用于杀死细胞的生物活性组合物的制作方法

1.本发明涉及用于杀死细胞的生物活性组合物，包括至少第一和第二半电池，所述半电池至少通过它们各自的表面彼此导电接触，从而在存在水和氧气的情况下产生短路元件。本发明还涉及该生物活性组合物的用途和制备该生物活性组合物的方法。


背景技术：

2.临床相关细菌对抗生素和消毒剂的耐药性增加，加上它们形成生物膜的能力，在医疗保健、工业和家庭中有效和持久的细菌控制方面造成了严重的问题。世界卫生组织(who)正在就严重的抗生素危机发出愈加紧急的警告。过去用抗生素很容易控制的细菌感染将不再可治疗。因此，正在寻找新的抗菌解决方案。同样的耐药性问题也存在于许多杀生物活性成分。然而，抗菌材料可以帮助防止微生物在表面的定植、生长和转移，从而为解决抗生素和杀菌剂问题做出重要贡献。
3.最古老的抗菌材料的示例是所谓的微动金属(例如银、铜、锌)，其通过释放金属离子起作用。然而，这些材料在各种环境介质中的抗菌作用通常受到例如含硫化合物的抑制作用的限制。
4.从wo 2008/046513 a2中已知一种含有银、钌和维生素的生物活性金属涂层，其用于水或水溶液的杀菌、消毒和去污。银与钌和维生素(例如抗坏血酸)的结合可以更快、更有效地杀死微生物。同时，这些具有生物活性的金属表面可防止微生物定殖以及有问题的生物分子(如dna、rna或蛋白质)的附着或稳定沉积。该涂层形成自清洁表面，当与水或水溶液接触时，该表面可以非常快速有效地建立无菌状态并保持较长时间。
5.对于由用维生素衍生物调节的金属银层和金属钌层组成的生物活性涂层，guridi等人(2015)假设该涂层的抗菌活性的机制如下：银/钌表面上的微原电池产生的电场作用于细菌细胞的带电膜。在该原电池的钌微正极处，催化辅助的氧化还原反应产生活性氧(ros)，例如过氧化氢等可扩散分子，能够杀死微生物并导致适当涂层在琼脂板上的网格周围形成抑制区。在原电池的银/氯化银微负极处，通过从微生物转移电子到半导体负极表面来氧化该微生物。
6.生物杀伤性有机金属化合物，例如吡啶硫酮锌(znpt)或吡啶硫酮铜(cupt)，被用于工业和医药(例如洗发水中的znpt)，三丁基锡(tbt)作为船用涂料的防污添加剂，顺铂(cis-diamminodichloroplatin)和三联吡啶钌(ru[bipy]
2
)，作为光敏剂来对抗癌症。由于它们有时具有很大的毒性，它们的使用受到高度管制，如三丁基锡在很大程度上被禁止。常见的三氯生也因涉嫌致癌而面临禁令。
[0007]
此外，金属氧化物结合紫外线照射并添加h2o2具有抗菌效果，并且被用于工业。这种方法的缺点是，为了有效，必须将电能用于紫外线灯，并且必须不断添加h2o2。此外，在不透明液体中紫外线照射会减少，这会导致该系统的抗菌失效。另一个缺点是应用领域实际上仅限于用于水消毒。紫外线灯的使用寿命也很有限，系统停机时间和有时昂贵的转换成本往往大大超过单纯灯的成本。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是为了避免上述现有技术中，特别是在使用紫外线灯中，的不足，并提供一种具有有效且持久抗菌效果的用于杀死细胞的生物活性组合物。
[0009]
根据本发明，第一半电池包含至少一种过渡金属元素的至少一种半导体化合物，其表现出多种氧化态(化合价)并允许通过催化活性中心改变其氧化态，从而在第一个半电池处还原氧并产生活性氧，第二半电池包括至少一种导电银半导体，其吸收由电池或有机材料发射的电子。因此，本发明有利地包括一种生物活性材料系统，该系统包括半导电且有催化活性的过渡金属化合物(原电池原件的半电池i)和半导电且难溶的银化合物(例如氧化银、氢氧化银、硫化银、卤化银化合物或其组合；原电池的半电池ii)，两者直接地彼此电性接触。根据本发明，选择的第一半电池的过渡金属元素表现出几种氧化态，从而允许通过催化活性中心(相对容易地)改变氧化态。