1 引言

    美國、蘇聯/俄羅斯以及中國的航天實踐表明： 載人航天器密閉環境條件下容易滋生細菌，這些微生物能在密閉艙室內的金屬或合金材料器件、高分子復合材料、無機非金屬等電路板和儀表盤以及航天服等材料上形成微生物膜，它們的生長繁殖和代謝會腐蝕這些材料，嚴重威脅空間站安全，縮短空間站的使用壽命，且易于產生損害航天員的身體健康，造成設備故障等問題。因此，開展抗腐蝕殺菌材料研究，無論是對于微生物源的控制，還是在軌運行過程中的檢測防護都具有重要意義。

    對神舟系列飛行任務的飛船表面進行了微生物的采集和分離純化，得到了多株腐蝕菌。對這些下行菌和搭載菌進行腐蝕規律研究發現，少動鞘氨醇單胞菌（ Sphingomonas paucimobilisH1） 對測試的近十種空間材料如高分子材料、金屬等均具有嚴重的腐蝕行為。因此，須針對材料進行改性、涂層處理以提高對空間微生物，特別是對少動鞘氨醇單胞菌的防腐抗菌能力。

    含氟高分子是分子結構中含有一定比例氟碳單元的高分子聚合物，由于F-C 鍵十分穩定，其鍵能遠大于其同族的C-Cl 及C-Br 鍵，也比C-H 鍵要強，這使得含氟聚合物在耐候性、耐化學藥品性、憎水性、憎油性及耐沾污性等方面，具有其他涂料無法比擬的優勢，因此選用含氟高分子作為金屬表面的防腐蝕涂層。除此之外，納米銀抗菌效果良好、抗菌效果范圍廣且安全無毒，已經在食品衛生、環境保護等領域得到廣泛應用。因此提出在含氟高分子涂層中引入納米銀，形成納米銀復合涂層材料，以增強材料的防腐殺菌的功能。

    2 材料制備及測試方法

    2. 1 材料制備

    2. 1. 1 培養基的制備

    牛肉膏蛋白胨液體細菌培養基： 牛肉膏3 g（ 0. 3%） ，蛋白胨10 g（ 1%） ，NaCl 5 g（ 0. 5%） ，去離子水1 L，pH 7. 0 ～ 7. 2。

    牛肉膏蛋白胨固體細菌培養基： 1 L 的牛肉膏蛋白胨液體細菌培養基中加入15 g 瓊脂配制而成。

    2. 1. 2 菌懸液制備

    液體培養基： 將已滅菌的液體培養基傾入約50 mL 至滅菌的三角瓶（ 150 mL） 中。用經火焰滅菌后的接種環從平板培養上挑取活化菌種的一個菌落，于液體培養基中靠壁劃線，在30 ℃，220 r /min 下搖床培養24 h。

    菌懸液： 取活化菌培養液40 mL 至50 mL 離心管中，編號，離心，去掉上清液。將底部菌團溶于生理鹽水（ 0. 8% NaCl） 中，配制為混合菌懸液。OD600 分別為1. 0、0. 8。

    2. 1. 3 氯化三苯基四氮唑（ TTC） 顯色溶液制備

    需要用到3 種溶液，具體如下： 1） TTC 溶液，濃度為1 g /L 的100 mL; 2） 葡萄糖溶液，濃度為0. 1 mol /L的100 mL; 3） Tris（ 三羥甲基氨基甲烷） -HCl 緩沖溶液，先配制好0. 1 mol /L 的Tris 溶液和0. 1 mol /L的HCl 溶液，再取50 mL 的Tris 溶液（ 0. 1 mol /L） 與14. 7 mL 的HCl 溶液（ 0. 1 mol /L）混合，裝入100 mL 容量瓶中定容，最終濃度為0. 05 mol /L， pH 為8. 5。

