一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料及其应用，多孔材料，包括：多孔材料基底，以及于所述多孔材料基底上原位构筑的纳米结构阵列；其中，在所述纳米结构阵列的纳米结构表面设置表面修饰层，所述表面修饰层用于增加所述纳米结构对微生物的粘附力。所述多孔材料应用于消毒，包括：将具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料置于流动的流体中，使流体以过滤式的流态从纳米结构阵列的缝隙中穿梭流过，在穿梭流动的过程中，微生物与纳米结构接触，通过流体产生的流场力和纳米结构对微生物的粘附力对微生物产生撕扯而使微生物被物理破碎来实现消毒。物理破碎来实现消毒。物理破碎来实现消毒。

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料及其应用


[0001]本专利技术涉及微生物风险控制领域，具体涉及一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料及其在消毒方面的应用。

技术介绍

[0002]传统消毒技术(如氯、臭氧、紫外消毒及高温高压灭菌等)面临有毒有害副产物生成、能耗大及细菌复活等问题，为了控制环境风险、保证用水健康，亟待开发新型的安全高效的消毒技术。纳米材料的机械抑菌效应被认为是一种理想的控制微生物风险的方式。纳米结构与细菌接触过程中，可使细胞膜发生变形或者穿刺，直至细菌丧失完整细胞膜结构进而死亡。然而，细菌小尺度、高曲率的特性使得纳米材料施加的内向应力得以分散，细胞膜的流动性使细菌在轻微损伤的情况下能够实现自愈。因此，已报导的机械抑菌效应通常需要长达数小时的接触时间或者借助额外的表面能才能实现较为显著的抑菌效果。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，通过改变纳米结构与微生物的作用方式来达到对微生物的物理破碎，以解决现有的机械抑菌方式存在的抑菌效果不明显、接触时间较长等问题。
[0004]为达上述目的，本专利技术的一方面提出如下技术方案：
[0005]一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，包括：多孔材料基底，以及于所述多孔材料基底上原位构筑的纳米结构阵列；其中，在所述纳米结构阵列的纳米结构表面设置表面修饰层，所述表面修饰层用于增加所述纳米结构对微生物的粘附力。
[0006]进一步地，所述纳米结构呈细长状。
[0007]进一步地，所述纳米结构阵列为纳米尖锥阵列、纳米线阵列或纳米柱阵列。
[0008]进一步地，所述纳米结构的轴向高度为5～10μm，径向尺寸为100～200nm。
[0009]进一步地，所述表面修饰层为包覆在所述纳米结构表面，且不改变纳米结构形貌的一粘附层。
[0010]进一步地，所述粘附层的厚度为5
‑
15nm
[0011]进一步地，所述粘附层为碳膜、明胶或多聚赖氨酸。
[0012]本专利技术的另一方面提出一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料的应用，所述应用是将前述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料应用于对流体进行杀菌消毒；所述杀菌消毒是在所述纳米结构与流动流体接触过程中，通过流体产生的流场力和纳米结构对微生物的粘附力对微生物形成撕扯而使微生物被物理破碎来实现。
[0013]进一步地，将所述多孔材料置于流动的流体中，使流体以过滤式的流态从所述纳米结构阵列的缝隙中穿梭流过，在穿梭流动的过程中实现所述杀菌消毒。
[0014]本专利技术通过对纳米结构阵列进行表面修饰来达到对微生物比如细菌的短暂粘附，在粘附力作用于细菌的同时，通过流体流动产生的流场力对细菌的高曲率表面施加外向的
拉应力来达到对细菌的撕扯，使细菌细胞膜发生不可逆的物理破碎，进而达到消毒杀菌的效果。与传统的基于纳米材料的机械抑菌效应进行消毒的方式相比，本专利技术的这种利用具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料进行消毒杀菌的方式具有如下优势：
[0015]1)可在不外加化学试剂的情况下，仅借助温和的水力能实现对细菌的有效灭活，相比原始的纳米尖锥阵列刺破细胞壁的方式，灭活效率提升5log以上；2)接触时间短：本专利技术经过修饰的纳米结构阵列在数秒的接触时间内即可对细菌造成不可逆的物理损伤，进而导致细菌灭活，且后续无复活现象；3)本专利技术利用具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料的抑菌方法对细菌灭活具有广谱性，对水体中典型的革兰氏阴性菌及阳性菌均能实现有效灭活；4)本专利技术利用具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料的抑菌方法具有普适性，对于不同化学成分的纳米结构阵列，经表面修饰后，均能显著提升其抑菌效果。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例利用具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料进行杀菌消毒的原理示意图；