因此，尤其合适的半电池是那些具有多个化合价并且可以较宽的电位范围内发生高度可逆的氧化还原反应的半电池。这种半电池对氧还原的高催化活性是由于其容易改变氧化态和易于交换氧，这优先发生在半导体表面的活性中心。在这个过程中，过渡金属元素仅改变其化合价，达到实际的氧化还原反应。因此，没有消耗或形成过渡金属化合物，仅改变了氧化态。过渡金属化合物与分子氧结合，使其被催化还原。因此，多化合价的存在是催化作用和氧化还原反应的先决条件。因而，不需要形成过渡金属化合物。特殊的金属氧化物或金属硫化物和难溶的银化合物在水中表现出催化性能、导电性和高稳定性。通过材料的适当组合，具有不同的电化学电位的两种材料相互电性接触，从而形成原电池。如果该电池被水相短路，则由于两种接触材料之间的较小距离(nm和/或μm范围)而产生高电场强度。这极大有助于消除细菌。氧化还原反应发生在微原电池原件的两个电极上，每个电极都会杀死微生物。在第一半电池(正极)处，分子氧被还原为氧自由基，然后对微生物产生毒性作用。在第二半电池(负极)处，电子从微生物转移到银半导体，从而通过氧化破坏它们。
[0010]
根据本发明的组合物，其抗菌活性不是基于释放的杀生物剂或金属离子而是基于催化辅助产生的氧自由基，优选基于氧化银/氧化钌和/或氯化银/氧化钌的惰性金属组合，即使在长期抗菌使用期间也不会改变其成分，并且与杀菌剂或微动金属不同，不需要调节杀菌剂或金属离子释放的储备或装置。
[0011]
例如，这两个半电池可以作为层系统涂在片材、线材、织物或微粒载体(“载体”)的表面，其中一种材料的涂层位于另一种材料上。在这种情况下，相应的上层可以以多孔的方式涂在或沉积在另一材料上，特别是以簇的形式，使得水溶液或水分可以进入两个半电池并且使原电池短路。然而，两种材料可以可选地或额外地作为颗粒混合在一起和/或涂在表面以使得它们电性接触。
[0012]
在本发明的特别有利的实施例中，假设第一半电池包含具有不同氧化态的过渡金属元素的阳离子。根据本发明所使用的第一半电池，能够将电子转移至氧(o2)，是与化学计量组成有偏差的半导体，其优选在其表面包含具有不同氧化态的阳离子。在本文中特别合适的半电池是过渡金属元素的氧化物、羟基水合物、氢氧化物、羟基氧化物和/或硫化物，它们可以以多种氧化态存在，可以在大电位范围内发生高度可逆的氧化还原反应，具有良好的导电性，并表现出良好的化学稳定性。例如，金属氧化物仅在化合价上发生变化，从而导致实际的氧化还原反应。因此，没有氧化物被消耗或形成，只有氧化态发生了变化。氧化物
与分子氧结合，使分子氧被催化还原。因此，多个化合价的存在是催化作用和氧化还原反应的先决条件。因而不必形成金属氧化物。
[0013]
因此，在本发明的一个特别有利的实施方案中，第一半电池的过渡金属化合物包含过渡金属的至少一种金属氧化物、金属水合物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物和/或至少一种金属硫化物。因此，本发明有利地包括生物活性材料系统，优选由半导体催化活性过渡金属氧化物或过渡金属硫化物(原电池的半电池i)和半导体难溶性银化合物(氧化银、氢氧化银、硫化银、银-卤素化合物或它们的组合；原电池的半电池ii)组成。
[0014]
第一半电池的半导体化合物的过渡金属元素优选为至少一种选自由以下组成的组的金属：钌、铱、钒、锰、镍、铁、钴、铈、钼和钨。在有利的方式中，氧化钒、氧化镍、氧化铁、氧化钴、氧化铈、氧化钼和氧化钨特别适合作为过渡金属元素化合物，它们由于其特性也被称为超级电容器(supercaps)。它们也是半导体。因此，在本发明的一个特别有利的实施方案中，第一半电池的过渡金属化合物包含以氧化态vi和iv之一或两者存在的钌。钌是一种贵金属，具有多种氧化态，并且由于其不同的化合价而能够形成例如不同的氧化钌。例如ru(viii)/ru(vi)、ru(vi)/ru(iv)、ru(iv)/ru(iii)和可能的ru(iii)/ru(ii)的表面氧化还原跃迁是造成混合的钌化合物的高催化活性及其良好的导电性的原因。钌化合物异常独特的催化和电催化性能取决于氧化态的变化。例如，在第一半电池中包含氧化钌(vi)的根据本发明的组合物中抗菌活性特别高。
