可溶盐模板法制备碳纳米复合材料及其光响应抗菌行为研究

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抗生素的滥用导致耐药细菌不断出现,对人类健康和全球公共卫生造成了严重的威胁。因此,亟需开发新型无抗生素抗菌策略。近年来,光响应抗菌策略有望成为代替抗生素的治疗手段。碳纳米材料由于具有优异的理化性质和近红外光强吸收,作为新型光响应纳米抗菌剂被广泛研究。然而,传统的碳纳米材料共轭带较长,光吸收能力有限。单一组分的碳材料和单一的抗菌手段也难以实现高效的细菌灭活。因此,迫切需要开发以碳纳米材料为载体的协同策略,实现高效、广谱、安全的光响应抗菌效果。本文使用简单经济的Na Cl可溶盐模板法制备的碳纳米材料作为基底,负载具有抗菌活性的铜基纳米颗粒制备新型碳基纳米复合材料,研究复合材料对大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的光响应抗菌行为和杀菌机制。具体研究内容如下:(1)制备不同铜纳米颗粒(Cu NPs)负载量的二维碳基纳米复合材料(2D C/Cu),并研究了组分含量、材料浓度、光热作用对抗菌活性的影响。研究表明:2D C/Cu具有优异的光热转换性能和稳定的铜离子释放能力。复合材料具有广谱抗菌活性,对E.coli、S.aureus,甚至MRSA都具有高效的细菌杀灭率。同时,材料的抗菌性能具有浓度依赖性。另外,复合材料克服了单一材料的缺陷并有机结合了2D C的光热作用和Cu NP释放Cu2+的抗菌活性。在优化光热和离子协同作用后,复合材料对E.coli、S.aureus和MRSA的抗菌率分别为99.97±0.01%、99.96±0.01%和99.97±0.01%。(2)在三维碳基底上制备Cu2O@Cu9S8异质结,对比了Cu2O/C、Cu2O@Cu9S8/C和Cu9S8/C的理化性质和抗菌活性。研究表明:Cu2O@Cu9S8异质结的形成限制了光生电子-空穴对的复合,使得该复合材料具有优异光催化性能,能够产生大量活性氧。另外,Cu9S8具有局部表面等离子体共振效应,能够与窄带隙的Cu2O共同作用来增强复合材料光吸收能力,使材料光热转换性能提高。太阳光热和光催化的协同作用能够提高复合材料的抗菌性能。经过两个太阳光强照射20 min,Cu2O@Cu9S8/C对S.aureus和E.coli均显示出99.97±0.01%的抗菌活性。本文基于碳纳米载体和铜基纳米材料,提出了光响应协同抗菌策略,为新型无抗生素抗菌剂的设计提供了新思路。
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