掺杂的金属氧化物纳米颗粒和其用途制造技术

公开了包含金属氧化物和包含在所述金属氧化物的晶格内的金属元素的离子的纳米颗粒复合材料。还公开了制备纳米颗粒复合材料本身和并入基底中或基底上的纳米颗粒复合材料的工艺。还公开了纳米颗粒复合材料以及并入纳米颗粒复合材料的基底的用途、特别是用于减少微生物的负载的形成或生物膜的形成的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】掺杂的金属氧化物纳米颗粒和其用途专利
和背景本专利技术在其某些实施方案中涉及材料科学并且更特别地，但不排他地，涉及掺杂的金属氧化物纳米颗粒、制备掺杂的金属氧化物纳米颗粒的工艺、包含掺杂的金属氧化物纳米颗粒的表面涂层和掺杂的金属氧化物纳米颗粒在例如减少或防止微生物的生长中的用途。尽管抗生素在控制或消除细菌感染中是成功的，但抗生素在人类医学中以及作为家禽和家畜生产中的饲料补充两者的广泛使用已经导致许多病原菌的药物抗性(McCormickJ.B.,CurrOpinMicrobiol1:125-129,1998)。抗性遗传决定因素的进化和传播、引起威胁生命的感染的多重耐药(MDR)细菌已经越来越多地出现(A.P.Magiorakos等人Clin.Microbiol.Infect.2012,18,268)，以及同样地，抗生素的效力在过去十年里大大减弱。此外，因为抗性在细菌中传播，所以存在抗生素治疗将变得越来越不太有效并且在某些情况下完全无效的很大关注。由抗生素抗性细菌引起的医院获得性(医院的)感染导致患者遭受痛苦和死亡并且由于延长的住院治疗期而对医疗系统施加大量负担。管理由医院感染引起的感染的经济影响是重大的，并且估计当前成本是每年大于40亿$[Harrison和Lederberg(编辑),Antimicrobialresistance:issuesandoptions.NationalAcademyPress,Washington,D.C.第1-7页,1998]。导致形成细菌细胞的群落(community)的至表面的细菌附着是许多不同设置中的主要问题。微生物的这种固着群落(还被称为生物膜)被附着至界面，或彼此附着，并且嵌入外聚合的基质(exopolymericmatrix)中。其显示改变的生长速率并且转录独立生存的微生物不转录的基因。生物膜生长模式的最具特征的表型是其对杀菌、抗菌治疗和免疫反应杀死的固有抗性。医疗植入物和留置装置(in-dwellingdevice)尤其易于细菌定殖和生物膜形成，并且在这样的情况下，由于常规抗生素治疗在装置有关的生物膜有机体下无效而需要移除感染的装置。已经估计，植入物有关的感染的数字仅在美国就接近1百万/年，并且其直接医疗成本每年超过30亿$(R.O.Darouiche,Preventinginfectioninsurgicalimplants,USSurgery,2007,40)。生物膜对杀死的固有抗性和其在植入物有关的感染中的普遍参与已经促进杀生物表面/杀生物涂层的领域中的研究。这样的抗生物膜涂层还可以用于各种工业应用，例如饮用水分布系统和食品包装。另一类难以根除的微生物包括真菌。抗真菌剂的数目是有限的并且大部分对于受影响的有机体是非特异性的并且对环境可能是有害的，引起对植物和动物的毒性。无机金属氧化物例如ZnO、MgO、和CuO越来越多地用于抗微生物应用中。相比于有机抗微生物剂，使用无机氧化物的关键优点是其稳定性、稳健性、和长的贮藏期。通常，纳米量级的金属氧化物并且特别是纳米量级的ZnO、MgO、和CuO的领域中的研究已经证明各种性质例如比如电磁性质、光学性质、和催化性质以及抗菌活性的清楚的尺寸依赖性(P.Madahi等人，Phys.Scr.2011,84；G.Applerot等人，Adv.Funct.Mater.2009,19,842；G.Applerot等人，Small2012,8,3326)。氧对于大多数活的生物体是必不可少的，但也是反应性氧物质(ROS)的前体，ROS可以损坏细胞组分，例如蛋白质、脂质和核酸。ROS包括含氧离子(例如，超氧化物；·O-2)、包含过氧化物的小分子(例如，过氧化氢；H2O2)、自由基(例如，氢氧基；·OH)和单重态氧(Droge等人，Physiol.Rev.2002,82:47-95；Lee等人，Aust.J.Chem.2011,64,604)。某些金属氧化物在与水相互作用期间产生已知杀死细菌的ROS(J.Sawai等人，J.Chem.Eng.Jpn.1996,29,627)。通过金属氧化物产生ROS取决于金属氧化物纳米颗粒的结构中的缺陷位点(defectsite)的存在。用于纳米材料在聚合物表面和玻璃表面上的制造和沉积的不同方法的快速发展显著地增进其在电子装置和生物技术中的应用。最近，报道了用于将纳米颗粒沉积在玻璃基底上的某些低温方法，例如，比如，旋涂纳米颗粒在改性的玻璃载片上的电极镀敷和旋涂纳米颗粒在改性的玻璃载片上的沉积(K.H.Lee等人，Langmuir,2007,23,1435)。