2012年纪代饧织校 第1期 研究报告 新型纳米银抗菌棉织物的制备及其性能检测 马廷方’。戚丽华’,刘(1.万事利集团有限公司,杭州琳 。姚菊明 310018) 310021;2.浙江理工大学材料与纺织学院,杭州摘要:利用纤维素大分子自身的还原性和分散性,原位还原银溶液,制备得到了纳米银抗菌棉织 物。采用紫外一可见分光光度计(uv_vis)、原子吸收光谱(AAS)、分光仪等测试了反应时间对棉织物表面银负 载量和织物色差的影响,并进一步评价了所得纳米银棉织物的抗菌活性以及其细胞毒性。结果表明,处理后 织物在422nm处存在光吸收峰,说明织物表面沉积颗粒为纳米银粒子,且均匀分布在织物纤维表面;当反应 时间由10min延长至50min时,织物表面银粒子负载量由0.689 0mg/g增加至1.356 lmg/g,而织物颜色由 原来的白色逐渐变为浅黄色。抗菌活性测试表明,纳米银抗菌棉织物具有优良的抗菌效果及耐洗涤性能,经 2O次循环洗涤后,其对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抑菌率仍分别高达98.5 和94.3 。细胞毒性测试表 明,此抗菌织物对小鼠MC3T3一E1细胞为低毒性材料,细胞相容性较好。 关键词:棉织物;纳米银;原位还原;抗菌性;耐洗涤性;细胞相容性 中图分类号:TS195.5 文献标识码:A 文章编号:1009—265X(2012)01—0016—04 Preparation and Characterization of Novel Antimicrobial Cotton Fabrics Deposited with Silver Nanoparticles MA Tingfang ,QI Lihua ,LIUL 。, A0 Juming (1.Wensli Group CO.Ltd,Hangzhou 310021 China;2.College of Materials and Textiles,Zhejiang Sci—Tech University,Hangzhou 310018,China) Abstract:Novel antibacterial cotton fabrics were prepared through in situ deposition of silver nanoparticles by the reduction of AgNO3 using cellulose molecules as reducer well as dispersant.The deposition of silver nanoparticles on cotton fabrics,and color coordinates of fabrics were determined bv UV—vis spectrophotometer(UV—vis),atomic absorption spectrometer(AAS),and spectrophotometer.Further,the antimicrobia1 activity and cytotoxicity were evaluated,respectively.The results showed that the absorption peak at 422 nm confirmed the presence of Ag nanoparticles after the treatment of cotton fabrics.The AAS data showed that the amount of Ag particles deposited on the cotton fabrics was significantly increased from 0.689 mg/g to 1.316 mg/g when the reaction time increased from 1 0 min to 50 min.Moreover,The fabrics showed excellent antibacterial properties as well as laundering durability.The bacterial reduction was still 98.5 and 94.3 against E coli and S.aureus respectively,even after the fabrics were washed for 20 cycles.Meanwhile, the MTT test showed that the antibacterial fabrics only have very slight cytotoxity to MC 3T3一E1 cells,indicating its fairly well biocompatibility. Key words:cotton fabrics;silver nanoparticles;in situ reduction;antibacterial activity; laundering durability;biocompatibility 随着人们对纺织品卫生服用性能要求的逐渐 提高,抗菌纺织品的研究日益得到重视。