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编号:10504442
AC及AC(Ag)对细菌的吸附及灭菌功能的对比研究
http://www.100md.com 《中国生物医学工程学报》 2000年第3期
     万怡灶 王玉林 董向红 周福刚 成国祥 温廷益 韩森

    测定了活性碳(AC)及载银活性碳(AC(Ag))的比表面积和孔径分布曲线,对比研究了AC及AC(Ag))对大肠杆菌的吸附能力和灭菌性能。结果表明,载银后,虽然AC(Ag)的比表面积下降,但由于银的存在,使其吸附的大肠杆菌数量高于AC,而吸附速率低于AC。灭菌试验表明,AC对大肠杆菌没有杀灭能力,而AC(Ag)对大肠杆菌有较好的灭菌功能。

    关键词:活性碳;银;大肠杆菌;灭菌性能;吸附

    0 引 言

    活性碳(以下简作-AC)比表面积大,吸附性能好,与活性碳纤维相比,其制造工艺比较成熟,价格便宜,因而仍是最广泛使用的工业吸附剂[1]。它可用于废水处理和净化饮用水,作分子筛,制作航天飞机的空气过滤器,用于贵重金属回收等[1~3]。此外,由于AC具有非活性碳相似的结构与性能,也具备一般碳材料的生物相容性和生物化学相容性等[4],因而也广泛应用于医学领域,如血液过滤等。无论是用于净化水还是用于生物医学工程领域,AC与细菌的生物相容性始终是一个非常重要的参数。在生物医学工程方面,细菌在植入材料上的粘附是导致植入材料伴生感染的主要原因之一[5],如AC能将粘附其上的细菌杀灭,则可避免此种感染的发生。
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    已有研究表明[6,7],当活性碳纤维应用于净化饮用水时,被吸附的细菌可在其表面生长、繁殖,造成对饮用水的二次污染,为克服这一弊端,采用了含银的活性碳纤维或表面载银的活性纤维[8]。但对AC与细菌作用机制的研究却不多。由于活性碳纤维与AC的性能有着较大的差别,因此,细菌能否在AC上粘附、生长或繁殖也值得研究。

    本文以AC及载银活性碳(以下记为-AC(Ag))为研究对象,选择大肠杆菌为代表,并采用“halo”试验法[9],即抑菌环法对比研究二者对大肠杆菌的作用。由于细菌吸附是细菌与材料作用的第一步[10],本文首先对二种材料的细菌吸附行为进行了研究。

    1 实验材料与方法

    1.1 实验材料

    本实验所用的AC由山西新华化工厂提供,AC(Ag)由浸渍法获得。
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    1.2 菌种及其培养

    1.2.1 菌种

    大肠杆菌JM109(Escherichia coli JM109)。

    1.2.2 培养基

    固体培养基(LB培养基),其组成为(g/L):蛋白胨10;酵母提取物5;氯化钠10;琼脂粉2。液体培养基的组成为(g/L):蛋白胨10;酵母粉5;氯化钠10;pH7.4。

    1.2.3 培养条件

    在950mL去离子水中加入蛋白胨、酵母提取物、氯化钠,摇动容器直至溶质完全溶解,用5mol/L NaOH(约0.2mL)调pH值至7.0,加入去离子水至总体积为1L,加入2g琼脂粉,高压下蒸气灭菌20min,将已灭菌的琼脂培养基冷却到45℃铺平板,然后接种大肠杆菌于固体培养基中。将试样依次放入接种过大肠杆菌的固体培养基表面。放入恒温箱中,恒温(37℃)培养24h。
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    1.2.4 大肠杆菌菌液的制备

    将接种过大肠杆菌的液体培养基锥形瓶固定在恒温(37℃)摇床上振荡培养24h,经分离提纯后制成大肠杆菌悬浊液。再用缓冲液(18.2g/L NaCl; 3.1g/L Na2HPO4*12H2O;0.2g/L NaH2PO4*2H2O;pH7.4)配制成1010cfu/ml的细菌溶液。

    1.3 性能测试与表征

    1.3.1 比表面积与孔径分布的测定

    比表面积采用ASAP-2400自动物理吸附仪测定。试样在1.33Pa真空条件下于300℃脱气4h,以高纯N2为载气和吸附质,用BET和Langmuir法计算并经计算机处理得到最终结果。
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    1.3.2 细菌吸附试验

    将相同体积的不同样品放入缓冲液中浸泡,而后依次放入小烧杯中,将细菌悬浊液摇匀,用消毒过的滴管依次滴注于各试样上,每个烧杯内滴20mL,并使各烧杯中的菌液混匀。每隔1h各取出一块试样,先在20%戊二醛液中浸泡片刻,然后分别在30%、50%和100%的丙酮溶液中脱水。表面喷金处理后,用X-650扫描电镜观察细菌的分布并计算单位面积(mm2)吸附的细菌数量,每个试样随机取6个视场计算细菌数量。

