上37℃培养2次个小时。然后将菌株悬浮在pH为7.0的1/500营养液(NB)溶液(E-MC35, Eikenkizai，日本)中，稀释至约10⁶菌落形成单位(cfu)每毫升用于杀菌试验。

在测试之前，所有防水复合样品（米m) were presterilized by UV light with an irradiance of 1 mW  cm⁻²过夜。在无菌培养皿中放置无菌控湿纸过滤器，加入5ml无菌蒸馏水，然后在纸过滤器上放置玻璃管，以避免试验材料与纸过滤器接触。然后将无菌的试验材料放在玻璃管上，100μL的细菌悬浮液（约10⁵(cfu)沉积在测试材料表面。由于测试表面是疏水的，在石英玻璃板(米m) was applied to spread out the suspension drip. Then, another quartz glass plate (mm)放置在培养皿顶部。纸过滤器、蒸馏水和石英玻璃板均用于防止试验菌悬液的蒸发(图)1)．采用日立FL20SSW/18-B型管状白色荧光灯(日立FL20SSW/18-B;东京，日本)24小时。在100、300和2000 lx的光照强度下，研究了光照强度对其杀菌活性的影响。只有强度为2000 lx的光包含在波长小于400 nm、强度为0.01 mW的紫外区 cm⁻²．通过UD-40辐射计探头(Topcon Corporation;日本东京)。

光照后，用含有卵磷脂和聚山梨酸酯80 (SCDLP)的10 mL大豆酪蛋白消化液(Nihon Pharmaceutical co.， LTD, Japan)清洗标本。洗涤液用磷酸盐缓冲盐水(PBS)稀释10倍。在每个稀释阶段，等量的1 mL SCDLP溶液与营养琼脂培养基(14ml) (Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ)在45℃下在10 cm培养皿中混合，并冷却至室温。培养基凝固后，在35℃下培养24 ~ 48小时，然后测定cfu的数量。

对每个样品进行三次平行分析进行细菌检测，活细胞计数由cfu的乘积乘以稀释率的平均值和10得到，如下图所示: 在哪里是n掺杂tio2上cfu的数量₂-PTFE复合薄膜在可见光照射一段时间后。10表示样品洗涤液(SCDLP液)体积。

当未稀释SCDLP液中未检测到cfu时，检测限不超过10 cfu。在此情况下，活细胞计数表示为“≤10”，表示检测限。用对数递减法给出了消毒剂性能的测定方法。n型TiO₂自由PTFE复合薄膜作为对比样品。

2.2.3。评估自清洁性能

评价n掺杂tio2的氧化自清洁性能₂-PTFE复合涂层，测量被油酸污染的复合涂层接触角(C_18.H_34.O₂)，并按照JIS R 1703-1标准方法进行紫外线照射[17.］．这里选择的光源是基于n掺杂TiO的假设₂-户外使用的ptfe复合涂料更容易受到有机污染物和阳光包括强紫外线的污染。在测量接触角之前，样品用2mw清洗24小时 cm⁻¹紫外线照射于测试表面，以去除有机污染物。然后用浸渍涂层(60 cm)污染样品最小值⁻¹)，用0.5 vol%油酸稀释在n庚烷。污染后，样品在70°C下干燥15分钟，然后使用未经过滤的紫外线光源(Toshiba FL10BLB;日本东京)。的n型TiO₂再次采用无PTFE复合材料进行对比试验。