[0015]
第二半电池的银半导体优选具有催化活性。例如，卤化银晶体中的间隙银离子与俘获的电子发生反应，并随着反应的进行形成银簇。电子被俘获的位置是卤化银晶体中的活性位点。卤化银充当催化剂并且不被消耗。如果通过电子俘获还原的银被负极再氧化，则会产生循环过程，但不会从卤化银晶体中释放出银离子。相反，所有银离子都保留结合在卤化银晶体中。
[0016]
在本发明的另一个有利的实施例中，选择的第二半电池的银半导体在水溶液中具有低溶解度并且针对水溶液中的成分化学稳定。例如，在很宽的ph范围内，在所有无机化合物中硫化银的金属离子的溶解度最低，因此这种半电池的抗菌活性不会受到银离子的释放影响。
[0017]
第二半电池的银半导体可有利地包含氧化银、氢氧化银、卤化银和/或硫化银中的至少一种。银半导体还可以包含例如银和相应的银化合物的组合(例如，在金属银的表面上具有银化合物如氧化银或氯化银)。
[0018]
在本发明的一个有利实施例中，硫化物阴离子被集成到卤化银的半导体晶格中(硫化物掺杂)。例如，由此可以在卤化银的半导体晶格中发生氧化还原过程，从而不需要释放银离子来接收电池释放的电子。根据本发明优选的硫化物半电池系统特别地是硫化银或氯化银/带有硫化镍和/或硫化钼的硫化银。
[0019]
上述根据本发明的生物活性组合物优选不含抗坏血酸。
[0020]
本发明还涉及根据上述本发明的生物活性组合物用于破坏/杀死微生物、病毒、孢子、成纤维细胞和/或癌细胞的用途。
[0021]
该目的还通过用于生产上述的根据本发明的生物活性组合物的方法来实现，其中将两个半电池施加到至少一种载体材料上和/或施加到彼此上，使得两个半电池至少各自的表面彼此导电接触。
[0022]
优选地，第一半电池以多孔(簇状)层的形式涂至第二半电池上，或者第二半电池以多孔(簇状)层的形式涂至第一半电池上。因此，两个半电池可以在导电接触下有利地作为层系统施加到例如片材、线材、织物或颗粒载体的表面。通过这种方式，上层可以多孔方式，特别是以簇的形式涂在或沉积在另一材料上，使得水溶液或环境水分可以进入两个半电池，从而使原电池短路。
[0023]
例如，第一半电池可以以2nm至500nm，优选地10至100nm的层厚度涂在第二半电池上。
[0024]
在本发明的一有利实施例中，相应的半电池通过电化学沉积、化学还原沉积、电泳涂敷、煅烧、pvd、cvd和/或溶胶-凝胶工艺相继或同时施加。
[0025]
在煅烧中，将含有所需过渡金属的热易分解化合物(通常是无水的)在例如醇类(例如乙醇或异丙醇)中充分混合，施加到要涂覆的表面上，然后在存在空气的条件下在高温下热分解(例如，200～500℃)。在此过程中，可以通过混合两种金属盐来调整两个半电池金属的任何所需成分以获得合适的氧化化合物。易分解的钌化合物包括，例如，rucl3(一般而言为卤化物)。
[0026]
在本发明的一特别有利的实施例中，第一半电池的施加包括至少一个具有强氧化作用的步骤。例如，可以分两步施加钌/氧化钌，在第一步中最初发生钌的再氧化，仅在第二步中完成将再氧化的钌还原成钌和ruo
x
。与通过强还原剂直接一步还原ru(ⅲ)离子不同，这种间接的两步过程取决于将ru(ⅲ)离子氧化为氧化钌(
ⅷ
)(ruo4)。ruo4是一种强氧化剂，可通过合适的还原剂转化为氧化钌(ⅳ)，从而在基材上覆盖一层氧化钌(ⅳ)。例如，如果钌的沉积包括具有强氧化作用的工艺步骤，则可以在钌的电化学和pvd沉积中形成氧化钌(ⅵ)。
[0027]
此外或可选地，两个半电池都可以以单个颗粒的形式施加到载体材料的表面上。这些可以是例如包含两种金属的双金属颗粒和/或各自仅包含两种金属中的一种的金属颗粒。后者可以按顺序施加到载体材料上，即首先是第一种金属的颗粒，然后是第二种金属的颗粒(或反之亦然)，或者同时施加导电接触的两种金属颗粒的混合物。颗粒可以以单层(并排排列)和/或至少部分地以多层(彼此叠加)的形式沉积在载体材料上。