声化学涉及超声辐照对化学系统的效应。超声辐照的化学效应由声空化(acousticcavitation)即气泡在液体介质中的形成、生长、和内爆发崩塌引起。气泡的压缩在空化期间比在热运输期间更迅速，这产生短寿命的、局部的热点气泡，该热点气泡达到高达5000K的温度、约1000个大气压的压力以及高于1x1010K/s的加热速率和冷却速率(A.Gedanken,Ultrason.Sonochem.,2004,11(2))。超声辐照已经被证明为用于合成纳米材料的有效技术(R.Gottesman等人，Langmuir2011,27(2),720)。此技术还使得能够通过改变前体在溶液中的浓度控制产品的粒度。超声辐照已经被证明为对于将纳米颗粒沉积在聚合基质上是有效的,因为高速度流体搅拌、冲击波和在接近固体基底的气泡的压缩期间产生的高能喷射流以非常高的速度(>100m/s)在固体基底处推进新形成的纳米颗粒，该非常高的速度已经被显示为足以使颗粒嵌入基底中(Y.Didenko和K.S.Suslick,Nature,2002,418,394)。利用声化学作为涂覆途径还使得能够在单一操作中使各种纳米材料的合成和其在各种基底上的沉积组合，而没有粘合剂的帮助。先前研究表明了声化学作为用于用ZnO纳米颗粒涂覆各种基底例如纸(K.Ghule等人，GreenChem.,2006,8,1034)、玻璃表面(G.Applerot等人，Appl.Surf.Sci.,2009,256S,S3)和织物(I.Perelshtein等人，ACSAppl.Mater.Interfaces,2009,1(2),361)的透视法的用途。具有公布号为2011/0097957的美国专利申请教导用于制备抗微生物织物的系统，该织物用金属氧化物纳米颗粒声化学地涂覆，从而形成金属氧化物的均匀沉积。PMadahi等人[Phys.Scr.2011,84]教导用Mg或Sb掺杂ZnO导致纳米尺寸的ZnO的抗菌活性仅略微增强。Prabhakaran等人[J.Cryst.Growth2003,250,77]教导Zn掺杂的CuO复合材料的合成并且通过化学物理性质例如其结晶结构和磁化强度作为温度的函数来表征该Zn掺杂的CuO复合材料。Huan-Ming等人[AngewandteChemieInternationalEdition2009,48,15,2727]教导用Mg掺杂的ZnO纳米颗粒的声化学合成。Mg掺杂的ZnO纳米颗粒处于胶状分散液时和处于固态时两者均呈现亮的、稳定的光致发光，并且通过声化学合成通过将M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物质组合物，其包含至少一种纳米颗粒复合材料，所述至少一种纳米颗粒复合材料包含金属氧化物和包含在所述金属氧化物的晶格中的金属元素的离子，其中所述金属氧化物选自由氧化铜和氧化镁组成的组，并且所述金属元素选自由锌、铜和镁组成的组，并且其中所述金属元素不同于所述金属氧化物中的所述金属。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.06 US 61/819,661;2013.06.12 US 61/833,9461.一种物质组合物，所述物质组合物包含至少一种纳米颗粒复合材料，所述至少一种纳米颗粒复合材料包含金属氧化物和包含在所述金属氧化物的晶格中的金属元素的离子，其中所述金属氧化物是氧化铜并且所述金属元素是锌，并且其中所述至少一种纳米颗粒复合材料中的所述金属氧化物和所述金属元素的所述离子的原子比在从10:1至4:1的范围中。2.如权利要求1所述的物质组合物，其中所述原子比是8:1。3.如权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物通过使第一金属前体和第二金属前体的混合物经历高强度超声辐照来制备，其中所述第一金属前体形成所述金属氧化物，并且所述第二金属前体包含所述金属元素。4.如权利要求2所述的物质组合物，所述物质组合物通过使第一金属前体和第二金属前体的混合物经历高强度超声辐照来制备，其中所述第一金属前体形成所述金属氧化物，并且所述第二金属前体包含所述金属元素。5.如权利要求1至4中任一项所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料。6.如权利要求1-4中任一项所述的物质组合物，其特征为在对应于所述金属元素的原始金属氧化物的位置处缺少峰的X射线粉末衍射。7.如权利要求5所述的物质组合物，其特征为在对应于所述金属元素的原始金属氧化物的位置处缺少峰的X射线粉末衍射。8.如权利要求5所述的物质组合物，其特征为在不同于所述金属氧化物的X射线粉末衍射中的对应的峰的位置和/或宽度的位置和/或宽度处呈现至少一个峰的X射线粉末衍射。9.如权利要求6所述的物质组合物，其特征为在不同于所述金属氧化物的X射线粉末衍射中的对应的峰的位置和/或宽度的位置和/或宽度处呈现至少一个峰的X射线粉末衍射。