3.结果与讨论

３.１.表面特征

3.1.1。接触角和表面自由能

研究了n掺杂tio2的水接触角和表面自由能₂-PTFE复合材料见表1．

所有复合样品都表现出超过150°的接触角，尽管存在亲水性N-掺杂的TiO，但它们与其疏水性一致₂光催化剂。一般认为，类似材料的接触角介于PTFE和添加了亲水性n掺杂TiO的粘结剂之间₂．相反，这些角(150°)明显大于纯聚四氟乙烯(110°)。这与Yamauchi等人之前报道的结果一致[18.］．在该研究中，采用Wenzel方程分析了颗粒复合模型，该方程考虑了表面粗糙度[19.，以及考虑非均匀表面的Cassie方程[20.］．他们得出结论，粘结剂比聚四氟乙烯颗粒复合材料中的聚四氟乙烯更容易被水润湿。在该系统中，接触角随PTFE浓度的增加而增大，但超出了PTFE的接触角。当PTFE颗粒分散在合适的粘结剂中的浓度达到80 wt%时，由于PTFE表面的粗糙度，水滴与复合表面之间的表面积有78%以上被空气覆盖。因此，我们认为在n掺杂的TiO中也可以观察到同样的趋势₂-PTFE复合材料如果用掺n的TiO代替部分粘结剂₂．Nakajima等人[1]也报告了类似的结果;TIO.₂纳米粒子加入到超疏水薄膜中，在浓度低于20 wt%时，即使在1.7 mW强度的紫外线照射800小时后，也没有显著提高薄膜的疏水性 cm⁻²．

研究了8 wt% n掺杂tio2的表面自由能₂复合材料为5.8 mN米⁻¹，与CF相似_3.(6 mN米⁻¹）[21.］．这种疏水性反映了n掺杂TiO的低表面能₂-PTFE复合涂层，可抑制污染物的附着力。

3.1.2。扫描电子显微镜观察

用扫描电镜观察了含有80 wt% PTFE和8 wt% n掺杂TiO的样品₂如图所示2．显微图显示了许多小的球形聚四氟乙烯颗粒，表明复合涂层的非均质形貌。因此，任何对表面润湿性能的分析都必须考虑PTFE颗粒和粘结剂造成的表面不均一性。此前，Yamauchi等人曾进行过这样的分析[18.];他们将这种特殊的疏水性归因于水滴和基质表面之间存在的空气。

3.1.3。傅里叶变换红外光谱仪观察

用于样品的PTFE粉末的傅里叶变换红外光谱仪观察（FT-IR）谱如图所示3.．FT-IR光谱显示CF有清晰的峰_3.（1213厘米⁻¹)和CF₂(1155厘米和639厘米⁻¹)基团，这些基团负责复合材料的疏水性。C=O (1800 cm)未见峰⁻¹)，导致Yamauchi等人报告的亲水行为[4］．这一发现解释了防止复合材料疏水性恶化的原因。

３．２．杀菌性能

众所周知，超疏水性不足以排斥有机物。因此，细菌在周围空气中有可能更容易粘附在复合材料上。n掺杂tio2的加入₂对PTFE涂层的抗菌性能进行了研究，有望扩大其应用范围。分析了n掺杂tio2的杀菌性能₂-PTFE复合材料采用本节所述的测试方法2.2.2如图所示1．

虽然大肠杆菌MRSA细胞必须人工附着在n掺杂TiO的表面₂-PTFE复合材料，结果显示具有很高的杀菌活性。数字4显示了存活率的下降大肠杆菌在PTFE疏水复合膜上添加n掺杂TiO₂．它可以在图中看到4结果表明，在1000和2000 lx可见光照射24 h下，含12 wt% n掺杂TiO的复合涂层上的活菌数量显著增加₂减少从~ 10⁵cfu值低于菌落形成法的检测限(10 cfu)。此外，即使在非常低的光照强度(100 lx)下，可存活的数量大肠杆菌细胞减少了两个日志(图4)．如图所示5在2000 lx可见光照射下，MRSA存活细胞数由~10个减少⁵对于含不同数量n掺杂TiO的所有样品，n掺杂TiO的浓度小于10 cfu₂．从图中可以看出4和5杀菌活性大肠杆菌3 wt% N-TiO₂/ PTFE在2000 LX下可见光24小时。这与正常理解一致：即，对革兰氏阳性菌株的光催化杀伤效果比革兰氏阴性菌株更快[6，8］．

数据显示了一种降低医院相关细菌感染发生率的可能方法，因为MRSA是主要的致病菌，并且经常对许多其他药物具有耐药性[22.，23.］．如以前报道的，n掺杂的TiO的杀菌活性₂-PTFE复合材料的可见光强度与n掺杂TiO的比例有关₂(图4)．在对照样品中没有观察到杀菌效果（仅限PTFE）。这些揭示了n掺杂的tio₂纳米颗粒是一种独特的材料，有助于复合材料的杀菌作用。并与n掺杂的TiO进行了比较₂结果表明，n掺杂tio2的杀菌活性较低₂-PTFE复合材料增强(图6)．

