一种提高抗菌性的分层二维过渡金属碳化物或碳氮化物―二碳化三钛的制备方法

摘要

本发明公开了一种提高抗菌性的分层MXene‑Ti3C2的制备方法，包括如下步骤：(1)将Ti3AlC2‑MAX相陶瓷粉末和HF溶液混合，得到的混合液在油浴条件下搅拌反应，反应结束后得到中间溶液；(2)将中间溶液采用去离子水进行洗涤离心，直到上清液的pH＝5～6；继续用乙醇进行洗涤离心得到沉淀物，之后干燥处理，得到MXene‑Ti3C2粉末；(3)将步骤(2)中得到的MXene‑Ti3C2粉末与水合肼或异丙胺溶液充分混合搅拌，搅拌反应后得到中间溶液；(4)将步骤(3)中得到的中间溶液进行超声处理，超声处理结束之后的溶液用滤膜过滤，干燥后得到提高抗菌性的分层MXene‑Ti3C2。所述提高抗菌性的分层MXene‑Ti3C2的制备方法能够实现MXene‑Ti3C2的制备及分层，并且制得的分层MXene‑Ti3C2具有提高的抗菌性。

说明书

技术领域

本发明涉及MXene-Ti₃C₂的制备领域，具体涉及一种提高抗菌性的分层>3C₂的制备方法。

背景技术

随着纳米材料的迅速发展，越来越多的纳米材料被发现研究并被应用到各个领域中，在包括了医疗设备，水处理，食品包装和纺织工业等公共卫生领域的应用中，抗菌纳米材料得到了广泛的研究。在2004年石墨烯被成功合成后，由于其具有的良好的物理化学特性，因而在各个领域内都得到了长足的发展，且对于其的应用要求越来越高。已有的研究表明，石墨烯具有一定的抗菌性，因此掀起了对二维纳米抗菌材料的研究热潮。

MXene-Ti₃C₂作为一种新型的二维过渡金属碳化物，它和石墨烯具有类似的片层结构，具有良好的物理化学特性。更有研究表明，其抗菌能力高于石墨烯及石墨烯衍生物，在生物医学领域具有良好的应用前景。

它的制备和分层以及应用正在被广泛地研究，MXene-Ti₃C₂通常是用化学刻蚀方法从MAX相(Ti₃AlC₂)中把Al剥离出来从而获得，常用的刻蚀剂有HF、NH₄HF₂以及HCl和LiF的混合液。通过化学刻蚀的方法并不能够得到单一片层的MXene-Ti₃C₂，还需通过超声辅助分层的方式使之层层剥离。

目前，大多选用HF作为刻蚀剂，然后在磁力搅拌条件下发生反应。具有抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂制备方法主要是用已经制备获得的MXene-Ti₃C₂材料用水或二甲基亚砜(DMSO)分散后在氩气条件下进行超声处理。但用这两种方法制备的分层的MXene-Ti₃C₂分层效果不太理想，抗菌性也不高，限制了其作为抗菌材料的进一步发展。

公开号为CN107324335A的专利文献公开了一种利用超声辅助制备分层的MXene-Ti₃C₂的方法，包括如下步骤：1)将Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末和HF>3C₂。该方法能够同时实现MXene-Ti₃C₂的制备及分层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高抗菌性的分层一种提高抗菌性的分层二维过渡金属碳化物或碳氮化物―二碳化三钛(MXene-Ti₃C₂)的制备方法。所述提高抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂的制备方法能够实现MXene-Ti₃C₂的制备及分层，并且制得的分层MXene-Ti₃C₂提高了其抗菌性。

本发明提供的技术方案为：

一种提高抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末和HF溶液混合，得到的混合液在油浴条件下搅拌反应，反应结束后得到中间溶液；

(2)将中间溶液采用去离子水进行洗涤离心，直到上清液的pH＝5～6；继续用乙醇进行洗涤离心得到沉淀物，之后干燥处理，得到MXene-Ti₃C₂粉末；

(3)将步骤(2)中得到的MXene-Ti₃C₂粉末与水合肼或异丙胺的溶液充分混合搅拌，搅拌反应后得到中间溶液；

(4)将步骤(3)中得到的中间溶液进行超声处理，超声处理结束之后的溶液用滤膜过滤，干燥后得到提高抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂。