[0028]
在本发明的一有利实施例中，进一步地，通过硫化处理将第二半电池转化为硫化银(ag2s)和/或通过对金属氧化物/氢氧化物或金属卤化物的硫化处理产生第一半电池的金属硫化物。
[0029]
在本发明的另一有利实施例中，银半导体通过在含卤化物的水溶液(例如氯化物溶液)中的反应转化为卤化银。
[0030]
在本发明的另一有利实施例中，在施加两个半电池之后，进行热后处理以调整特定的氧化态。沉积的氧化半电池涂层可以在合适的气体中进行热氧化或还原以设置特定的氧化态，其中基板材料是热稳定的。
[0031]
两个半电池可以被施加至例如金属、玻璃或塑料和/或载体颗粒(例如玻璃颗粒、银颗粒、塑料颗粒、纳米粘土颗粒、纤维素纤维、碳颗粒或沸石粉末)。通过这种方式，可以将单独的半电池颗粒混合在一起(例如，通过研钵)，使得它们彼此导电接触。例如，两个半电池可以作为微孔层系统或以颗粒形式施加到相应材料上，使得它们处于导电接触。
[0032]
在本发明的一特别有利实施例中，进一步地，将半电池颗粒整合或施加至吸水和
吸氧介质，例如溶剂-凝胶(例如硅氧烷)、乳膏、水凝胶、漆、油漆、石膏、塑料(例如聚酰胺)和纤维素。
[0033]
本发明中的“半电池”指原电池元件的一部分，其与至少另一个“半电池”形成原电池元件。在本文中，半电池包括至少部分位于电解质中的金属电极。
[0034]
本发明中的“原电池元件”指两种不同金属的组合，每个金属在共同电解质中形成电极(分别为负极或正极)。如果两个金属电极彼此直接接触或通过电子导体彼此导电连接，则具有较低氧化还原电势的较活泼金属(电子供体，负极)将电子提供给具有较高氧化还原电势的较惰性金属(电子受体，正极)，随后在电极处开始氧化还原过程。
[0035]
本发明中的“电解质”是指在电场的影响下通过离子的定向运动传导电流的物质(例如，水溶液中的离子)。
[0036]
本发明中的“金属”是指元素周期表中的化学元素(不为非金属的所有元素)的原子，其通过金属键形成金属晶格，从而形成，除其他特性外，具有高导电性和高导热性特征的宏观均质材料。术语“金属”还包括合金，其包含至少两种不同金属、金属化合物例如金属氧化物、金属水合物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、金属卤化物和金属硫化物，以及金属和相应金属化合物的组合。
[0037]
在本发明中，“颗粒”、“颗粒形”或“颗粒状”是指作为整体区别于其他颗粒及其周围环境的单个颗粒状体。在本文中，所有可能的颗粒形状和尺寸，无论其几何形状和质量，都包括在本发明的范围内。颗粒可以通过例如它们的形状、重量、体积和/或尺寸(例如，长度、直径、周长)来表征。
[0038]
在本发明中，“层”或“层叠”是指二维或三维结构，其具有水平延伸部分并且由至少两个表面限定，即层底部和层顶部。在本文中，层可包含至少部分地彼此接触的连续材料或物质和/或颗粒。在本发明中，层可以是均质的、异质的、连续的(即不间断的)、簇状的、纳米多孔的和/或微裂纹的。本发明中的“涂层”是指其(外或内)表面的至少一部分具有“层”(见上文)的材料、颗粒或其他物体。
[0039]
本发明的优选和示例性实施例
1.金属氧化物或金属硫化物半电池ⅰ2.许多亚族金属的氧化物在释放或还原氧气或氧化有机化合物方面显示出高电催化活性。金属氧化物是半导体，其中一些具有良好的导电性。氧化物的非化学计量组成对于氧还原是必不可少的。电催化性能和导电性取决于氧化态的变化和阳离子的迁移率，尤其是在表面附近。吸附在固体表面的活性氧是液/固相界面的重要中间体，对于某些金属氧化物尤其如此。它们使得这些金属氧化物表面具有抗菌性能。例如，高反应性超氧阴离子物质是通过催化过程形成的[anpo 1999,189]。例如，当分子氧与金属氧化物表面接触时，可以形成超氧阴离子自由基(o
