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为探究聚合物基质对银纳米颗粒（AgNPs）合成的影响，研究人员制备不同杂化载体，发现其结构影响 AgNPs 形成，且复合物抗菌效果良好。
# 二氧化硅 / 聚丙烯酰胺杂化纳米载体的研究：银纳米颗粒的形成与抗菌特性
在现代科学的微观世界里，纳米材料的研究一直是备受瞩目的焦点。银纳米颗粒（AgNPs）因其具有抗菌、抗癌、催化等多种优异性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前在 AgNPs 的研究中，仍存在诸多待解之谜。比如，虽然通过原位还原法在聚合物溶液中制备 AgNPs 的方法已被广泛应用，但对于其实际的形成机制，尤其是金属纳米颗粒在各种聚合物基质中的成核、生长和结晶过程，以及聚合物基质的性质和结构在其中所起的作用，人们的了解还十分有限。此外，在生物医学领域，开发高效的银基抗菌药物用于治疗传染病是当前的重要研究方向，但如何更好地利用聚合物基质来稳定和功能化 AgNPs，使其在抗菌应用中发挥更大的作用，也是科研人员亟待攻克的难题。
为了深入探究这些问题，来自乌克兰科学院高分子化学研究所、生理学研究所、基辅塔拉斯?舍甫琴科国立大学等机构的研究人员展开了一项极具价值的研究。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为相关领域的发展提供了重要的理论依据和实践指导。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：一是通过自由基接枝聚合反应制备了具有不同接枝链数量和长度的二氧化硅 / 聚丙烯酰胺（SiO2?g-PAAm）杂化载体 Hyb1 和 Hyb2；二是运用电位滴定法、紫外 - 可见光谱（UV–Vis spectroscopy）、透射电子显微镜（TEM）和粘度测定法等手段，研究杂化载体的结构和试剂浓度对 AgNPs 形成过程的影响；三是利用平板扩散法和肉汤微量稀释法，研究 AgNPs 与杂化载体形成的纳米复合材料（AgNPs/Hyb）的抗菌性能。
研究结果
- 杂化载体的结构与性质：研究人员制备的 Hyb1 和 Hyb2 杂化载体具有明显不同的结构。Hyb1 粒子含有较多（72 条）相对较短的 PAAm 接枝链，这些接枝链与SiO2表面及彼此之间相互作用强烈，在溶液中形成了致密且薄的聚合物层；而 Hyb2 粒子仅包含 5 条非常长的 PAAm 接枝链，形成的聚合物层比 Hyb1 厚 2.6 倍，且更具渗透性。此外，在水溶液中，Hyb1 和 Hyb2 的小粒子由于 PAAm “冠” 之间的氢键相互作用而高度聚集。通过电位滴定法和粘度测定法等研究发现，Hyb1 中接枝链与无机 “核” 及彼此之间的相互作用更强，聚合物层结构更致密；Hyb2 中接枝链与 “核” 表面的相互作用较弱，聚合物层的渗透性更高12。
- AgNPs 的形成机制：在 AgNPs 的形成过程研究中，研究人员发现，在还原过程的第一阶段，Ag+离子与两种杂化基质都有很强的结合能力，结合程度接近 100%。通过 TEM 观察发现，与Ag+离子相互作用导致单个 Hyb 粒子压实，但并未引起粒子聚集体的明显破坏。动力学研究表明，AgNPs 在杂化溶液中的形成存在一个短的诱导期，对应初级小 AgNPs 的成核过程。AgNPs 的积累速率和产率与初始 Ag 盐（和还原剂）的浓度密切相关，当 Ag 盐浓度从0.91×10?2kg/m3增加到1.82×10?2kg/m3时，Hyb1 和 Hyb2 溶液中纳米颗粒的积累速率分别提高了 2.0 - 3.5 倍和 3.2 - 8.5 倍，产率分别增加了 3.5 - 7.5 倍和 6.9 - 15.2 倍。同时，在不同 Ag 盐浓度下，表面等离子体共振带（SPRB）的位置会发生相反的变化，这与纳米颗粒的尺寸变化有关，高浓度 Ag 盐下纳米颗粒尺寸减小是由于其有序化或结晶，低浓度下则是由于初级 AgNPs 的聚集导致尺寸增大34。
- 纳米复合材料的结构：通过 TEM 对不同 Ag 盐浓度下制备的 AgNPs/Hyb1 和 AgNPs/Hyb2 复合材料进行研究，发现最终的纳米复合材料中存在两种类型的 AgNPs，即内部 AgNPs 和外部 AgNPs。外部 AgNPs 的平均尺寸大于内部 AgNPs，且随着 Ag 盐（和还原剂）浓度的增加，两种 AgNPs 的平均尺寸都显著增大。杂化粒子中聚合物层的结构影响着两种还原过程的关系，Hyb1 粒子中较致密和薄的 PAAm “冠” 在低 Ag 盐浓度下，Ag+离子的结合和还原主要发生在聚合物层表面；而 Hyb2 粒子中较厚且更具渗透性的 PAAm “冠”，在低 Ag 盐浓度下更倾向于在聚合物层内部形成许多小的 AgNPs，且随着 Ag 盐浓度增加，即使基质不膨胀也能发生这种情况。此外，对干燥状态下的复合材料进行广角 X 射线散射（WAXS）分析表明，其结构包含 PAAm 的非晶区域和 AgNPs 的结晶区域，且两种纳米复合材料的非晶和结晶区域的晶格参数相近56。
- 抗菌性能：研究人员对 AgNPs/Hyb1 和 AgNPs/Hyb2 复合材料的抗菌性能进行了测试，以金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）等为测试菌株。实验结果表明，这两种复合材料都表现出较高的抗菌效率，最低抑菌浓度（MIC）值约为(1.25?2.5)×10?3kg/m3。虽然其抗菌活性略弱于强效抗生素环丙沙星（CF），但与常用的四环素（TC）和头孢曲松（CT）相当。同时发现，抗菌效率与复合材料中 AgNPs 的浓度密切相关，在(1.25?5.0)×10?3kg/m3范围内，随着CAgNPs的增加，抑菌圈显著增大。此外，研究还发现，不同细菌对 AgNPs/Hyb 复合材料的敏感性存在差异，革兰氏阳性的 S. aureus 和革兰氏阴性的 E. coli 对 AgNPs 的敏感性相似，而 P. aeruginosa 对其具有较高的抗性，这可能与其外膜通透性较低有关78。
研究结论与意义
这项研究成功制备并表征了含有不同数量和长度接枝 PAAm 链的二氧化硅 / 聚丙烯酰胺杂化载体 Hyb1 和 Hyb2，详细揭示了其与 AgNPs 形成纳米复合材料的形成机制、结构以及抗菌效果。研究结果表明，杂化载体的结构对 AgNPs 的形成过程有着显著影响，包括成核、生长和最终的尺寸分布等方面。同时，所制备的 AgNPs/Hyb 纳米复合材料展现出良好的抗菌性能，在生物医学领域具有潜在的应用价值，例如可用于开发新型抗菌材料、治疗传染病等。此外，研究还发现通过提高复合材料中银的负载量有望进一步提升其抗菌性能，为后续相关研究提供了重要的方向。
综上所述，该研究为深入理解聚合物基质在 AgNPs 合成中的作用提供了重要依据，也为纳米复合材料在抗菌领域的应用奠定了坚实的基础，推动了纳米技术在生命科学和健康医学领域的进一步发展。