所述步骤(1)中HF溶液的质量浓度为40～49％。

HF溶液的质量浓度低于上述范围的下限会导致Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末不完全刻蚀，高于上限HF溶液浓度过高会导致反应过于剧烈。

所述步骤(1)中Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末与HF溶液的投料比为1g:>

Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末与HF溶液的投料比低于下限会导致反应不完全，高于上限HF过量则不经济。

所述步骤(1)中搅拌反应的温度为40～60℃，搅拌反应的时间为24～36h。

上述搅拌反应的温度和时间的范围保证了反应完全。

所述步骤(2)中洗涤离心的转速为2500～3500rpm。

洗涤离心的转速低于下限会导致沉淀不完全材料浪费，高于上限沉淀已完全，转速增加则无意义。

所述步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与水合肼的投料比为1g:80～120ml。

MXene-Ti₃C₂粉末与水合肼的投料比低于上述范围的下限会导致反应不完全，高于上限水合肼过量则不经济。

所述步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与异丙胺溶液的投料比为1g：>

MXene-Ti₃C₂粉末与异丙胺的投料比低于上述范围的下限会导致反应不完全，高于上限异丙胺过量则不经济。

所述的步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与水合肼混合，步骤(4)得到的分层MXene-Ti₃C₂的晶格常数为层间距为片层厚度为 21-27nm。

所述的步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与异丙胺混合，步骤(4)得到的分层MXene-Ti₃C₂的晶格常数为层间距为片层厚度为 10-17nm。

进一步的，所述的步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与水合肼混合，步骤(4)>3C₂的晶格常数为层间距为片层厚度为21.8-27.6nm。

进一步的，所述的步骤(3)中MXene-Ti₃C₂粉末与异丙胺混合，步骤(4)>3C₂的晶格常数为层间距为片层厚度为10.6-17nm。

所述步骤(3)中搅拌反应的温度为20～25℃，搅拌反应的时间为16～18h。

上述搅拌反应的温度和时间的范围保证了反应完全以及反应的安全性。

所述步骤(4)中超声处理的频率为40～50kHz，超声处理的功率为 80～100％。

超声处理的频率低于下限会导致分层不完全，高于上限会导致片层破碎。

上述超声处理的功率保证了分层完全。

进一步的，所述步骤(1)中HF溶液的质量浓度为49％、Ti₃AlC₂-MAX>3C₂粉末与水合肼或异丙胺溶液的投料比为1g:100ml，所述异丙胺溶液的体积浓度为25％、搅拌反应的温度为25℃；所述步骤(4)中超声处理的频率为45kHz。上述范围制备的分层MXene-Ti₃C₂具有更加合适的层间距、晶格常数和片层厚度、抗菌性能更好。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明利用水合肼或异丙胺插入到MXene-Ti₃C₂的层间，能够显著增大MXene-Ti₃C₂的层间距，后通过超声处理的方式使之层层剥离，分层效果好。

(2)本发明提供的分层MXene-Ti₃C₂为二维层状材料，提高抗菌性，其抗菌性强于传统二维纳米材料石墨烯，进一步拓宽了二维层状MXene-Ti₃C₂材料的应用领域。