2-)。静电对稳定表面正离子上的阴离子物质贡献了重要作用[pacchioni 1996]。超氧阴离子自由基不是在金属氧化物上形成的唯一中间体，还有h2o2和羟基自由基oh
*
[anpo 1999]。
3.能够将电子转移到氧气(o2)的氧化物在大多数情况下是偏离化学计量组成的半导体，并且在其金属氧化物表面具有不同氧化态的阳离子。对于根据本发明的生物活性金属氧化物-银半导体系统特别合适的金属氧化物是过渡金属氧化物，其可以多种氧化态存在，可以在宽电位范围内发生高度可逆的氧化还原反应，具有良好的导电性，并表现出良好
的化学稳定性(例如，氧化钌、氧化铱、氧化钒、氧化锰、氧化镍、氧化铁、氧化钴、氧化铈、氧化钼、氧化钨)。由于这些优异的性能，这些金属氧化物中的几种被用作所谓的超级电容器(supercaps)中的电极材料。这些金属氧化物对氧还原的高催化活性是由于其氧化态容易改变，例如优先在表面的活性中心发生的光氧交换。大多数技术上受到注意金属氧化物涂层，尤其是金属或半导体上的连贯氧化物涂层都是非晶态的，因为只有非晶态薄膜才能发展得足够厚。
4.过渡金属表面分子氧的还原与少许氧化物的还原在过渡金属氧化物表面发生的复杂氧化还原反应中起着重要作用。为了维持金属氧化物上可发生的氧化还原反应和氧还原为活性氧(ros)，金属氧化物必须催化支持氧还原，并且必须向下游提供电子。令人惊讶的是，这可以通过将合适的催化活性金属氧化物或金属硫化物电耦合到银半导体化合物来确保。电耦合产生原电池，电子例如通过微生物的氧化从银半导体电极传送到金属氧化物表面。
5.银半导体半电池ⅱ6.银/硫化银相界(ag2s)由电子传导的两相形成。只需将银在含硫化物的水溶液中进行浸渍处理，即可在银表面生成ag2s，浸渍过程中很容易发生深色着色。在较宽的ph范围内，硫化银在所有无机化合物中金属离子的溶解度最低，因此，例如微动力抗菌银技术中的银离子的传递对该半电池的抗菌活性没有影响。nis/ag2s相界处没有出现三元相，因此硫的化学势与ag2s处于平衡状态。导电接触的两种金属硫化物已被证明是一种非常有效的生物活性层系统。
[0007]
二硫化钼(mos2)是一种电子导体，其导电性和形成活性氧的催化活性在暴露于光下时增加。二硫化钼不溶于水和稀酸。与碱金属卤化物相比，agbr、agcl、agj等卤化银具有高共价键分数。这种基于银离子的高极化率的结构特性也是卤化银(agx)的低溶解度的原因(agcl》agbr》agj》ag2s)。卤化银可以被认为是具有独特能带结构的本征半导体。通常，agx的电导率在半导体的范围内。由于电子的迁移率更高，卤化银表现得类似n型半导体。卤化银(例如agbr、agcl、agj)被用于例如摄影中，也用于光解水。
[0008]
在卤化银晶体的实际结构中，由于禁带内的缺陷，即在价带和导带之间的高能区域中出现局部能级。根据能量位置，它们可以充当电子给体或受体陷阱。此外，实际的卤化银晶体还会出现翘曲、台阶、错位等结构紊乱。这些在卤化银晶体中活性位点的形成中起着重要作用[baetzold 2001]。卤化银晶体中的活性位点对于摄影和光解等过程至关重要。普遍认为间隙银离子与俘获电子反应形成银簇。电子被俘获在表面的极佳位点(活性位点)。间隙银离子迁移至被俘获的电子。进一步地，通过相同的反应形成一些更大的银簇。在溴化银(agbr与agcl非常相似)上可以发现，例如成像机制始于一个不稳定的银原子。在原子寿命期间，电子可以扩散到不稳定的原子并形成银阴离子，随后可以中和间隙银离子：
[0009]
ag-(agcl晶格内) ag

(agcl间隙)
→
ag2(0)(agcl晶格内)
[0010]
通过这种方式，银原子可以捕获电子并随后成为二聚体银[baetzold 2001]。电子被俘获的位置是卤化银晶体中的活性中心。卤化银充当催化剂并且不被消耗。如果通过电子俘获还原的银被负极再氧化，则会产生循环过程。在这个循环过程中，没有银离子从agcl晶体中释放出来。所有银离子都结合在卤化银晶体中。通过硫化处理可以在氯化银晶格中形成ag2s颗粒，它也可以作为agcl半导体中的电子陷阱，并且可以额外捕获负电荷。这个过
