木质素-硫化铜复合材料的制备及抗菌性能研究

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耐药性细菌感染已成为人类健康最严重的威胁之一,而基于光热效应协同的抗菌策略被证明是有效的应对措施。目前,硫化铜(CuS)纳米材料因其具有显著的光热效应、拟过氧化物酶催化活性等多重抗菌机制被认为是理想的光热抗菌材料。然而,单独的硫化铜纳米材料不稳定且容易团聚导致其抗菌性能不能充分发挥,常需要借助于化学助剂和载体材料提高其分散性和稳定性。木质素是自然界储量丰富的生物质资源,具有三维网络结构和丰富的官能团,木质素磺酸盐作为分散剂在许多领域得到了广泛应用。本文提出采用木质素磺酸钠(LS)分散和稳定CuS纳米颗粒,构建高效硫化铜复合材料;开发光热-催化协同的策略,增强了硫化铜的拟酶催化抗菌性能,进一步提升了总体抗菌性能。研究结果对木质素的高值化利用和绿色高效抗菌材料的开发具有重要的应用价值。本文以木质素磺酸钠为硫化铜纳米材料的生长模板和分散载体,制备了木质素-硫化铜复合材料,并利用复合材料的光热-催化协同作用增强抗菌性能。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等技术对复合材料的组成、结构和形貌进行表征;测试了复合材料的光热作用、拟酶催化活性及其光热-催化协同抗菌性能,进一步将木质素-硫化铜复合材料掺入水性聚氨酯和聚乙烯醇中制备了具有优异抗菌性能的复合薄膜和复合水凝胶。主要实验结果如下:(1)以木质素磺酸钠(LS)为载体和分散剂,制备了木质素-硫化铜复合材料(LS-CuS),证明了CuS纳米颗粒在LS载体上均匀分散,其适宜制备条件为:LS与CuS质量比为1:1,反应温度为80℃,反应时间为30 min。由于LS的分散作用,LS-CuS显示出较纯CuS增强的光热和拟过氧化物酶催化性能,且LS-CuS光热作用产生的热量可加速拟酶催化反应产生更多的羟基自由基(·OH)具有光热-催化协同作用。在近红外(NIR)光照射和H2O2存在条件下,LS-CuS处理5 min可使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌CFU减少5.9-log10和5.4-log10,杀菌效率大于99.99%。将LS-CuS掺入水性聚氨酯(WPU)中制备了LS-CuS@WPU复合薄膜,在NIR光照下5 min可杀灭99%的大肠杆菌和90%的金黄色葡萄球菌。(2)将LS-CuS复合材料掺入聚乙烯醇(PVA)中制备了LS-CuS@PVA复合水凝胶。由于LS和PVA聚合物链之间的强相互作用,LS-CuS可均匀地分散在PVA聚合物网络中,从而提高了复合水凝胶的光吸收性能。在NIR光照射和H2O2存在条件下,LS-CuS@PVA处理10 min可使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌CFU减少3.8-log10和4.8-log10,杀菌效率约为99.99%。抗菌机理实验表明,显著增强的杀菌作用是由于光热和活性氧(ROS)的协同作用。此外,LS-CuS@PVA的光热、光动力和拟酶催化活性的协同作用可有效地破坏已经形成的完整生物膜并抑制生物膜的形成。本论文构建了在近红外光下具有高抗菌性能的木质素-硫化铜复合材料,可为设计绿色、高效的木质素基复合材料提供了新思路和方法。
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