其中,纳 收稿日期:2o11一o9一o5 作者简介:马廷方(1969一),男,浙江磐安人,高级工程师,主 要从事功能纺织品的开发与应用。 ・ 米银抗菌剂因安全、高效、持久、广谱、不易产生耐 药性等优点在纺织品抗菌整理方面得到了广泛应 用,然而目前纳米银抗菌纺织品的制备过程仍存 在工艺复杂,成本较高,结合牢度差,不符合环保 要求等缺点。 16 ・ 研究报告 纤维素是一种天然多羟基生物大分子,具有优 良的金属离子吸附特性_】],Liu等[2]通过再生纤维 素原位还原FeC1。制备了Fezo。纳米粒子,更显示 了其具有还原金属离子的能力。因此,本研究原创 性地以银为银前驱体,织物中的纤维素大分子 为还原剂和分散剂制备纳米银抗菌纺织品。研究了 反应时间对织物表面银负载量、织物颜色的影响,并 进一步评价了纳米银抗菌棉织物的抗菌活性及耐洗 涤性能和其细胞毒性。该方法工艺简单、成本低,且 符合绿色环保要求,对抗菌纺织品的开发将起到很 大的推动作用。 1材料与方法 1.1材料 银(AgNO3)、噻唑蓝(MTT)、二甲亚砜 (DMSO)等购自杭州米克化工试剂有限公司,分析 纯;棉织物(密度:183g/m )为本公司产品;DMEM 高糖干粉、胎牛血清、青/链霉素购自GIBIC0公司; 大肠杆菌E.coli(ATCC 25922)、金黄葡萄球菌 S.aureus(ATCC 6538)、人骨瘤细胞MG 63和小鼠 成骨细胞MC 3T3一E1均由浙江理工大学提供。 1.2纳米银抗菌棉织物的制备 棉织物在90℃热水中浸泡活化30min后,按浴 比5O:1浸渍于10mM银溶液中,90℃下分别 反应10min、30min和50min后取出,织物经洗涤、 烘干,即得不同负载量的纳米银抗菌棉织物。 1.3性能表征 采用Lambda 900紫外一可见分光光度计测定样 品的紫外光吸收;采用Solar M6原子吸收光谱仪测 试抗菌棉织物的银负载量。 采用SF600X分光仪测试抗菌棉织物的色度坐 标(CIE L ,a ,b ,D65光源,10。标准观察角度), 按公式(1)计算其最终色差值(△E ): △E 一 ̄/(Aa )z+(Ab ) +(AL )z (1) 式中:AE 一抗菌棉织物样品与未抗菌处理棉 织物色差值;Aa 一抗菌棉织物样品与未抗菌处理 棉织物红/绿色差值;Ab 一抗菌棉织物样品与未抗 菌处理棉织物黄/蓝色差值;△L 一抗菌棉织物样品 与未抗菌处理棉织物色彩明度差值。 1.4抗菌及耐洗涤性能测试 以E coli(觚25922)和S.aurgus(觚6538) 作为供试菌株。 采用耐洗色牢度测试仪,参照ISO 105一C06: 2010{纺织品色牢度耐家庭洗涤和商业洗涤色牢度》 2012年纪代畅织校 第1期 对负载银棉织物进行洗涤;参照ASTM E 2149: 2001{固着性抗菌剂抗菌活性的动态测试法》对未经 洗涤和洗涤不同次数的样品进行抗菌及耐洗性测 试。即将样品置于CFU 10 ~10 的菌悬液中, 37 ̄C振荡培养4 ̄12h后,将悬液稀释一定倍数涂布 琼脂培养板上,按公式(2)计算其抗菌效果。 P( )一厂(Co--C)/Co]×100 (2) 式中:P一细菌抑制百分率;Co一未抗菌处理棉 织物共培养后的菌落数;C_抗菌棉织物共培养后 的菌落数。 1.5细胞毒性评价 采用MTT法检测纳米银抗菌棉织物对人骨瘤 细胞MG 63和小鼠成骨细胞MC 3T3一E1的细胞 毒性。取lmL MG 63和MC 3T3一E1细胞悬液(1 ×10 Cell/mL)接种于24孔细胞培养板中,37℃, 5 COz恒温培养箱中预培养24h,然后吸出原培 养液再加入2mL新鲜培养液,同时加入灭菌后的 0.02g未抗菌处理棉织物和纳米银抗菌棉织物分别 作为对照组和实验组,每组3个平行样。37℃,5 CO 恒温培养箱中继续培养,每隔24h观察1次细 胞形态。