    2. 1. 4 納米銀復合材料的制備

    精確稱取一定量的納米銀和含氟高分子（ 氟碳漆） 前聚體，在燒杯中劇烈攪拌1 h，使納米銀與高分子混合充分。之后加入10% （ 質量比） 的交聯劑，攪拌10 min。將燒杯放入真空干燥箱20 min以除去體系的氣泡，取出，將納米銀/高分子混合液涂于金屬表面，置于45 ℃干燥箱中，放置一天后，得到金屬表面的納米涂層； 也可將混合液涂于玻璃表面，以相同的處理方式得到含銀納米復合材料，因復合材料與玻璃的粘附力比較弱，可以將材料從玻璃上剝離下來，得到自支撐的膜，用于殺菌實驗的研究。

    2. 2 測試方法

    2. 2. 1 材料結構測試

    對納米銀復合材料進行廣角X 射線衍射（ WAXD ） 測試，所用儀器是Bruker GADDSD8discover，掃描范圍35°到85°。

    2. 2. 2 納米銀復合材料的殺菌性能測試

    選擇TTC 顯色法進行殺菌性能的測試。其顯色機理是： TTC 可以通過細胞壁和細胞膜被活菌攝取，活菌新陳代謝時，脫氫酶作用于營養物質，使其氧化脫氫，TTC 可作為還原氫的受體，被還原為紅色的1，3，5-三苯甲臢（ TF） ，TF 不溶于水，但能溶于甲苯等有機溶劑，所以可用甲苯等有機溶劑將生成的TF 萃取出來，萃取出來的TF 越多，顏色越深，從而可以推斷體系中的活菌數量越多，顏色越淺，表明殺菌效果越好。該方法與傳統檢測方法相比，具有操作簡單，耗時短，現象明顯等優點。

    加入4 mL 培養24 小時的大腸桿菌菌液（ 用分光光度計測得其光密度OD 值為0. 8，測試條件為600 nm，水為參比） ，然后再分別加入涂層4 g，再加入4 mL 超純水。搖勻，放入37 ℃恒溫水浴鍋內恒溫反應48 小時，反應后加入2 mL 葡萄糖溶液（ 0. 1 mol /L） ，2 mL TTC 溶液（ 1 g /L） ，2 mLTris-HCl 緩沖溶液（ 0. 05 mol /L，pH = 8. 5） 觀察顏色變化。

    2. 2. 3 微生物形貌表征

    用QUANTA FEG250 FEI 掃描電子顯微鏡（ SEM） 觀察殺菌前后微生物的形貌變化。將抗菌殺菌測試前后的材料經過固定、脫水、干燥、噴金操作后，進行SEM 觀察。

    3 結果與討論

    3. 1 納米銀復合材料表征結果

    選取商品化的納米銀（ 粒徑在30 ～ 50 nm 之間） ，通過“先預混后交聯”的方式，將納米銀引入到高分子基體當中。從圖1（ a） 可以看到，納米粒子在高分子基體中得到了良好的分散，得到的復合材料是透明的。這為后續的研究和使用奠定了基礎。將納米銀復合材料涂覆在金屬樣品表面，形成了金屬的保護膜，這為金屬的防腐抗菌提供了保障，如圖1 （ b） 、（ c） 。涂層在金屬表面的附著非常牢固，除了利用刷涂的方式外，含氟高分子材料的前聚體的粘度比較低，可以利用噴槍進行施工，提高了材料的使用便利性。

    廣角X-射線衍射實驗（ 結果如圖2 ） 表明：納米銀在復合涂層材料中的晶型保持不變，晶型是cubic 晶體結構； 對于不同納米銀含量的復合材料，納米銀的特征峰（ 2θ = 37. 9°） 強度隨著納米銀含量的增加而逐漸增強； 納米銀成功與涂層材料復合，并且含量越高，衍射峰強度越大。