附图说明

图1为实施例1-2和对比例1-2制备的分层MXene-Ti₃C₂与未分层MXene-Ti₃C₂的XRD；

图2为未分层MXene-Ti₃C₂的透射电镜图；

图3为实施例1制备的分层MXene-Ti₃C₂的透射电镜图；

图4为实施例2制备的分层MXene-Ti₃C₂的透射电镜图；

图5为实施例1-2和对比例1-2制备的分层MXene-Ti₃C₂与未分层>3C₂在不同时间下的细胞失活率；

图6为实施例1-2和对比例1-2制备的分层MXene-Ti₃C₂与未分层>3C₂在不同浓度下的细胞失活率；

图7为正常细菌细胞的荧光染色图；

图8为凋亡细菌细胞的荧光染色图；

图9为实施例1制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌细胞共同培养后的荧光染色图；

图10为实施例2制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌细胞共同培养后的荧光染色图；

图11为对比例1制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌细胞共同培养后的荧光染色图；

图12为对比例2制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌细胞共同培养后的荧光染色图。

具体实施方式

下面结合附图、实施例和对比例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

(1)5g Ti₃AlC₂-MAX相陶瓷粉末缓慢地加入到100mL质量浓度为49％的HF溶液中，得到中间溶液；

(2)将步骤(1)得到的中间溶液在磁力搅拌器中50℃的油浴条件下反应36h；

(3)反应结束后，把所得溶液均匀地分成6份倒入6个350mL的离心瓶中，加蒸馏水至2/3处，震荡摇匀后在3500rpm的转速下离心5min，取上清液测pH值后倒出上清液，并用去离子水清洗沉淀物，震荡摇匀后再用相同条件离心，重复6次；测得最后上清液的pH＝5.6，再用无水乙醇洗涤沉淀物，震荡后离心，保持相同的转速和离心时间重复两次；

(4)将得到的沉淀用无水乙醇完全分散悬浮后减压过滤，得到的粉末放入真空干燥箱内室温条件下干燥24小时，得到MXene-Ti₃C₂粉末；

(5)将1g步骤(4)中得到的MXene-Ti₃C₂粉末均匀分散于100ml水合肼(HMH)中，在磁力搅拌器中25℃下搅拌反应18h；

(6)反应结束后，将所得溶液在3500rpm的转速下离心15min后弃置上清液，用去离子水清洗沉淀物，震荡摇匀后再用相同条件离心，重复2次；

(7)将得到的沉淀物均匀分散于500ml去离子水中，在氩气条件下进行超声处理(功率为100％和频率为45k Hz)6h；

(8)将超声处理后的溶液均匀的倒入表面皿中，在真空干燥箱中室温条件下真空干燥24h，得到提高抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂材料。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的XRD谱图如图1所示，与未分层>3C₂的XRD谱图相比，经过水合肼的分层处理后，在XRD图中的低角度产生了明显的位移；制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示，与未分层MXene-Ti₃C₂的层间距及晶格常数相比，层间距以及晶格常数显著增大，表明分层处理进一步解开了未分层MXene-Ti₃C₂的层状结构，且具有相当高的效率。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的透射电镜图如图3所示，与图2中的未分层MXene-Ti₃C₂的透射电镜图相比，经过水合肼的分层处理之后，单层的或是少层的分层MXene-Ti₃C₂片状结构居多，在图中表现为半透明的片状物，通过颜色的深浅可以判断其厚度。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的抗菌性能如图5和图6所示，将分层的>3C₂均匀分散于去离子水中配置成2mg/ml的母液，将大肠杆菌暴露于不同浓度的分层MXene-Ti₃C₂中培养不同的时间。取培养后的菌液进行系列稀释平板记数，计算大肠杆菌细胞的失活率，结果如图5和图6所示，从图中可以看出，经过水合肼分层处理所得到的分层的MXene-Ti₃C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露>

制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，荧光染色图如图9所示，其中图7为正常细菌细胞的荧光染色图，图8为凋亡细菌细胞的荧光染色图。从图7-9中可以看出在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例远大于正常细菌细胞(箭头所指为正常细菌细胞)，说明经过水合肼分层处理后所得到的分层MXene-Ti₃C₂具有较强的杀菌效果。