72h后终止培养,小心吸出培养液,每孔加 入5mg/mL MTT液30b ̄L和无血清培养基300 ̄L, 37℃培养箱中继续培养4h,小心吸出培养液,加入 300 ̄L DMSO,振荡3min,吸取200>L溶解液转入 96孔板中,在680型酶标仪上测定其在570nm处的 吸光值(OD5 。),按公式(3)计算细胞相对增殖率 RGR: R (9/6)一( ) ̄100 (3) 转化为相应的细胞毒性等级,评价标准为:0级 RGR≥100 ;1级RGR75 ~99 ;2级RGR50 A o~74 ;3级RGR25 ~49 9/6;4级RGR1 ~ 24 9/6;5级RGR ̄O。 2结果与讨论 2.1纳米银沉积棉织物的表征 采用紫外一可见吸收光谱验证织物表面所沉积 颗粒。与未处理织物相比,置银溶液中反应不 同时间的各试验样品在422nm处出现一吸收峰,证 实了织物表面所沉积颗粒为纳米级银粒子[3]。从图 l可以看出,422nm处吸收峰的强度随反应时间的 延长而增大,但这一趋势在反应时间增加至50min 时消失,表明进一步延长反应时间,织物表面纳米银 负载量不再有明显增加。 ・ 1 7 ・ 2012年纪代 识校 第1期 1OO 80 ● 60 冀4o 2O O 0 1O 3O 反应时问/min 图1不同反应时间棉织物在422nm 的紫外一可见吸收光谱图 进一步采用原子吸收光谱测试了织物表面银粒 子的负载量。结果如图2所示,当织物浸入银溶 液中反应10rain时,织物表面银粒子负载量为 0.689 0mg/g,当反应时间延长至30rain时,银负载量 显著增加,达到1.213 6mg/g,继续延长反应时问至 50rain,银负载量不再明显增加,仅为1.356 lmg/g。 这一结果与紫外一可见吸收光谱分析结果相一致。 曼 反应时间/min 图2不同反应时间下棉织物表面银负载量 相应地,由于织物表面纳米银负载量的增加,载 银棉织物颜色也由最初的白色逐渐变为浅黄色。为 量化其色差变化,采用色度坐标定量检测了负载纳 米银棉织物的色差值。与未反应棉织物相比,反应 10min时,织物颜色发生了轻微变化,△E 为9.25。 当反应时间分别延长至30min和50min时,颜色变 化略趋于明显,△E 分别增加至17.21和18.32,但 仍不影响其外观服用性能。 2.2纳米银棉织物的抗菌及耐洗涤性能 对反应30rain,即纳米银负载量为1.213 6mg/g 的银负载棉织物进行了抗菌活性及抗菌耐洗涤性能 测试,结果如图3所示。从图中可以看出,样品与供 试菌株分别接触培养4、8、12h后,未经洗涤的抗菌 棉织物对E.coli和S.aurgus的抑菌率均高达 99.99 ,显示出卓越的抗菌活性。经10次洗涤后, ・ 18 ・ 研究报告—— 其抗菌效果几乎没有变化;经2O次洗涤,接触培养 12h后,织物抗菌效果才略有下降,但仍大于94 , 显示了棉织物良好的抗菌耐洗涤性能。而经3O次 洗涤后,尽管随着培养时问的延长抑菌百分率发生 6 4 2 O 8 6 4 2 O 了显著下降,但经8h接触培养后,对E.coli和S. auFeus仍可保持73 和63 的抑制率。此外,从图 中还可以看出,在相同条件下,负载银棉织物对E. coli的抗菌效果略优于S.aureus,这可能是由于E. coli(G)和S.aureus(G+)的细胞壁结构存在一定 差异所导致的。而随着共培养时间的延长,织物抗 菌能力也有所下降,这主要是由于在LB培养液接 触培养环境下,纳米银粒子与死亡细菌残骸容易发 生黏结包覆现象,导致系统中纳米银粒子数量逐渐 减少,从而导致剩余细菌的生长,即抑菌百分率下 降 。 薅 酒 嚣 图3纳米银棉织物对E.coli(实心)和S.aureus(空心) 的抗菌活性及抗菌耐洗效果 2.3纳米银棉织物的细胞毒性评价 纺织品抗菌整理剂的生物安全性是评价抗菌 纺织品服用性能的重要因素,因此本研究采用 MTT法检测了负载纳米银棉织物对人骨瘤细胞 MG 63和小鼠成骨细胞MC 3T3一E1的细胞毒性。 从图4可以看出,与对照组相似,各培养周期内, 负载不同量纳米银织物周边的MC 3T3一E1细胞均 贴壁生长状况良好,未见细胞形态异常或凋亡等 现象发生。说明其对MC3T3一E1细胞生长没有明 显的抑制作用。MTT测试结果也显示(见表1), 纳米银负载量为0.689 0mg/g和1.213 6mg/g的 织物与细胞共培养后,RGR值均大于75 ,细胞 毒性评级为1级。而进一步增加纳米银负载量至 1.356 lmg/g时,RGR值下降至74.85 ,略小于 75 研究报告 2012年纪代扬织校禾、第1期 表1 加捻纱线不同测试部位的直径d值 绕加捻腔轴中心旋转缠绕,形成节点。 b)捻距L值可以作为衡量纱线捻接效果的一个 重要指标,其值越接近于原纱L值,纱线捻接效果越 好;直径d值能够用于判断纱线捻接区域,若某部位 直径d值大于原纱d值,则该部位是节点部位。 