CuNP/T-ZnO杂化结构的可控制备及其协同抗菌机理研究

Hybridization is an effective way to explore new features of nanomaterials and to reveal new mechanism of nanostructures. This project focuses on the controllable preparation and synergistic antimicrobial mechanism of copper nanoparticles/tetrapod zinc oxide whisker hybrid structure (CuNP/T-ZnO). Firstly, controllable adsorption of organic copper precursor on T-ZnO surface should be realized by modification of T-ZnO surface, and then, we will systematically study the mechanism and influencing factors of in situ decomposition of organic copper precursor on T-ZnO surface, explore the control of dispersibility and uniformity of CuNP deposited on the surface of T-ZnO, and establish the controlling methods for morphology, particle size, and hybrid mode of CuNP. Secondly, we will explain the formation mechanism and stability of CuNP/T-ZnO hybrid structure through systematical characterization of CuNP/T-ZnO hybrid structure. Thirdly, the influencing rules of diameter, deposition amount, dispersity and the hybrid forms of CuNP on T-ZnO surface on the antimicrobial activity of the hybrid material will be investigated based on experiment and simulation calculation.Combined with quantitatively analysis of the active species, as well as antimicrobial kinetics of each CuNP, T-ZnO and CuNP/T-ZnO, we will reveal the synergistic antimicrobial mechanism of CuNP/T-ZnO hybrid structure.

结构杂化是探索纳米材料新功能和揭示纳米结构新机理的有效途径。本项目围绕铜纳米粒子/四针状氧化锌晶须杂化结构（CuNP/T-ZnO）的可控制备及其协同抗菌机理开展研究。通过对T-ZnO进行表面修饰，实现有机铜前驱体在T-ZnO表面的可控吸附；系统研究有机铜前驱体在T-ZnO表面原位分解机理及其影响因素，探索在T-ZnO表面原位沉积CuNP的分散性和均匀性控制，建立CuNP形貌、粒径和杂化方式等调控方法。通过对CuNP/T-ZnO杂化结构进行系统的表征研究，阐释CuNP/T-ZnO杂化结构的形成机理与稳定性机制。通过实验与模拟计算相结合，研究沉积在T-ZnO表面的CuNP粒径、沉积量、分散性、杂化形式等对杂化材料抗菌活性的影响规律，结合分别针对CuNP、T-ZnO和CuNP/T-ZnO产生活性物种的定量检测和分析，以及抗菌动力学过程等研究，揭示CuNP/T-ZnO杂化结构的协同抗菌机理。

结构杂化是构建高性能纳米材料的有效手段之一，将两种具有不同抗菌机理的材料进行杂化有望带来协同抗菌效果，形成新型高活性抗菌材料。本项目采用有机前驱体分解法制备铜纳米粒子/四针状氧化锌晶须杂化结构（CuNP/T-ZnO），对CuNP/T-ZnO的可控制备及其协同抗菌机理开展了研究。通过有机前驱体形成过程中和分解过程的实验条件的优化实现了CuNP/T-ZnO的可控制备。通过对杂化结构的系统表征，阐明了CuNP/T-ZnO的杂化形式。通过对比研究CuNP、T-ZnO 和CuNP/T-ZnO的抗菌活性、抗菌动力学和产生活性物种情况，揭示了CuNP/T-ZnO 杂化结构的协同抗菌机理。. 研究发现前驱体形成过程中先引入铜离子再加入酒石酸根的方式是容易获得大的纳米颗粒负载量的关键因素。前驱体热分解过程的分解时间适当延长、分解温度适当降低有利于在T-ZnO表面获得粒径细小的纳米颗粒。结合反应机理，通过对反应条件的调控，本项目已实现颗粒分散均匀、粒径为15~50 nm的杂化材料的可控制备。. CuNP/T-ZnO杂化结构上铜纳米颗粒主要以部分球体的状态结合在T-ZnO基体上，铜纳米颗粒与T-ZnO基体之间有较大接触面，且两者之间有晶格匹配；部分Cu离子进入氧化锌晶格取代了锌离子；Cu元素和Zn元素的电子结合能在杂化后发生了变化，具有明显的电子杂化作用。. CuNP/T-ZnO杂化材料的抗菌活性与相似粒径纳米铜和单独T-ZnO的抗菌活性相比明显提高，显示出协同抗菌作用。杂化结构中纳米铜颗粒越细小其抗菌活性越高。结合CuNP/T-ZnO 杂化结构产生活性物种的情况揭示了其协同抗菌机理，其来源于杂化结构所产生的更大量的活性氧和溶出的更大量的铜离子的共同作用。. 本项目的研究为制备高活性抗菌材料以及通过杂化方法提高功能材料的性能提供了技术支撑和理论依据。通过项目资助，发表SCI论文7篇，申请发明专利3项（2项获授权），培养博士研究生1名、硕士研究生3名，参加国际会议4次，邀请国际著名学者开展学术交流3次。