    1.3.3 灭菌性能

    灭菌试验采用“halo”试验法。当试样具有灭菌功能时,将在其周围形成透明环,即抑菌环[10]。样品的灭菌性能由抑菌环的宽度评价[11]。用普通摄相机拍摄抑菌环照片,然后采用JC-2型晶粒度测量仪(×50)测出抑菌环的宽度。为保证数据的准确性,每隔60°在不同的方向对每个抑菌环各测量6次,每种试样各取3~5个样品进行“halo”试验,抑菌环宽度为各样品抑菌环宽度的平均值。
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    2 结果分析

    2.1 细菌的分布特征

    细菌在AC及AC(Ag)表面的分布形态如图1所示。可见,大肠杆菌在AC表面的分布较均匀;而在AC(Ag)表面,大肠杆菌仅分布于银颗粒之间,未见有细菌分布于银颗粒表面,表现为非均匀分布的特征。t29601.gif (16237 bytes)

    图1 大肠杆菌在(a)AC (b)AC(Ag)表面的分布形态

    2.2 AC及AC(Ag)的孔结构特征

    比表面积的测定结果显示,AC的比表面积为970m2/g,而载银后比表面积下降了39%,为588m2/g。图2是AC及AC(Ag)的孔径分布曲线。可见,AC具有二个极大孔分布,一个位于2.1nm,另一个位于13nm左右;而载银后,AC(Ag)仍具有二个极大孔分布,一个位于1.8nm,另一个峰也位于13nm附近,但不明显。与AC相比,其极值下降了46%。这表明,AC载银后,孔径为13nm左右的孔大部分为银颗粒所堵塞。
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    2.3 AC与AC(Ag)对大肠杆菌的吸附动力学

    AC及AC(Ag)细菌吸附实验的结果示于图3。可见,AC及AC(Ag)对细菌的吸附作用差别不大,但吸附速率有所不同。AC的吸附速率显著高于AC(Ag),AC在吸附1h后,其大肠杆菌吸附量就达到平衡吸附量的80%以上,2h后就达到吸附平衡状态;而AC(Ag)1h后的吸附量为40%左右,2h后还不到70%,3h后才开始趋向平衡。此外,二者的平衡吸附量也存在区别,AC的平衡吸附量约为4.5×105cfu/mm2,而AC(Ag)的平衡吸附量为5.3×105cfu/mm2t29602.gif (2440 bytes)

    图2 AC及AC(Ag)的孔径分布曲线t29603.gif (2066 bytes)
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    图3 细菌吸附数量与吸附时间的关系曲线

    2.4 灭菌性能

    灭菌试验的结果示于图4。其中图4(b)为AC(Ag)试样的抑菌环照片,图中明显可见试样周围的抑菌环,其平均宽度为1.36mm,其余为细菌正常生长的部分,表明AC(Ag)具有较强的灭菌功能。而AC试样的周围未见有抑菌环(如图4(a)所示),AC周围的细菌可正常生长。t29701.gif (9263 bytes)

    图4 AC(a)及AC(Ag)(b)的抑菌环照片

    3 讨论

    固体材料对细菌的吸附与材料的亲水性/疏水性、表面电荷、表面化学成分和表面形态有关[12]。而作为吸附材料,影响最显著的因素是比表面积。AC与AC(Ag)相比,其亲水性、表面成分(不包括Ag)和表面形态相差不大,而且,载银过程也不改变原始AC的结构参数。但AC表面载银后,其比表面积大幅度下降,从孔径分布结果看,载银后,孔径为13nm的孔多数被银颗粒所堵塞,而正是这种尺寸的孔最适于吸附微生物[13],这似乎意味着,AC所吸附的大肠杆菌数量应多于AC(Ag)(这种吸附可称之为物理吸附,其吸附的细菌数量随比表面积的增大而增加)。实测的结果并非如此,AC(Ag)的平衡吸附量反而高于AC。这是由于AC(Ag)表面带正电,而大肠杆菌带负电[5],因此,除了物理吸附外,AC(Ag)还存在对大肠杆菌的化学吸附,这样就使其吸附的大肠杆菌数量增加,并超过AC所吸附的细菌数量。此外,二者在吸附动力学上的差别,说明化学吸附比物理吸附需要更长的时间才能达到平衡。
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    灭菌实验结果表明,未载银的AC对大肠杆菌没有杀灭能力,只有当其表面载银以后才具备灭菌功能。银的灭菌性能与它对细胞表面或DNA分子的作用有关,银离子会与细胞膜和细胞壁结合,从而减少或终止DNA、RNA和蛋白质的合成;银离子也可以取代DNA分子中的氢键而导致DNA分子中双螺旋结构的畸变,最终使细菌不能存活[11]