498))。
[0029]
左：氧化镍银/氯化银：非常低的抗菌活性[非常小的抑制区]；
[0030]
右：硫化镍-银/硫化银：惊人的强抗菌活性[大抑制区]。
[0031]
图9显示了将钌电极在1％硫化钾溶液中孵育30分钟后，银和钌在0.1m naclo4和0.01m nacl中短路时的电流-时间曲线。
[0032]
图10示出了两个培养板的一部分的照片图像，以展示粉末混合物的抗菌活性；a)在k2s中孵育后的银/钌；b)在k2s中孵育后的银/氧化钌；c)在k2s中孵育后的硫化银/钌；d)在k2s中孵育后的硫化银/氧化钌；r)参考样品；参考no.mb-003-2013。
[0033]
图11显示了ruox电极在1％ k2s中孵育后，ag/ruox电极组合形成的氯化银层还原的电流-电压曲线；电流-电压曲线与ag/ag

(0.1m),10mv/s；a)1小时后；b)2小时后；c)3小时后；d)4小时后。
[0034]
图12显示了使用两种钌/氧化钌//银/氯化银(ru/ruox//ag/agcl)粉末(ap 383和ap 823)的mrsa细菌的生长曲线，这些粉末通过不同的钌沉积方法针对不同的粉末量制备。
[0035]
图13显示了培养板的一部分的照片图像，比较了样品ru(p01)和ruox(p03)的抗菌活性。p01：pvd涂层pe膜(样品ru)和p03：pvd氧化涂层膜(样品ruox)；两者均采用2倍测定(lb琼脂，30℃下3天；大肠杆菌(dsm 498)悬浮培养；10exp8/ml使用200微升)。
[0036]
图14显示了电镀ru/ruox//ag/agcl粉末样品825和392以及聚乙烯薄膜上的ru/ruox//ag/agox的pvd涂层(样品ru和ruox)的xps表面分析(ru3d光谱)。
[0037]
图15显示了样品825、392、ru、ruox的o1s光谱。
[0038]
图16显示了ru/ruox//ag/agcl粉末(825，银颗粒基)在有(暴露)和没有(未暴露)可见光照射下的生长曲线。
具体实施方式
[0039]
对于电极的所有实验，选择纯银片或银涂层作为涂层基材，以排除由于外来金属造成的潜在干扰影响。
[0040]
实例1：银/氯化银上的多孔氧化钌层
[0041]
为了研究银/氯化银上的微孔氧化钌网络的抗菌活性，将水合氧化钌电化学沉积在银片上，并研究了样品的抗菌效率。所有沉积的氧化钌层都呈现深棕灰色。图1显示了10个循环后的氧化钌层。xps分析表明，在电化学或化学还原沉积的氧化钌层中，可检测到几乎所有氧化态下的钌。
[0042]
在银上沉积氧化钌层：将水合氧化钌(ruo
x-nh2o)沉积在一侧抛光的银片上(1.0cm x 2.5cm)。在每种情况下的涂层面积均为0.5cm x 1.0cm。氧化物层是通过银片在相对于nhe的0v至0.84v的电位范围内的电化学循环而沉积的。使用的电解质由在50℃下的0.005m rucl3、0.01m hcl和0.1m kcl组成。沉积进行10、25和50个循环。由于氧化钌层来自含氯化物的电解质，因此露出的银表面直接转化为氯化银。
[0043]
所有样品均观察到非常好的抗菌活性。涂层持续时间为10个循环时已形成了最大范围的抑制区(图2a(a))。将涂层时间延长至25个循环(图2a(b))或50个循环(图2a(c))不会进一步提高抗菌效率。尽管样品的背面被遮盖，但观察到与样品涂层侧相似的高抗菌活性，这可以通过形成的氧自由基和微电场来解释。
[0044]
令人惊讶的是，氧化钌与氯化银颗粒的混合物也获得了显着的抗菌效果。
[0045]