实施例2

MXene-Ti₃C₂粉末制备方法与实施例1中相同。

(1)将1g>3C₂粉末均匀分散于100ml体积浓度为25％的异丙胺>

(2)反应结束后，将所得溶液在3500rpm的转速下离心15min后弃置上清液，用去离子水清洗沉淀物，震荡摇匀后再用相同条件离心，重复2次；

(3)将得到的沉淀物均匀分散于500ml去离子水中，在氩气条件下进行超声处理(功率为100％和频率为45k Hz)6h；

(4)将超声处理后的溶液均匀的倒入表面皿中，在真空干燥箱中室温条件下真空干燥24h，得到提高抗菌性的分层MXene-Ti₃C₂材料

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的XRD谱图如图1所示，与未分层>3C₂的XRD谱图相比，经过异丙胺的分层处理后，在XRD图中的低角度产生了明显的位移；制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示，与未分层MXene-Ti₃C₂的层间距及晶格常数相比，层间距以及晶格常数显著增大，表明分层处理进一步解开了未分层MXene-Ti₃C₂的层状结构，且具有相当高的效率。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的透射电镜图如图4所示，与图2中的未分层MXene-Ti₃C₂的透射电镜图相比，经过异丙胺的分层处理之后，单层的或是少层的分层MXene-Ti₃C₂片状结构居多，在图4中表现为半透明的片状物，通过颜色的深浅可以判断其厚度。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的抗菌性能如图5和图6所示，将分层的>3C₂均匀分散于去离子水中配置成2mg/ml的母液，将大肠杆菌暴露于不同浓度的分层MXene-Ti₃C₂中培养不同的时间。取培养后的菌液进行系列稀释平板记数，计算大肠杆菌细胞的失活率，结果如图5和图6所示，从图中可以看出，经过异丙胺分层处理所得到的分层的MXene-Ti₃C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露>

制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，荧光染色图如图10所示，其中图7为细菌细胞的荧光染色图，图8为正常细胞的荧光染色图。从图7-8和图10中可以看出在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例远大于正常细胞(箭头所指为正常细菌细胞)，说明经过异丙胺分层处理后所得到的分层MXene-Ti₃C₂具有较强的杀菌效果。

实施例3

如实施例1提供的分层MXene-Ti₃C₂，其不同在于，步骤(1)中加入80>3C₂粉末均匀分散于80ml水合肼中。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表2所示；分层的>3C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露3h之内失活率达到87％以上，在浓度为100ug/mL>3C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例较与实施例1相比略有减少。

实施例4

如实施例1提供的分层MXene-Ti₃C₂，其不同在于，步骤(1)中加入120>3C₂粉末均匀分散于120ml水合肼中。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示；分层的>3C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露3h之内失活率达到89％以上，在浓度为100ug/mL>3C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例较与实施例1相比略有减少。

实施例5

如实施例1提供的分层MXene-Ti₃C₂，其不同在于，所述步骤(1)中将 1g>3C₂粉末均匀分散于120ml体积浓度为15％的异丙胺(IPA)水溶液中。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示；分层的>3C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露3h之内失活率达到88％以上，在浓度为100ug/mL>3C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例较与实施例2相比略有减少。

实施例6

如实施例1提供的分层MXene-Ti₃C₂，其不同在于，所述步骤(1)中将 1g>3C₂粉末均匀分散于80ml体积浓度为25％的异丙胺(IPA)水溶液中。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示；分层的>3C₂的抗菌性显著高于未分层MXene-Ti₃C₂，并且呈现了时间和浓度的依赖性，细菌细胞在暴露3h之内失活率达到92％以上，在浓度为100ug/mL>3C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，在暴露3h后，凋亡细菌细胞所占比例较于实施例2相比略有减少。

对比例1

(1)将1g>3C₂粉末均匀分散于100ml去离子水中，在磁力搅拌器中25℃下搅拌18h；

(2)反应结束后，将所得溶液在3500rpm的转速下离心15min后弃置上清液，用去离子水清洗沉淀物，震荡摇匀后再用相同条件离心，重复2次；

(3)将得到的沉淀物均匀分散于500ml去离子水中，在氩气条件下进行超声处理(功率为100％和频率为45k Hz)6h；

(4)将超声处理后的溶液均匀的倒入表面皿中，在真空干燥箱中室温条件下真空干燥24h，得到的分层MXene-Ti₃C₂材料。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的XRD谱图如图1所示，与未分层>3C₂的XRD谱图相比，制备的分层MXene-Ti₃C₂材料没有产生明显位移；制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示，与未分层MXene-Ti₃C₂的层间距及晶格常数相比，仅仅只有轻微增加，表明超声作用起到一定的分层作用，但效率不高。