10.如权利要求7所述的物质组合物，其特征为在不同于所述金属氧化物的X射线粉末衍射中的对应的峰的位置和/或宽度的位置和/或宽度处呈现至少一个峰的X射线粉末衍射。11.如权利要求8至10中任一项所述的物质组合物，其中所述至少一个峰的所述位置与所述金属氧化物的所述X射线粉末衍射中的所述对应的峰的所述位置相差至少0.01°。12.如权利要求1-4和7-10中任一项所述的物质组合物，其特征为呈现不同于所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数的至少一个晶胞参数的晶格。13.如权利要求5所述的物质组合物，其特征为呈现不同于所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数的至少一个晶胞参数的晶格。14.如权利要求6所述的物质组合物，其特征为呈现不同于所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数的至少一个晶胞参数的晶格。15.如权利要求11所述的物质组合物，其特征为呈现不同于所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数的至少一个晶胞参数的晶格。16.如权利要求12所述的物质组合物，其中所述晶胞参数与所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数相差至少0.005。17.如权利要求13-15中任一项所述的物质组合物，其中所述晶胞参数与所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数相差至少0.005。18.如权利要求1-4、7-10和13-16中任一项所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。19.如权利要求5所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。20.如权利要求6所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。21.如权利要求11所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。22.如权利要求12所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。23.如权利要求17所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。24.如权利要求18所述的物质组合物，其中所述平均直径小于35nm。25.如权利要求19-23中任一项所述的物质组合物，其中所述平均直径小于35nm。26.一种物质组合物，包含至少一种纳米颗粒复合材料，所述至少一种纳米颗粒复合材料包含金属氧化物和包含在所述金属氧化物的晶格中的金属元素的离子，其中所述金属氧化物是氧化铜并且所述金属元素是锌，所述物质组合物的特征为以下中的至少一个：在对应于所述金属元素的原始金属氧化物的位置处缺少峰的X射线粉末衍射；在不同于所述金属氧化物的X射线粉末衍射中的对应的峰的位置和/或宽度的位置和/或宽度处呈现至少一个峰的X射线粉末衍射；以及呈现不同于所述金属氧化物的原始晶格的对应的晶胞参数的至少一个晶胞参数的晶格，其中所述至少一种纳米颗粒复合材料中的所述金属氧化物和所述金属元素的所述离子的原子比在从10:1至4:1的范围中。27.如权利要求26所述的物质组合物，其中所述至少一个峰的所述位置与所述金属氧化物的所述X射线粉末衍射中的所述对应的峰的所述位置相差至少0.01°。28.如权利要求27所述的物质组合物，其中所述晶胞参数与所述金属氧化物的所述原始晶格的对应的晶胞参数相差至少0.005。29.如权利要求26所述的物质组合物，其中所述原子比是8:1。30.如权利要求26-29中任一项所述的物质组合物，所述物质组合物通过使第一金属前体和第二金属前体的混合物经历高强度超声辐照来制备，其中所述第一金属前体形成所述金属氧化物，并且所述第二金属前体包含所述金属元素。31.如权利要求26-29中任一项所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合材料，其中所述纳米颗粒复合材料的平均直径小于300nm。32.如权利要求30所述的物质组合物，包含多种所述纳米颗粒复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿哈龙·戈丹肯，艾胡德·巴尼恩，伊拉娜·佩雷尔什坦，雷切尔·鲁巴特，阿娜特·利波夫斯基，伊亚尔·马尔卡，尼特赞·耶沙亚胡，尼娜·佩卡斯，雅科夫·夏洛姆，乔纳森·勒卢什，塔尔·帕特里克，迈克尔·埃塞德，利夫纳特·纳帕斯特克，
申请(专利权)人：巴伊兰大学，
类型：发明
国别省市：以色列;IL