图2b示出了在研钵中与涂有氯化银的小的银颗粒混合的氧化钌粉末*，在琼脂上形成大的抑制区，因此显示出高抗菌活性(样品c)。氧化钌氢氧化物粉末**也是如此(图中未示出)。令人惊讶的是，与小的银颗粒混合的纯钌粉末没有抑制区，因此没有抗菌作用(样品b)。该实验证明了氧化钌的形成和半导体氯化银对抗菌表面的重要性。
[0046]
【(*)氧化钌的制备：
[0047]
ruthuna478溶液与氢氧化钾(10g/l)和过氧化氢(5％)混合。离心分离黑色沉淀物，用蒸馏水和乙醇洗涤数次，然后在70℃的烘箱中干燥。
[0048]
(**)氧化钌氢氧化物的制备：
[0049]
ruthuna478溶液与氢氧化钾(10g/l)以1:1的比例混合。1周后，离心分离棕色絮状沉淀物，用蒸馏水和乙醇洗涤数次，并在70℃的烘箱中干燥。】
[0050]
实例2：银/硫化银上的多孔氧化钌层
[0051]
在室温下将涂有多孔氧化钌网络的银电极浸入1％硫化钾溶液中5分钟，银电极上形成硫化银层。从氧化钌网络下露出的银片上形成深色硫化银层。采用30分钟的浸泡时间也产生了相同的结果，只是硫化银层的颜色更深。
[0052]
氧化钌-银/硫化银表面证明，在10个循环的电化学氧化钌沉积时间后，经过硫化物处理再次显着提高了样品的抗菌效率(图3)。与氧化钌/氯化银表面相比，其抑制区的直径大约增加一倍。由于硫化银的溶解度极低(溶解度积：8x 10exp-51(25℃))，可以排除银离子在微量动力学银系统中的影响。
[0053]
多孔氧化钌涂层也可以通过电解或化学还原的方式施加在颗粒载体，例如玻璃珠(d＝40μm)上。图4示出了具有氧化钌涂层的镀银玻璃珠的抗菌效果，在通过微孔氧化钌网络露出的镀银表面上形成了氯化银和硫化银。在这种情况下，亚硝酰硝酸钌作为不含氯化物和硫化物的钌电解液的基质。通过在氯化物溶液中进行后处理，在未被氧化钌覆盖的微孔沉积结构的区域中形成氯化银。在室温下用1％的硫化钾溶液进行后处理形成硫化银。如图4所示，大肠杆菌在氧化钌/氯化银变体(a-c)和氧化钌/硫化银变体(d-f)中均被杀死。在氯化物溶液中孵育后，氧化钌/氯化银珠始终表现出非常高的抗菌效率(图4a-c)。在硫化钾溶液中孵育后，可以看出氧化钌/硫化银体系的抗菌活性随着氧化钌沉积时间的增加而增加(图d
→
f)。
[0054]
还针对小鼠成纤维细胞测试了具有氧化钌/氯化银表面的玻璃珠。如图5所示，在荧光显微镜下呈现红色的被杀死的小鼠成纤维细胞表明，涂有该半导体系统的玻璃珠对贴壁小鼠成纤维细胞也具有很高的灭生物活性。
[0055]
实例3：银/氯化银或银/硫化银上的多孔氧化钒层
[0056]
在银/氯化银片上电化学沉积氧化钒。在1ma/cm2的电流密度下、nh
4v3o8-0.5h2o中在银片(1.0cm x 2.5cm)上进行阳极沉积。涂层面积为0.5cm x 1.0cm。沉积在50℃的0.15m的偏钒酸铵溶液中进行。沉积时间分别为1、10、30分钟和1小时。在银片上形成橙棕色沉淀。通过将样品在300℃下退火24小时，形成均匀的氧化钒层。然而，较厚的氧化钒层从银基板上脱落。这影响了用30分钟和60分钟的沉积时间制备的两个样品。尽管如此，还是测试了沉积持续时间为30分钟的样品的抗菌活性。沉积持续时间为1分钟时，已经可以获得非常高的抗菌效率(图6，样品b、d、f)。涂层侧用箭头标记。然而，沉积时间为10分钟时抗菌活性没有
进一步增加(图6，样品d)。图6中，样品f显示了样品在沉积30分钟后的抗菌活性，尽管大部分涂层已经脱落。然而，该样品的高抗菌效率未降低。因此，可以假设即使是银上非常薄的氧化钒层也会产生高抗菌活性。进一步地，将样品用1％的硫化钾溶液额外处理5分钟，以便在多孔氧化钒网络的空白空间中形成硫化银层。具有银/硫化银半电池的样品的抗菌效率如图6中的样品c、e、g所示。涂层侧用箭头标记。由于在涂有氧化钒的1分钟的样品上形成了硫化银层，因此在琼脂上看不到抑制区(图6，样品c)。沉积时间越长，氧化钒层越厚，显示出抗菌活性(图6，样品e、g)。尽管在较厚的钒氧化物层的情况下，部分氧化物层在30分钟后发生絮凝只剩下一层薄的钒氧化物层，其在所检测的钒氧化物-银/硫化银层中表现出的抑制区最大，因此用k2s处理后具有相对高的抗菌活性(图6，样品g)。该结果表明氧化层中不同氧化态的重要性。在钒氧化物层的阳极沉积中，在恒电流操作的情况下，电极电势随着该层的厚度的增加而变化，从而可以形成钒阳离子的不同氧化态，因此改善催化性能。