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的抗菌性能如图5和图6所示，将分层的>3C₂均匀分散于去离子水中配置成2mg/ml的母液，将大肠杆菌暴露于不同浓度的分层MXene-Ti₃C₂中培养不同的时间。取培养后的菌液进行系列稀释平板记数，计算大肠杆菌细胞的失活率，结果如图5和图6所示，所制备的分层MXene-Ti₃C₂材料具有一定的抗菌性，并且抗菌性呈现了时间和浓度依赖性，但抗菌性明显低于异丙胺或水合肼分层的分层MXene-Ti₃C₂材料，细胞在暴露5h后失活率才能达到90％，浓度达到200ug/mL时对细菌细胞的活性抑制仅为77％。

制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，荧光染色图如图10所示，其中图7为细菌细胞的荧光染色图，图8为凋亡细菌细胞的荧光染色图。从图7-8和图11中可以看出在暴露3h后，正常细菌细菌细胞所占比例远大于凋亡细菌细胞(箭头所指为正常细菌细胞)，说明经过水作为分层剂超声处理后所得到的分层MXene-Ti₃C₂仅具有较弱的杀菌效果。

对比例2

(1)将1g>3C₂粉末均匀分散于100ml二甲基亚砜(DMSO)中，在磁力搅拌器中25℃下搅拌18h；

(2)反应结束后，将所得溶液在3500rpm的转速下离心15min后弃置上清液，用去离子水清洗沉淀物，震荡摇匀后再用相同条件离心，重复2次；

(3)将得到的沉淀物均匀分散于500ml去离子水中，在氩气条件下进行超声处理(功率为100％和频率为45k Hz)6h；

(4)将超声处理后的溶液均匀的倒入表面皿中，在真空干燥箱中室温条件下真空干燥24h，得到分层MXene-Ti₃C₂材料

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的XRD谱图如图1所示，与未分层>3C₂的XRD谱图相比，制备的分层MXene-Ti₃C₂材料没有产生明显位移；制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的层间距及晶格常数如表1所示，与未分层MXene-Ti₃C₂的层间距及晶格常数相比，仅仅只有轻微增加，表明DMSO>

制备的分层MXene-Ti₃C₂材料的抗菌性能如图5和图6所示，将分层的>3C₂均匀分散于去离子水中配置成2mg/ml的母液，将大肠杆菌暴露于不同浓度的分层MXene-Ti₃C₂中培养不同的时间，取培养后的菌液进行系列稀释平板记数，计算大肠杆菌细胞的失活率，结果如图5和图6所示，所制备的分层MXene-Ti₃C₂材料具有一定的抗菌性，并且抗菌性呈现了时间和浓度依赖性，但抗菌性明显低于异丙胺或水合肼分层的分层MXene-Ti₃C₂材料，略高于水分层的分层MXene-Ti₃C₂材料，细胞在暴露5h后失活率才能达到90％，浓度达到200ug/mL时对细菌细胞的活性抑制仅为84％。

制备的分层MXene-Ti₃C₂与细菌共同培养3h后进行细菌细胞荧光染色，荧光染色图如图12所示，其中图7为细菌细胞的荧光染色图，图8为凋亡细菌细胞的荧光染色图。从图7-8和图12中可以看出在暴露3h后，正常细菌细菌细胞所占比例远大于凋亡细菌细胞(箭头所指为正常细菌细胞)，说明>3C₂仅具有较弱的杀菌效果。

对比例3

未分层的MXene-Ti₃C₂。

表1实施例1-6和对比例1-3制备的分层MXene-Ti₃C₂或未分层MXene-Ti₃C₂的晶格常数和层间距参数

本发明利用水合肼或异丙胺插入到MXene-Ti₃C₂的层间，能够显著增大>3C₂的层间距以及晶格常数、减少片层厚度，后通过超声处理的方式使之层层剥离，分层效果好；本发明提供的分层MXene-Ti₃C₂为二维层状材料，提高了其抗菌性，其抗菌性强于传统二维纳米材料石墨烯，进一步拓宽了二维层状MXene-Ti₃C₂材料的应用领域。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。