阴离子聚合物修饰不锈钢表面抗菌性能研究

摘要

细菌生物膜广泛存在于含水和潮湿的各种表面，生物膜中细菌的代谢活动可导致动植物及人类疾病发生，严重威胁人类健康，腐蚀管道和金属表面，降低传热能力，造成能源浪费。不锈钢是人类目前应用最广的金属材料之一，由于不锈钢表面细菌生物膜的生长，带来了严重的危害，而且吸附的生物膜很难清除，因此，要解决生物膜污染的这个问题，要从减少细菌吸附着手。 Nafion性质稳定，能够耐受高温，而且是一种生物相容型材料，由于其结构中含有磺酸基，在溶液中解离后可使修饰的表面带负电荷，由于大部分细菌表面呈负电性，因此用Nafion修饰后的不锈钢表面与细菌表面由于静电排斥力的作用，抑制细菌在不锈钢表面的吸附。利用沾取法在不锈钢表面镀上一层Nafion膜，利用静态水接触角测量仪，粗糙度测量仪，白光干涉仪，3D激光扫描显微镜等分析手段进行表征，研究了Nafion修饰前后不锈钢表面性质的变化。实验结果表明:经Nafion修饰后的不锈钢表面粗糙度变化很小，修饰后的表面疏水性增强。分别以革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌为研究对象，考察了它们在修饰前后不锈钢表面的吸附状况，利用扫描电镜，显微镜，平板计数法等方法进行定性和定量分析。并研究了流体流速和Nafion修饰浓度对细菌生物膜形成的影响。实验结果表明:经过Nafion修饰的不锈钢片表面具有良好的抗菌效果，并且随着流速增大，剪切力增大，不锈钢表面上大肠杆菌的吸附减少。1％（wt）与1.5％(wt)Nafion修饰后的不锈钢抗菌性能较好。 对苯乙烯基磺酸钠分子结构中也带有磺酸基团，我们考察了对苯乙烯基磺酸钠溶液对大肠杆菌生长的毒害作用，发现对苯乙烯基磺酸钠溶液对大肠杆菌生长有抑制作用。同时以不锈钢为基底，利用Click反应，将对苯乙烯基磺酸钠接枝到不锈钢表面，利用衰减全反射-傅里叶红外(ATR-FTIR)、静态水接触角仪、3D激光扫描显微镜等分析手段对不锈钢表面进行表征，发现修饰后不锈钢表面疏水性减弱。研究了修饰前后不锈钢表面大肠杆菌生物膜形成状况，考察其对大肠杆菌吸附的影响。发现接枝后的不锈钢表面对大肠杆菌生物膜形成具有良好的抑制效果。同时，实验表明修饰后的不锈钢可以重复利用，且重复抵抗细菌生物膜的效果良好。 细菌生物膜的监测多采用离线监测，不能体现出真实的情况，影响了对细菌生物膜研究的进展。因此我们利用电化学仪器，在线记录了湖水中不锈钢表面随着细菌生物膜生长的电压变化，并且与DAPI荧光染色结果对比，发现电压随生物膜变化的趋势与DAPI染色结果一致，在此基础上初步建立了一种新型、简便的在线监测生物膜生长情况的方法。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 生物膜简介