许多研究将光催化抗菌活性的机理解释为电子/空穴或活性氧(ROS)引起的细胞膜完整性的丧失[24.- - - - - -26.］．在目前的研究中，我们认为较大的表面粗糙度(图3.)产生更多的气穴，为光催化反应提供额外的氧气，进而导致进一步的ROS生成。

我们还检测了细菌细胞对8 wt% n掺杂TiO的快速粘附₂-聚四氟乙烯复合涂层，用含硝酸液(NB)的液体冲洗样品大肠杆菌．当样品用含1ml NB液体冲洗时cfu的大肠杆菌20秒，大约10^3.cfu的大肠杆菌细胞粘附于表面。然而，当相同的量大肠杆菌用1 mL磷酸盐生理盐水缓冲液进行对比实验，仅100 cfu大肠杆菌在漂洗过的样品上检测到。这些结果表明，细菌细胞更容易吸附在有机物污染的超疏水表面。然而，虽然是少量的大肠杆菌被吸附在n掺杂TiO₂-PTFE复合材料表面，细胞在1000 lx的可见光照射下灭活，如预期(表1)2)．

3.3。自洁性能

在可见光下，掺杂和不掺杂n - tio2时，PTFE复合涂层在油酸表面的氧化降解结果₂，如图所示7．从数据中可以看出，在有和没有掺n的TiO的复合涂层中，接触角都有很大的降低₂当它们被油酸污染时。值得注意的是，只有在n掺杂的TiO上才能成功地去除油酸₂-PTFE复合涂层表面1mw cm⁻²UV辐射230小时，之后接触角回收到其初始值。油酸光催化降解TiO的机制₂电影已被Rathouský等人分析[27.］．在他们的研究中，分别检测非洲和9-氧壬酸和壬二酸和壬酸和壬酸分别作为初级和次级中间体。他们提出了TiO上的氧化降解₂氢氧根对双键的攻击诱导成膜。消除的羟基自由基可催化并加速不饱和化合物(包括脂肪酸)的降解，这可预期与降解程度成正比(即转化为更亲水的化合物，以及转化为气体产品，如CO)₂和H₂O)。这些主张和发表我们的研究结果说明,尽管这样的superhydrophobicity电影不足以击退有机物,尤其是油、光催化氧化可以消除这些有机污渍,保持超疏水表面暴露于户外条件后很长一段时间。

4.结论

在这次调查中，通过组合N掺杂的TiO，我们开发了一种新型防水和抗微生物复合涂层₂光催化剂（可见光敏感光催化剂）配聚四氟乙烯（PTFE）颗粒，粘合剂和氟油。该复合涂层表现出大于150度的水接触角，表面能低于6mN / m，表明超疏水性。复合涂层也表现出高水平的杀菌活性大肠杆菌和MRSA的可见光照射，无论是高强度还是低强度。特别是在MRSA上观察到超过4个灭活对数，这表明这种新开发的超疏水复合材料可能对引起医院感染的细菌具有耐药性。此外，细菌失活增强，并与n掺杂的TiO相比较₂-只有涂层显示，这种增强归因于PTFE提供的表面粗糙度;更多的气穴为光催化反应提供了额外的氧气，从而产生更多的活性氧。我们还证实了吸附在复合材料表面的有机污渍可以通过光催化氧化成功去除，从而获得可持续的高亲水性。这些结果表明了新型n掺杂TiO的潜在应用价值₂光触媒疏水复合材料不仅对室内有抗菌作用，还可防止室外污染。

致谢

这项工作得到了日本科学技术振兴厅种子发展基金08-107的支持。作者感谢NTT先进技术公司的Konosuke Ikeda和Takashi Shimizu对样品制备的帮助。山内健太郎、姚燕燕和山内五郎对这项工作也有同样的贡献。

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