参考文献: Eli GUO Huifen,AN Xianglong,YU Chongwen.Numerical StudY on the Principle of Yam Formation in Murata Air-Jet SpinningEJ].Journal of Textile Engineering,2007。53(5): 173—178. [2]Webb C J,Waters GT,Thomas A J,et a1.The use of the Taguchi design of experiment method in optimizing splicing conditions for a Nylon 66 yarn ̄J].Journal of the Textile Institute,2007,98(4):327 336. E3]Webb C J,Waters GT,Thomas A J,et a1.The Influence of Yarn Count OFt the Splicing of Simple Continuous Filament Synthetic Yarns L J].Textile Research Journal,2009,79(3):195—204. 5结论 E4]Webb C J,Waters G T,Thomas A J,et a1.Optimizing splicing parameters for splice aesthetics for a continuous 基于以上纤维捻接机理的研究分析,得到如下 filament synthetic yarnEJ ̄.The Journal of the Textile 几点结论: Institute,2009,100(2):141 l51. a)气流在加捻腔中发展成涡流,涡流促使纱线 (责任编辑:杨元兆) +“+・・+”+”—-卜”—+-”+-.—卜”+”+”+”+“+”+”+ —+-“—卜“—卜“—卜一—-.-“+”—-.r“+“—-卜”—+一“+”+“—・卜”—卜”—・ ”—卜..— 一”—卜“—卜 —-卜“—-卜 (上接第19页) 4)本研究提供了一种工艺简单,成本较低,绿色 3 结论 环保的纳米银抗菌纺织品制备方法,对于开发功能 性抗菌纺织品具有很大的推广应用价值。 本研究利用棉织物中纤维素大分子自身还原性 参考文献: 和分散性原位还原银离子制备了纳米银抗菌棉织 物,得到如下结果: Eli曲荣君,孙向荣。王春华,等.纤维素基吸附剂的研究进 1)得到纳米银负载量为0.698 0~1.356 lmg/g 展口].林产化学与工业,2004,24(3):102—106. 的棉织物;该棉织物色差随纳米银负载量增加而略 [2]Liu S L,Zhang L N,Zhou J P,et a1.Fiberlike Fe2O3 macroporous nanomaterials fabricated by calcinating 有变大,但不影响其外观服用性。 regenerate cellulose composite fibers EJ].Chemistry of 2)当纳米银负载量为1-213 6mg/g时,棉织物 Materials,2008,20(11):3623—3628. 具有良好的抗菌活性,其对E.coli和S.aureus的 [3]朱纯阳,贺军辉.纳米银胶体颗粒制备新方法及其荧光增强 抑菌率均达到99.99 ;经20次循环洗涤后,对上 效应研究[J].影像科学与光化学,2008,26(6):474 481. 述两种细菌仍具有98.5 和94.3 的抑菌率,显示 [4]Sondi I,Sondi B S.Silver nanoparticles as antimicrobial 出良好的抗菌耐洗性能。 agent:a case study on E.coli as a model for Gram- 3)MTT测试结果显示,在银负载量低于 negative bacteria[J].Journal of Colloid and Interface 1.213 6 mg/g的范围内,此负载银棉织物对小鼠成 Science,2004,275(1):177 182. 骨细胞MC 3T3一E1没有明显细胞毒性,而对人骨 [5]陈嵘,荣凯峰,吕 中,等.纳米银的制备及其生物活 瘤细胞MG 63具有一定的细胞毒性。 性研究进展ⅢJ].武汉工程大学学报,2010,32(11):1-8. (责任编辑:许惠儿) ・ 23 ・