    3. 2 納米銀復合涂層材料殺菌性能測試結果與討論

    選取少動鞘氨醇單胞菌H1 作為研究對象，測試制備的納米銀復合材料的殺菌性能。將不同納米銀含量的復合材料加入到微生物溶液中。利用TTC 顯色法快速檢測殺菌效果。

    未加任何高分子材料的空白組，其甲苯萃取溶液的顏色為深紅色，表明溶液中少動鞘氨醇單胞菌的活性非常好，順利將TTC 轉換成紅色的TF。加入不含納米銀的高分子作為對照組，材料盡管沒有殺菌性能，但對少動鞘氨醇單胞菌具有一定的粘附作用，使溶液少動鞘氨醇單胞菌濃度有所下降，從而使TTC 轉換的TF 量有所減少，甲苯萃取液的顏色略有變淺。當加入納米銀含量為0. 25%的復合材料時，材料中的銀離子遷移到細菌培養液中，對少動鞘氨醇單胞菌具有殺菌作用，甲苯萃取液的顏色變淺。表明納米銀復合材料起到了一定的殺菌功能。提高納米銀的含量，把納米銀含量為0. 51% 的復合材料加入到少動鞘氨醇單胞菌的菌液中，其他條件不變，得到的TF 萃取液顏色進一步變淺，進一步提高納米銀的含量至0. 73%，復合材料對少動鞘氨醇單胞菌的殺菌能力得到充分體現，銀離子從復合材料中滲透到溶液中，殺死了大部分的鞘氨醇單胞菌，從而抑制了TTC 向TF 的轉變，TF 的甲苯萃取溶液的濃度非常低，幾乎觀察不到溶液的顏色，如圖3 所示，表明納米銀含量的提高，對少動鞘氨醇單胞菌的殺菌效果得到提高。

    從上述結果可以看出，納米銀復合涂層材料對少動鞘氨醇單胞菌具有優良的殺菌性能，通過TTC 檢色法迅速的檢驗出其殺菌性能。如圖3 所示，隨著材料中納米銀的含量增加，TF 溶液的顏色逐漸變淺，直至無色，表明復合材料對少動鞘氨醇單胞菌的殺菌能力逐漸增強。

    3. 3 涂層材料表面微生物形貌變化分析

    利用掃描電子顯微鏡可以對殺菌前后的細菌形態進行觀察。如圖4 所示，在不含納米銀的材料表面可以看到完整的少動鞘氨醇單胞菌，細菌顆粒飽滿，有立體感，說明都是正常菌。而納米銀改性處理的材料表面粘附的細菌數量極少，并且細菌形狀發生變化，說明納米銀復合材料起到了良好的殺菌效果，由于含氟高分子本身具有低黏附力，細菌死亡后難以在材料表面附著，因此納米銀含量為0. 51%，0. 73% 的材料表面沒有發現細菌的存留。對比圖4-c、d，少動鞘氨醇單胞菌在金屬材料銅片和鋁片的掃描電鏡圖片，大量細菌生存在金屬表面，必定會漸漸腐蝕材料。

    4 結論

    目前關于納米銀的殺菌機理還沒有定論，可能是銀離子從材料內部擴散到表面，與細菌中的巰基酶結合，使酶失去活性，從而起到殺菌的作用； 也可能是溶液中的銀離子進入細菌，與體內的DNA 結合，從而抑制了細菌的生長與繁殖。總體來說，納米銀復合材料對人體毒副作用小，使用方便，對空間下行菌的殺菌能力強，是一類優異的防腐抗菌材料。

    本文針對空間下行微生物少動鞘氨醇單胞菌對金屬等空間材料的腐蝕問題，提出了納米銀復合含氟高分子涂層進行防護殺菌的策略，利用TTC 顯色法測試其殺菌能力。研究發現，納米銀復合含氟高分子涂層對少動鞘氨醇單胞菌具有優異的殺菌能力，且隨著納米銀含量的提高，殺菌能力逐漸提高，這對于空間金屬材料的防護具有重要意義。（作者：隨欣,楊宇,秦利鋒,楊軍,高龍成,吳志強,謝瓊,馬玉飛,劉長庭  來源：仿生智能界面科學與技術教育部重點實驗室,北京航空航天大學化學與環境學院,中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室,解放軍總醫院南樓呼吸科）

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責任編輯：王元

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