    虽然AC也对大肠杆菌有吸附作用,能将大肠杆菌吸附于表面,但因其良好的生物相容性,被吸附在表面的细菌仍然可以正常生长,而不会遭受破坏。由此可知,AC(Ag)的灭菌能力来源于银,确切地说来源于银所释放的银离子,这一点已为许多实验所证实[11,14]。可以认为,AC(Ag)的灭菌机制体现在两个方面。首先,AC(Ag)对细菌有吸附作用(包括物理吸附和化学吸附),使得大肠杆菌与银直接接触而被杀灭;其次,由于AC(Ag)表面的银释放银离子,而银离子具有很强的渗透能力[15],因而可向周围扩散,使得与银离子接触的细菌死亡。对AC(Ag)来说,吸附数量的增加将有助于提高其灭菌功能,而AC(Ag)的吸附能力与银含量和原始比表面积等因素有关。因此AC(Ag)最终的灭菌功能也与银含量及AC的原始表面积有关。
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    4 结论

    (1)AC载银后,其比表面积显著下降,孔径分布发生变化,多数最适于吸附细菌的孔(孔径为13nm左右)被银颗粒所填塞,使AC(Ag)的物理吸附作用下降。

    (2)AC及AC(Ag)均对大肠杆菌有较强的吸附能力,AC对大肠杆菌的吸附为物理吸附,其吸附速率较快;AC(Ag)对大肠杆菌既有物理吸附又有化学吸附,使其平衡吸附量高于AC。

    (3)AC对大肠杆菌没有杀灭能力,AC(Ag)对大肠杆菌有较强的灭菌功能。

    万怡灶(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)

    王玉林(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)

    董向红(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)
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    周福刚(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)

    成国祥(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072)

    温廷益(天津中医学院第一附属医院PCR中心,天津 300193)

    韩森(天津大学化工学院一碳化工国家重点实验室,天津 300072)

    5 参考文献

    1,Avom J, Mbadeam KJ, Noubactep C, et al. Adsorption of melthylene blue from an aqueous solution on to activated carbons from plam-tree cobs. Carbon,1997,35(3):365~369
, 百拇医药
    2,Huttepain M, Oberlin A. Microtexture of nongraphitizing carbons and TEM studies of some activated samples. Carbon, 1990,28:103~111

    3,Warhurst AM, Mcconnachie GL, Pollard SJ. Characteristation and applications of activated carbon from Moringa oleifera seed husk by single-step steam pyrolysis. Wat Res, 1997,31(6):759~766

    4,田本良.碳材料在医药学方面的应用.新型碳材料,1992,7(1):18~23

    5,Harkes G, Feijen J, Dankert J. Adhesion of Escherichia coli on to a series of poly(methacrylates) differing in charge and hydrophobicity. Biomaterials, 1991,12:853~859
, http://www.100md.com
    6,Oya A, Yoshida S, Abe Y, et al. Antibacterial activated carbon fiber derived from phenolic resin containing silver nitrate. Carbon, 1993,31(1):71~73

    7,Oya A, Wakahara T, Yohsida S, et al. Preparation of pitch-based antibacterial activated carbon fiber. Carbon, 1993,31(8):1243~1247

    8,朱征.具有灭菌功能活性碳纤维的研究.离子交换与吸附,1995,11(3):200~205

    9,Oya A, Banse T, Ohashi F, et al. An antimicrobial and antifungal agent derived from montmorillonite. Applied Clay Science, 1991,6:135~142
, 百拇医药
    10,Barton AJ, Sagersand RD, Pitt WG. Measurement of bacterial growth rates on polymers. J Biomed Mater Res, 1996,32(2):271~278

    11,Chu CC, Tsai WC, Yao JY, et al. Newly made antibacterial braided nylon sutures. J Biomed Mater Res, 1987,21:1281~1300

    12,Royle FH, Ratner Jr, BD, Horbett TM. Biomaterials: interfacial phenomena and applications, editored by Copper S L and Peppas N A, American chemical society, Washington DC, 1982,453~462
, 百拇医药
    13,贺福,马谦中.活性碳纤维工业的长足发展.新型碳材料,1994,9(1):11~17

    14,Raad I, Hachem R, Zermeno A, et al. In-vitro antimicrobial efficacy of silver iontophoretic cather. Biomaterials, 1996,17(11):1055~1059

    15,Aydin M, Gunay I, Pelit A, et al. Deposition profile of antibacterial anodic silver in root canal systems of teeth, J Biomed Mater Res, 1997,38(1):49~54, 百拇医药