氧化石墨烯纳米材料和阳离子季铵化壳聚糖的复合纳米材料制造技术

本申请提供了由氧化石墨烯(GO)纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料，还提供了制备该复合纳米材料的方法，含有该复合纳米材料的抗微生物组合物，以及该抗微生物组合物用于抑制环境微生物生长的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉引用本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请61/791784的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入并通用于本申请。
本申请涉及氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合的复合纳米材料，及其制备方法。本申请还涉及含有该复合纳米材料的抗微生物组合物。
技术介绍
石墨烯一般是指六边形sp2键合的碳原子单层。石墨烯的独特物理，化学，电学和机械性质使其在大量领域中得到应用，例如透明导电膜，传感器，晶体管，太阳能电池，电容器，和材料加固。除了电子应用，石墨烯及其衍生物，例如氧化石墨烯(GO)已被考虑用于生物医学应用中，例如，纳米药物，光热疗法，药物递送和细菌抑制。然而，原始石墨烯和氧化石墨烯的抗微生物功效较差。即使将生物杀伤剂剂例如银纳米粒子掺入石墨烯/氧化石墨烯中，以经由释放银离子来提高石墨烯/氧化石墨烯的抗微生物效力，抗微生物试剂的持续释放有毒于哺乳动物细胞，且长远来看会造成环境危害。需要新的抗微生物剂种类，以应付多重抗药性超级细菌以及对要求消毒剂更安全更有效的监管压力。新一代抗微生物药物应具有高广谱抗微生物效力，良好的生物相容性和对病原微生物抗性的低敏感性。在现有抗微生物剂中，抗生素通常针对特定的生化途径，很容易引起细菌的耐药性。重金属如金则不能用于禁止外来有毒物质存在的应用。目前尚无报告具有较高抗微生物效力、低毒性、良好耐盐性，易回收性和可重用性的有效广谱抗微生物剂。对该抗微生物剂的需要存在于各种应用中，包括水处理，环境治疗和修复，食品加工，以及防腐处理。]鉴于上述情况，需要一种可用于生物医学应用的改进石墨烯基材料及其制备方法，以克服或至少减轻一种或多种上述问题。
技术实现思路
本申请的第一方面中，提供由氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料，其中所述阳离子季铵化壳聚糖可表示为式(I)其中，每个X独立选自–NH-C(O)-CH3,-N(R1)(R2)和-N+(R3)(R4)(R5)，其中至少一个X为-N+(R3)(R4)(R5)；R1,R2,R3,R4和R5独立选自H和C1-18烷基；以及k为3～3000之间的整数。本申请的第二方面中，提供用于制备氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料的方法，其中，所述阳离子季铵化壳聚糖可表示为式(I)：其中，每个X独立选自–NH-C(O)-CH3,-N(R1)(R2)和-N+(R3)(R4)(R5)，其中至少一个X为-N+(R3)(R4)(R5)；R1,R2,R3,R4和R5独立选自H和C1-18烷基；以及k为3～3000之间的整数；所述方法包括，在偶联剂的存在下，使用式(I)的阳离子季铵化壳聚糖与氧化石墨烯反应，以令所述阳离子季铵化壳聚糖与所述氧化石墨烯共价结合。本申请的第三方面中，提供含有根据第一方面所述的复合纳米材料或根据第二方面所述方法制备的复合纳米材料的抗微生物组合物。本申请的第四方面中，提供根据第三方面所述的抗微生物组合物用于抑制环境微生物生长的用途。附图说明参考以下详细描述，以及非限制性实施例和附图，能够更好地理解本专利技术。图1A展示了实施例中的阳离子季铵化壳聚糖(QC)：二甲基癸基铵壳聚糖(DMDC)化学结构。如图所示，R可以是–CH2(CH2)8CH3或–CH3，m:n:p比例可以是3:5:2。图1B展示了在1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的存在下，通过氨基偶联反应，合成氧化石墨烯-季铵化壳聚糖(GO-QC)纳米复合物的化学反应。如图所示，具有如图1A所示结构的QC在EDC和NHS的存在下与GO反应，形成Go-QC纳米复合物。图2A是原始玻璃片的照片。图2B是透明GO-QC(1:5)涂层玻璃片的照片。图2C是原始玻璃片的扫描电镜(SEM)图像。图中的比例尺长度为1μm。图2D是GO-OC涂层玻璃片的SEM图像。图中的比例尺长度为1μm。图2E中展示了大肠杆菌、金黄葡萄球菌和白色念珠菌与GO、GO-QC(10:1)、GO:QC(10:2.5)、GO:QC(10:5)andGO:QC(10:10)的Go和GO-QC涂层接触后的对数杀灭和杀灭百分比(％)的图表。图3是阳离子GO-QC纳米复合物破坏负电荷细菌包膜，使其死亡的示意图。图4是季铵化壳聚糖(二甲基癸基铵壳聚糖)的合成示意图。条件(I)：在NaBH4的存在下，室温下使用RCHO进行1.5小时N-烷基化反应。条件(II)50℃下使用NaOH,NaI和CH3I进行24小时的季铵化反应。图5是合成所得季铵化壳聚糖(二甲基癸基铵壳聚糖)的凝胶渗透色谱(GPC)图谱。Y轴：强度(mV)；X轴：洗脱时间(分钟)。图6A是GO和GO-QC(1:5)的场发射扫描电镜(FESEM)图像。