1．1．1 细菌生物膜的定义及结构

1．1．2 生物膜的危害

1．1．3 细菌生物膜的形成过程及吸附理论

1．1．4 细菌生物膜形成影响因素

1．1．5 细菌生物膜形成过程模型

1．1．6 细菌生物膜检测方法

1．1．7 抗菌材料

1．1．8 抗菌不锈钢的研制情况

1．2 细菌

1．2．1 细菌细胞结构和分类

1．2．2 革兰氏染色的机制

1．2．3 细菌细胞结构与细菌吸附的关系

1．3 Nafion简介

1．4 巯基-烯点击化学反应

1．5 本课题研究工作

1．5．1 课题的研究背景和意义

1．5．2 主要研究内容

第二章 Nafion修饰不锈钢表面对大肠杆菌生物膜形成的影响

2．1 引言

2．2 材料与设备

2．2．1 菌株

2．2．2 主要试剂与材料

2．2．3 主要仪器与设备

2．2．4 培养基与溶液

2．3 实验步骤

2．3．1 大肠杆菌菌液制备

2．3．2 不同浓度Nafion的制备

2．3．3 不锈钢片的预处理

2．3．4 Nafion对大肠杆菌毒性的测试

2．3．5 不锈钢片接触角及粗糙度的测量

2．3．6 不锈钢片的修饰

2．3．7 生物膜的形成

2．4 细菌生物膜的鉴定

2．4．1 平板计数法

2．4．2 显微镜观察

2．4．3 白光干涉仪

2．4．4 SEM

2．5 实验结果

2．5．1 Nafion溶液对大肠杆菌的毒性

2．5．2 不锈钢表面修饰Nafion前后表面形态的变化

2．5．3 不锈钢表面Nafion修饰前后接触角测量

2．5．4 Nafion修饰前后不锈钢表面粗糙度测量

2．5．5 Nafion修饰不锈钢对大肠杆菌的抑制作用

2．5．6 不同浓度Nafion对大肠杆菌生物膜形成的影响

2．5．7 不同剪切力对不锈钢片生物膜形成的影响

2．5．8 1％Nafion修饰后不锈钢片表面抑菌能力重复使用效率

2．6 小结

第三章 Nafion修饰后不锈钢表面对枯草芽孢杆菌生物膜形成的影响

3．1 引言

3．2 材料与设备

3．2．1 菌株

3．2．2 主要试剂与材料

3．2．3 主要仪器与设备

3．2．4 培养基培养基与溶液

3．3 实验步骤与方法

3．3．1 枯草芽孢杆菌菌液制备

3．3．2 不同浓度Nafion的制备

3．3．3 Nafion对枯草芽孢杆菌毒性的测试

3．3．4 不锈钢片的预处理

3．3．5 不锈钢片接触角测量

3．3．6 不锈钢片的修饰

3．3．7 生物膜的形成

3．4 细菌生物膜的鉴定

3．4．1 显微镜观察

3．4．2 SEM

3．5 实验结果与讨论

3．5．1 Nafion溶液对枯草芽孢杆菌的毒性

3．5．2 不锈钢表面修饰前后接触角变化

3．5．3 修饰前后不锈钢表面粗糙度变化

3．5．4 Nafion修饰不锈钢对枯草芽孢杆菌的抑制作用

3．5．5 不同浓度Nafion修饰对枯草芽孢杆菌生物膜形成的影响

3．5．6 1％ Nafion修饰后不锈钢片表面重复使用抑菌效率

3．6 小结

第四章 对乙烯基苯磺酸钠修饰不锈钢表面的构建

4．1 引言

4．2 反应机理

4．3 实验材料和仪器

4．3．1 主要试剂与材料

4．3．2 主要仪器与设备

4．3．3 常用溶液

4．4 实验步骤

4．4．1 不锈钢预处理

4．4．2 不锈钢表面接入对乙烯基苯磺酸钠

4．5 材料的鉴定与性能表征方法

4．5．1 材料的鉴定

4．5．2 表面形貌表征

4．5．3 表面润湿性测试

4．6 结果与讨论

4．6．1 不锈钢修饰前后接触角变化

4．6．2 不锈钢表面微观形貌

4．6．3 材料的鉴定与分析

4．7 小结

第五章 对苯乙烯基磺酸钠修饰后不锈钢抗菌性能研究

5．1 引言

5．2 材料与设备

5．2．1 菌株

5．2．2 主要试剂与仪器设备

5．2．3 主要仪器与设备

5．2．4 培养基与溶液

5．3 实验方法

5．3．1 对乙烯基苯磺酸钠对大肠杆菌的毒性

5．3．2 平板计数法测试细菌生长情况

5．4 结果与分析

5．4．1 不同浓度对苯乙烯基磺酸钠对大肠杆菌生长的影响

5．4．2 对苯乙烯基磺酸钠修饰前后不锈钢表面大肠杆菌生长情况

5．4．2 修饰后不锈钢重复利用时的抗菌效果

5．4．3 样品碱洗后对大肠杆菌生物膜形成的影响

5．5 小结

第六章 在线监测不锈钢表面生物膜生长情况的新方法

6．1 引言

6．2 材料与设备

6．2．1 菌株

6．2．2 主要试剂与材料

6．2．3 主要仪器与设备

6．2．4 培养基与溶液

6．3 实验步骤

6．3．1 不锈钢片预处理

6．3．2 细菌生物膜形成过程不锈钢表面电压监测装置

6．3．3 细菌生物膜检测

6．4 实验结果

6．4．1 电化学监测湖水中不锈钢表面电压变化

6．4．2 湖水中细菌在不锈钢表面的生长情况

6．5 小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

博士期间发表的文章

致谢