[0017]图2是经表面修饰的氢氧化铜纳米线阵列与原始氢氧化铜纳米线阵列对大肠埃希氏菌的灭活特性；
[0018]图3a
‑
3d是经过消毒处理后和未经处理的四种革兰氏阴性及阳性菌的储存曲线(圆形表示处理后，三角形表示处理前)；
[0019]图4是经过表面修饰处理的氧化锌纳米棒阵列和原始的氧化锌纳米棒对大肠埃希氏菌的灭活特性；
[0020]图5是经过表面修饰处理的钴锰纳米线阵列和原始的钴锰纳米线阵列对大肠埃希氏菌的灭活特性；
[0021]图6是经过表面修饰处理的钛酸盐纳米线阵列和原始的钛酸盐纳米线阵列对大肠埃希氏菌的灭活特性。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术作进一步说明。
[0023]本专利技术的具体实施方式提供一种利用具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料进行高效杀菌消毒的方法。所述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料包括多孔材料基底，以及于多孔材料基底上原位构筑的纳米结构阵列。其中，在所述纳米结构阵列的纳米结构表面设置表面修饰层，所述表面修饰层用于增加所述纳米结构对微生物(比如细菌)的粘附力。将所述具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料应用于消毒，其作用过程可参考图1，包括：将所述具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料置于流动的流体中，使流体以过滤式的流态从所述纳米结构阵列的缝隙中穿梭流过，在穿梭流动的过程中，纳米结构20与流动流体接触，通过流体产生的流场力(外向拉力)和纳米结构20对细菌10的粘附力对细菌产生撕扯而使细菌被物理破碎来实现实现杀菌消毒。
[0024]构成纳米结构阵列的纳米结构呈细长状，其轴向高度为5～10μm，径向尺寸为100～200nm。在一些实施例中，可在多孔材料基底上原位构筑出密集的纳米尖锥阵列，纳米线阵列或者纳米柱阵列。优选地，本专利技术实施例采用纳米尖锥阵列来进行杀菌消毒。在形成纳
米结构阵列之后，需对纳米结构进行表面修饰处理以加强纳米结构对细菌的粘附力，具体而言，可以在纳米结构的表面包覆一层粘附层，该粘附层的厚度为5
‑
15nm，因此该粘附层的包覆不改变纳米结构的形貌。所述粘附层可为一层碳膜，或者采用明胶、多聚赖氨酸等具有粘附力的材料来形成皆可。
[0025]在以多孔泡沫铜作为多孔材料基底的实施例中，采用化学氧化法在多孔泡沫铜表面原位生长出密集的氢氧化铜纳米线阵列。对氢氧化铜纳米线阵列进行表面修饰，具体地，在氢氧化铜纳米线表面包覆一层碳膜，以强化与细菌细胞膜的粘附力。使用时，将含有细菌的待处理水样垂直流过氢氧化铜纳米线阵列，控制细菌在纳米线阵列的水力停留时间。
[0026]另外，对于形成于多孔泡沫铜基底的氧化锌纳米棒阵列、形成于多孔泡沫镍基底的钴锰纳米线阵列和形成于多孔泡沫钛基底的钛酸盐纳米线阵列，或者其它采用任意多孔材料基底形成的任意化学组成的纳米尖锥阵列、纳米柱阵列或纳米线阵列等，均可通过表面修饰粘附层的方法实现高效消毒。
[0027]下面通过实施例和对比例来验证本专利技术的有效性。
[0028]实施例1<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，其特征在于，包括：多孔材料基底，以及于所述多孔材料基底上原位构筑的纳米结构阵列；其中，在所述纳米结构阵列的纳米结构表面设置表面修饰层，所述表面修饰层用于增加所述纳米结构对微生物的粘附力。2.如权利要求1所述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，其特征在于：所述纳米结构呈细长状。3.如权利要求1或2所述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，其特征在于：所述纳米结构阵列为纳米尖锥阵列、纳米线阵列或纳米柱阵列。4.如权利要求1或2所述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，其特征在于：所述纳米结构的轴向高度为5～10μm，径向尺寸为100～200nm。5.如权利要求1所述的具有表面修饰纳米结构阵列的多孔材料，其特征在于：所述表面修饰层为包覆在所述纳米结构表面，且不改变纳米结构形貌的一粘附层。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴乾元，彭露，朱浩杰，杨诚，胡洪营，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：