图中的比例尺长度为1μm。图6B是GO和GO-QC(1:5)的带厚度测定的原子力显微镜(AFM)图像。图6C展示了GO,QC和GO-QC(1:5)的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图谱。图6D展示了(i)GO,(ii)GO-QC(1:5)和(iii)QC在氮气保护下以每分钟10℃的加热速度进行的热衷量分析(TGA)曲线。Y轴：重量损失(％)；X轴：温度(℃)图7A是GO的SEM图像。图中的比例尺长度为1μm。图7B是GO的粒径分布图。每种样品至少测量了100个纳米片来得到平均粒径和分布。Y轴：频率(％)；X轴：粒径(nm)。图7C是GO-QC(1:5)的SEM图像。图中的比例尺长度为1μm。图7D是GO-QC(1:5)的粒径分布图。每种样品至少测量了100个纳米片来得到平均粒径和分布。Y轴：频率(％)；X轴：粒径(nm)。图8A是与GO,QC和GO-QC系列(100μgml-1)以108CFUml-1培养1小时后，对大肠杆菌、金黄葡萄球菌和白色念珠菌的微生物杀灭率。Y轴：杀灭百分比；X轴：GO；GO-QC(1:1)；GO:QC(1:2.5)；GO:QC(1:5)；GO:QC(1:10)；和QC。图8B是GO；GO-QC(1:1)；GO:QC(1:2.5)；GO:QC(1:5)；GO:QC(1:10)；和QC对大肠杆菌、金黄葡萄球菌和白色念珠菌的最低杀菌浓度(MBC，单位：μgml-1)。插入图为GO-QC(1:5)；GO-QC(1:10)；和QC图表的放大视图。图8C是GO,QC和GO-QC(1:5)(100μgml-1)在NaCl中1小时的杀菌活性，以及GO,QC和GO-QC(本文档来自技高网...

【技术保护点】
由氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料，其中所述阳离子季铵化壳聚糖如式(I)所示：其中，每个X独立地选自–NH‑C(O)‑CH3,‑N(R1)(R2)和‑N+(R3)(R4)(R5)，其中至少一个X为‑N+(R3)(R4)(R5)；R1,R2,R3,R4和R5独立地选自H和C1‑18烷基；且k为3～3000之间的整数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.15 US 61/791,7841.由氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料，其中
所述阳离子季铵化壳聚糖如式(I)所示：
其中，
每个X独立地选自–NH-C(O)-CH3,-N(R1)(R2)和-N+(R3)(R4)(R5)，其中至少一个X为-N+(R3)(R4)(R5)；
R1,R2,R3,R4和R5独立地选自H和C1-18烷基；且
k为3～3000之间的整数。
2.根据权利要求1所述的复合纳米材料，其特征在于，所述R1和R2选自H和C1-18烷基，优
选为H；R3,R4和R5各自独立地为C1-10烷基。
3.根据权利要求2所述的复合纳米材料，其特征在于，所述R3和R4为甲基；R5为C1-10烷基，
优选为甲基，乙基，正丙基，正丁基，正戊基，正己基，正庚基，正辛基，正壬基或正癸基。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合纳米材料，其特征在于，X＝-N(R1)(R2)和
X＝-N+(R3)(R4)(R5)的单体与X＝–NH-C(O)-CH3的单体的比例范围为2:1～5:1，优选为
约4:1。
5.根据权利要求4所述的复合纳米材料，其特征在于，X＝-N(R1)(R2)的单体与X＝-N+(R3)(R4)(R5)的单体的比例范围为1:4～4:1，优选为约1:2～1:1。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的复合纳米材料，其特征在于，所述阳离子季铵化壳
聚糖包含如通式(II)所示的二甲基癸基铵壳聚糖，或基本由其组成：
其中，
R选自–CH2(CH2)8CH3和–CH3；且
m:n:p的比例为3:5:2。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的复合纳米材料，其特征在于，在所述复合纳米材料
中，所述氧化石墨烯与阳离子季铵化壳聚糖的比例范围为约1:2～约1:3。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的复合纳米材料，其特征在于，所述阳离子季铵化壳
聚糖通过酰胺键与所述氧化石墨烯共价结合。
9.由氧化石墨烯纳米材料与阳离子季铵化壳聚糖共价结合组成的复合纳米材料的制
备方法，其中，所述阳离子季铵化壳聚糖如式(I)所示：
其中，
每个X独立地选自–NH-C(O)-CH3,-N(R1)(R2)和-N+(R3)(R4)(R5)，其中至少一个X为-N+(R3)(R4)(R5)；
R1,R2,R3,R4和R5独立地选自H和C1-18烷基；且
k为3～3000之间的整数；
所述方法包括，在偶联剂的存在下，使式(I)所示的阳离子季铵化壳聚糖与氧化石墨烯
反应，以令所述阳离...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈美英，李鹏，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG