一种仿生结构亲水抗菌载玻片及其制备方法

1.本发明属于抗菌材料技术领域，具体涉及一种仿生结构亲水抗菌载玻片及其制备方法。


背景技术：

2.长期以来，由细菌感染引起的传染疾病极大地危害到了人们的健康生活。随着时代的进步及科技快速发展，传染病相关的医学检测技术越来越成熟，检测技术包括有染色镜检、xpert mtb/rif、tb-dna pcr和t-spot.tb等。其中，最为常见的检测方式是染色镜检，这是一种通过将样本涂于载玻片上，紫外线杀菌，染色，最后镜检得出结果的检测方法。检测所用到的载玻片是一类超亲水性玻璃材质的载玻片，不具备杀菌性能、载液量低，在涂样和固样过程中，对检测人员有潜在的感染风险。因此，急需制备一种能兼具快速杀菌、耐染色检测的载玻片，以应对染色镜检过程中所面临的细菌感染的风险。
3.自然界中昆虫(如蝉翼，ivanova e p et al.,small,2012,8(16):2489-2494.)和植物(如荷叶jiang r.,et al.chemical engineering journal,2020,398:125609.)等体表具有优异的自清洁性，可以限制细菌对表面的污染。随着研究的进一步深入，科研工作者发现，此类表面的微纳米柱状结构可以有效杀菌。但目前构筑结构杀菌表面过程繁琐，杀菌效率不是很高效，影响了实际应用的发展。
4.以季铵盐为代表的有机类抗菌剂通过破坏细胞膜的蛋白质，引起代谢受阻，实现高效、快速杀菌。除了具有抗菌性能外，季铵盐还具备许多无机金属离子和有机小分子抗菌剂所不具有的独特优势：优异的化学稳定性、较弱的残留毒性和长效的抗菌性能，并且不易挥发，不会渗入人的皮肤等，因而受到大家广泛关注。但目前，采用季铵盐修饰的载玻片受季铵官能团数量的限制，杀菌效果很难达到99％以上。


技术实现要素：

5.本发明的目的就在于提供一种仿生结构、季铵盐协同抗菌机制的一种结构化仿生亲水抗菌医用载玻片，还提供一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，以解决载玻片能兼具快速杀菌、耐染色检测的问题。该载玻片制备成本低廉、制备方法简单、耐高温、亲水性良好，抗菌性能优异，水性样本在载玻片表面易于均匀铺展，降低抗酸染色检测过程感染风险，制备方法简便，具有普适性，可满足染色镜检的安全快速的检测。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种仿生结构亲水抗菌载玻片，是利用激光刻蚀在载玻片表面制备出大面积的仿生微纳凸起结构，通过等离子体或食人鱼溶液对表面进行预处理后由硅烷偶联剂和季铵盐的共聚物共价连接在载玻片表面制成。
8.上述仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括以下步骤：
[0009]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工；
[0010]ⅱ、载玻片预处理：准备载玻片，对载玻片进行表面预处理和功能化；
[0011]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将硅烷偶联剂的水溶液超声，然后将预处理的载玻片放入该溶液中反应，洗涤，干燥；所述硅烷偶联剂和水的混合溶液质量比为7.5wt％-15wt％，超声时间为30min，反应温度为60-100℃，反应时间为6-10h，n2干燥温度；
[0012]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅱ中固定有硅烷偶联剂的载玻片浸没入季铵盐和引发剂的水溶液中进行反应，洗涤，干燥，得到表面有季铵盐的仿生结构亲水抗菌载玻片。
[0013]
进一步地，步骤ⅰ中，激光能量强度选取范围为100-500w，扫描速度选取范围为150-500mm/s。
[0014]
进一步地，步骤ⅱ中，所述预处理方式为等离子体刻蚀，食人鱼溶液刻蚀中的一种，预处理的条件为食人鱼溶液(h2so4和h2o2体积比为3：2)刻蚀，处理时间为15min。
[0015]
进一步地，步骤ⅲ中，所述硅烷偶联剂类型为3-氨丙基三甲氧基硅烷，3-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，硅烷偶联剂和水的混合溶液质量比为7.5wt％-15wt％。
[0016]
进一步地，步骤ⅲ中，超声时间为30min，反应温度为60-100℃，反应时间为6-10h，干燥方式为n2干燥。
[0017]
进一步地，步骤ⅳ中，所述季铵盐类型为烯丙基三甲基氯化铵，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵中的一种或多种；引发剂类型为过硫酸钾，过硫酸铵中的一种或多种，所述季铵盐的含量为溶液质量的1.5wt％；所述引发剂的含量为溶液的0.05wt％。
[0018]
进一步地，步骤ⅳ中，体系反应温度在30-60℃，反应时间为1-2h。
[0019]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0020]
本发明利用激光刻蚀载玻片表面制备出大面积的微纳仿生结构，获得结构杀菌性能和增大样本容量；然后，利用将硅烷偶联剂固定在了表面上，利用化学反应接枝上季铵盐，赋予表面高效的杀菌性能和优异的稳定性；该发明将将结构杀菌和季铵盐杀菌方式有机结合，制备手段简便，具有普适性，可满足抗酸染色检测的安全快速的检测；具体有益效果如下：
[0021]
1、本发明提供的仿生结构亲水抗菌载玻片，原材料来源广泛，价格低廉，实用性强，适合大规模生产。
[0022]
2、本发明提供的仿生结构亲水抗菌载玻片，耐候性能和抗菌性能优异，稳定性好，使用寿命长，对革兰氏阴性菌、阳性菌和真菌都具有较好的杀菌效果。
[0023]
3、本发明提供的仿生结构亲水抗菌载玻片的方法，在水中进行反应，不需要用到有机试剂，绿色无污染。
[0024]
4、本发明制备的仿生结构亲水抗菌载玻片是通过共价键结合，结构稳定，不易被外界环境破坏，不影响显微观察。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0026]
图1为本发明实施例1未处理的载玻片(左图)和仿生结构亲水抗菌载玻片(右图)的接触角图；
[0027]
图2为本发明实施例1仿生结构亲水抗菌载玻片的抗酸染色处理后的光学图片(左图)和显微图片(右图)；
[0028]
图3为本发明实施例1对照组的活菌平板计数照片；
[0029]
图4为本发明实施例1仿生结构亲水抗菌载玻片的活菌平板计数照片。
具体实施方式
[0030]
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0032]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]
本发明仿生结构亲水抗菌载玻片，是利用激光刻蚀载玻片表面制备出大面积的仿生微纳凸起结构，通过等离子体或食人鱼溶液对表面进行预处理后由硅烷偶联剂和季铵盐的共聚物共价连接在载玻片表面制成。本发明仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括以下步骤：
[0034]ⅰ、用激光在载玻片表面刻蚀出仿生微纳结构：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工；
[0035]ⅱ、用食人鱼溶液或等离子体处理仿生结构载玻片，使其表面含有大量羟基：准备载玻片，对载玻片进行表面预处理和功能化；
[0036]ⅲ、在水溶液中，将硅烷偶联剂水解后，通过化学反应将硅烷偶联剂涂敷到仿生结构载玻片表面。具体为：将硅烷偶联剂的水溶液超声，然后将预处理的载玻片放入该溶液中反应，洗涤，干燥；
[0037]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅱ中固定有硅烷偶联剂的载玻片浸没入季铵盐和引发剂的水溶液中进行反应，洗涤，干燥，得到表面有季铵盐的仿生结构亲水抗菌载玻片。
[0038]
步骤ⅰ中，激光能量强度选取范围为100-500w，扫描速度选取范围为150-500mm/s。
[0039]
步骤ⅱ中，所述预处理方式为等离子体刻蚀，食人鱼溶液刻蚀中的一种，可以快速在在载玻片表面形成大量的羟基，为硅烷偶联剂共价连接到表面提供反应位点。预处理的条件为食人鱼溶液(h2so4和h2o2体积比为3：2)刻蚀，处理时间为15min。
[0040]
步骤ⅲ中，所述硅烷偶联剂类型为3-氨丙基三甲氧基硅烷，3-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，硅烷偶联剂和水的混合溶液质量比为7.5wt％-15wt％；超声时间为30min，反应温度为60-100℃，反应时间为6-10h，干燥方式为n2干燥。
[0041]
步骤ⅳ中，所述季铵盐类型为烯丙基三甲基氯化铵，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵中的一种或多种；引发剂类型为过硫酸钾，过硫酸铵中的一种或多种，所述季铵盐的含量为溶液质量的1.5wt％；所述引发剂的含量为溶液的
0.05wt％。体系反应温度在30-60℃，反应时间为1-2h。对仿生结构亲水抗菌载玻片的接触角、耐抗酸染色检测和抗菌性能进行测试，如下：
[0042]
使用接触角接触仪分别对空白玻片，仿生结构亲水抗菌载玻片玻片进行接触角测试，接触角测试在kruss型接触角测试仪上进行，测试水滴体积为3ul。
[0043]
将仿生结构亲水抗菌载玻片进行抗酸染色测试：将样本滴涂敷在仿生结构亲水抗菌载玻片表面，滴加石炭酸复红2-3滴，在火焰外焰加热固样1s，并重复两次后，用水冲洗。再用3％盐酸酒精脱色30秒～1分钟；用水冲洗。最后用碱性美兰溶液复染1分钟，水洗，用吸水纸吸干后用油镜观察。
[0044]
采用平板菌落计数法测试仿生结构亲水抗菌载玻片的抗菌性能。取稀释好的菌液10ul浓度为1
×
108cfu/ml的细菌悬浮液滴在仿生结构亲水抗菌载玻片表面，在37℃、相对湿度》90％的恒温培养箱中30min。然后，用无菌移液器枪头取10ml洗脱液反复吹打表面，将菌充分洗脱于洗脱液中。将洗脱液涂覆到营养琼脂板上，置于37℃摇床中培养24h，观察并记录菌落的情况。所述仿生结构亲水抗菌载玻片对革兰氏阳性金葡萄球菌(s.aureus)和革兰氏阴性大肠杆菌(e.coli)的抑菌率均在85％以上，其中最高抑菌率均在95％以上，表现出优异的抗菌效果。
[0045]
本发明制备仿生结构亲水抗菌载玻片的方法，在水相体系中进行，无需使用有机溶剂；本发明制备的结构化仿生亲水抗菌载玻片与有机涂层是通过共价键结合，不易被外界破坏；本发明制备的仿生结构亲水抗菌载玻片具有优异抗菌性能。
[0046]
实施例1
[0047]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0048]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激光能量强度为500w，扫描速度为500mm/s；
[0049]ⅱ、载玻片预处理：将h2so4和h2o2体积比为3：2的比例配置食人鱼溶液，将准备的仿生结构化载玻片放入食人鱼溶液中刻蚀15min，反应结束后用水洗涤三次，n2干燥，使载玻片表面羟基化；
[0050]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为7.5wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在60℃下反应6h，之后取出用水洗涤除去未反应的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0051]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有3-氨丙基三甲氧基硅烷的载玻片浸没入1.5wt％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液中，在30℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0052]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为46.7
°
，如图1(右图)所示，仿生结构亲水抗菌载玻片的抗酸染色后的没有明显变形和破损如图2所示，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为96.73％和98.73％，如图3和图4所示，表现出了亲水性、优异的抗酸染色稳定性和杀菌性能。
[0053]
实施例2
[0054]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0055]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激
光能量强度为300w，扫描速度为400mm/s；
[0056]ⅱ、载玻片预处理：将准备的载玻片放入食人鱼溶液中刻蚀15min，反应结束后用水洗涤三次，n2干燥，使载玻片表面羟基化；
[0057]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为12.5wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在80℃下反应8h，之后取出用水洗涤除去未反应的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0058]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有3-氨丙基三甲氧基硅烷的载玻片浸没入1.5wt％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液中，在50℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0059]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为50.1
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为98.02％和99.64％。
[0060]
实施例3
[0061]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0062]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激光能量强度为270w，扫描速度为500mm/s；
[0063]ⅱ、载玻片预处理：将准备的仿生结构化载玻片用等离子体刻蚀15min，使载玻片表面羟基化；
[0064]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为15wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在100℃下反应8h，之后取出用水洗涤除去未反应的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0065]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅱ中固定有3-氨丙基三甲氧基硅烷的载玻片浸没入1.5wt％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液中，在60℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0066]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为48.2
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为98.2％和98.92％。
[0067]
实施例4
[0068]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0069]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激光能量强度为350w，扫描速度为350mm/s；
[0070]ⅱ、载玻片预处理：将准备的仿生结构化载玻片用等离子体刻蚀15min，使载玻片表面羟基化；
[0071]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的3-氨丙基三乙氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为10wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在100℃下反应10h，之后取出用水洗涤除去未反应的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0072]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有3-氨丙基三乙氧基硅烷的载玻片浸没入浓度为1.5wt％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液中，在60℃下反应1h，之后用水洗涤后，采
用n2干燥。
[0073]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为49.3
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率为96.24％和97.71％。
[0074]
实施例5
[0075]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0076]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激光能量强度为150w，扫描速度为500mm/s；
[0077]ⅱ、载玻片预处理：将h2so4和h2o2体积比为3：2的比例配置食人鱼溶液，将准备的载玻片放入食人鱼溶液中刻蚀15min，反应结束后用水洗涤三次，n2干燥，使载玻片表面羟基化；
[0078]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的3-氨丙基三乙氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为15wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在100℃下反应8h，之后取出用水洗涤除去未反应的3-氨丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0079]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有3-氨丙基三乙氧基硅烷的载玻片浸没入浓度为1.5wt％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液中，在50℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0080]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为45.9
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为98.76％和99.03％。
[0081]
实施例6
[0082]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0083]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激光能量强度为150w，扫描速度为500mm/s；
[0084]ⅱ、载玻片预处理：将h2so4和h2o2体积比为3：2的比例配置食人鱼溶液，将准备的载玻片放入食人鱼溶液中刻蚀15min，反应结束后用水洗涤三次，n2干燥，使载玻片表面羟基化；
[0085]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为10wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在80℃下反应8h，之后取出用水洗涤除去未反应的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0086]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的载玻片浸没入浓度为1.5wt％的烯丙基三甲基氯化铵水溶液中，并加入0.05wt％的过硫酸钾，在50℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0087]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为52.1
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率为97.81％和98.49％。
[0088]
实施例7
[0089]
一种仿生结构亲水抗菌载玻片的制备方法，包括如下步骤：
[0090]ⅰ、载玻片表面微纳结构的制备：利用激光雕刻机对载玻片表面进行激光加工，激
光能量强度为150w，扫描速度为500mm/s；
[0091]ⅱ、载玻片预处理：将h2so4和h2o2体积比为3：2的比例配置食人鱼溶液，将准备的载玻片放入食人鱼溶液中刻蚀15min，反应结束后用水洗涤三次，n2干燥，使载玻片表面羟基化；
[0092]ⅲ、硅烷偶联剂的涂覆：将作为硅烷偶联剂的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入水中分散，使其浓度为12.5wt％的水溶液，然后将混合液放入超声波分散机中超声30min，紧接着将羟基化的载玻片放入该混合液中，在100℃下反应8h，之后取出用水洗涤除去未反应的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，并用n2吹干，得到涂覆有硅烷偶联剂的载玻片；
[0093]ⅳ、季铵化处理：将步骤ⅲ中固定有γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的载玻片浸没入浓度为1.5wt％的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液中，并加入0.05wt％的过硫酸铵，在50℃下反应1h，之后用水洗涤后，采用n2干燥。
[0094]
所制备的仿生结构亲水抗菌载玻片表面的接触角为67.5
°
，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率为96.93％和99.27％。
[0095]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。