在基于黏土礦物制備的新型殺菌材料中,黏土礦物本身主要作為負載殺菌物質(例如金屬、金屬氧化物、有機物)的載體,自身的殺菌能力還是有限。多種手段制備改性黏土礦物、黏土礦物與其他材料制成的復合物可作為新型的殺菌材料,對多種細菌產生殺菌作用。
黏土礦物可通過多種改性方式(包括熱改性、酸改性、金屬或金屬氧化物的無機改性、有機改性與復合改性等)增強殺菌能力,經改性后的黏土礦物比表面積增大、礦物孔隙度與分散性提高,材料整體的熱穩定性、機械強度得到提升。用于改性與制備殺菌材料的黏土礦物主要為蒙脫石、高嶺石、埃洛石、蛭石,其中蒙脫石以突出的陽離子交換能力、極大的層間域、比表面積與強吸附能力而被廣泛使用。
可將毒性金屬離子、金屬氧化物插入黏土礦物層間或吸附其表面制備成復合殺菌材料。研究中所使用的金屬離子主要有鋅、銅、銀(其中銀廣泛使用),金屬氧化物包括氧化鈦、氧化鋅、氧化銅、氧化亞鐵等。黏土礦物與金屬或金屬氧化物主要通過層間陽離子交換或礦物表面吸附完成改性,該類復合殺菌材料的殺菌機理與金屬對細胞的毒性或產生的自由基相關。
Giraldo等對黏土礦物內插入Ag的方式與種類進行綜述。加載Ag的方式主要包括紫外照射,多種化合物作為還原劑的插層技術,結合微波、高溫煅燒、還原劑等離子交換反應。Ag+在插入層間后可通過多種還原劑如NaBH4、水合肼等被還原為單質Ag,并于層間形成銀納米顆粒。
Malachová等研究了Ag、Cu和Zn制備的改性蒙脫石(MMT)對大腸桿菌的殺菌能力,不同金屬改性蒙脫石中,Ag-MMT對大腸桿菌的殺菌活性最高,Cu-MMT次之,Zn-MMT殺菌活性最低,這與溶解態金屬離子的殺菌能力相一致,表明抗菌作用是通過黏土礦物釋放的金屬離子與細菌的相互作用來實現的。
類似地,Hundáková等研究Ag+、Cu2+蒙脫石與蛭石對大腸桿菌的殺菌作用,Cu2+處理后的礦物相比Ag+處理后殺菌能力更強,隨著Ag+濃度的升高,礦物殺菌能力得到增強。
Magaña等通過高溫煅燒、研磨、Ag+離子交換得到加載銀離子的改性蒙脫石,對大腸桿菌表現出較強的殺菌效果,并證明了殺菌活性與改性蒙脫石釋放出的Ag+直接相關。研究認為Ag+的殺菌機理涉及到Ag+穿過細胞膜,通過硫醇中硫基(-SH)與Ag+的相互作用在半胱氨酸分子和Ag+之間形成復合物,進而導致蛋白質失活、細胞失活與死亡。另有研究表明,吸附了Ag+的磷酸、羧基和羥基等官能團通過引起細胞壁表面脂蛋白的失活來抑制細胞的正常代謝。
加載金屬離子的黏土礦物具有緩慢釋放金屬、延長殺菌時間、提高殺菌材料穩定性的優點,金屬的緩慢釋放與黏土礦物表面羥基與金屬間的鍵合能力相關。黏土礦物增大的比表面積與孔隙度有助于分散納米金屬顆粒,提高納米金屬與細菌接觸的效率,提高殺菌效果。但考慮到納米金屬顆粒的毒性,在具體應用時需要考慮其生物毒性。Daniel等的研究評估了合成的納米零價銀顆粒對瑞士小鼠的毒性,結果顯示負載零價納米銀的蒙脫石沒有對小鼠表現出神經毒性。但由于金屬離子在黏土礦物中緩慢的釋放,隨時間的增加金屬可能不斷在體內累積并表現出毒性。
資料來源:《郭東毅,夏慶銀,董海良,等.殺菌黏土礦物的研究進展與前景展望[J].地學前緣:2021》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
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