[0057]
多孔氧化钒的电沉积也成功地在银/氯化银涂覆的颗粒载体上进行。使用滚镀法用氧化钒电解镀银玻璃球。在340rpm的转速和70
°
的倾角下，用0.15m偏钒酸铵溶液在2.5v的电压下进行15分钟的氧化钒阳极沉积。涂层珠沉降后，倾析出电解质，用400ml蒸馏水洗涤涂层玻璃珠四次。然后将珠子在300℃的温度下退火24小时，在此期间形成氧化钒。获得了具有高抗菌活性的浅灰棕色的珠子。图7显示了制备的玻璃珠的抗菌效率。
[0058]
实例4：氧化镍或硫化镍-银/硫化银
[0059]
用氯化镍(浓nicl2*6h2o，24小时浸泡时间，rt)处理银片后，光学下观察不到银样品表面的变化。这意味着在所描述的沉积条件下，银表面仅沾染了非常薄的镍。因此，只能检测到非常低的样品抗菌活性，因为形成的氧化镍很少(图8，左)。通过沉积更厚的氧化镍层显着提高了抗菌活性。
[0060]
另一方面，引人注意且出乎意料的是对仅配置了镍核的层系统进行硫化处理的结果。用硫化钾处理后，在银表面沉积的镍核上形成硫化镍。在此过程中，即使在覆盖有氯化银的银表面未遮挡区域，k2s处理也会用难溶的硫化银代替氯化银。令人惊讶的是，硫化镍-银/硫化银层系统显示出非常高的抗菌效果(图8，右)。
[0061]
实例5：用硫化物离子对半元素进行后处理
[0062]
进一步研究了硫化物离子对钌电极的影响。因此，将抛光的钌电极在1％的硫化钾溶液中孵育30分钟。随后，将钌电极与银电极短路。使用的电解质是0.1m高氯酸钠和0.01m氯化钠。在含硫化物的溶液中孵育钌电极，使其电位强烈转移到负电位范围内，以至于电极上的过程发生逆转。因此，钌电极发生氧化，而银电极发生还原。两个电极处改变的电化学过程也会影响抗菌效率。
[0063]
预先在硫化钾溶液中孵育的银粉与钌粉的混合物显示出未减弱的抗菌活性(图10中的字母a)。相反，当在k2s处理后使用与未处理的银粉混合的氧化钌粉末进行k2s实验时，没有明显的抗菌效率(图10中的字母b)。因此，在硫化钾溶液中处理氧化钌完全抑制了样品混合物的抗菌活性。
[0064]
如果除了钌或氧化钌之外，使用的银粉也预先在硫化钾溶液中孵育，则会出现相同的情况。硫化银与k2s处理过的钌的相应混合物具有抗菌作用(图中字母c)，而另一方面，硫化银与k2s处理过的氧化钌的混合物没有抗菌性能。(图10中字母d)
[0065]
一方面，该结果证实硫化银的形成对样品混合物的抗菌性能没有不利影响。另一
方面，用钌和用氧化钌制备的样品之间存在差异。显然，氧化钌和硫化物离子反应形成一种稳定的化合物，当与银结合时不会释放抗菌物质。新形成的物质除了失去催化活性外，电位位置的变化或电导率的降低也可能在此处发挥作用。图9中的电流-时间曲线解释了经过硫化处理的钌粉样品的高抗菌活性没有减弱。钌电极在硫化钾溶液中孵化后，形成了一层薄的硫化钌覆盖层。与银接触会氧化溶解顶层，从而可以在电极表面再次形成氧化钌的催化活性层，最终逆转电化学过程。根据图9，电流在前四分钟内显着下降。即使在10分钟后，也没有恒定电流。然而此时，钌电极处仍在发生氧化。40分钟后，两个电极之间无法测量到电流。电极处的负极和正极过程相互抵消。然后电极的极性反转，银电极变为负极，而钌电极再次发生还原。因此，钌与硫化钾的反应不是不可逆的，在4小时的短路时间后，可以再次在银电极上测量到0.2μa的负极电流。
[0066]
从随后在银电极处的含氯化物电解质中形成氯化银，也可以观察到电极过程的逆转(图11)。在1小时(图11a)和2小时(图11b)的短路期后，在cv图中尚未检测到氯化银的形成。此时，在银电极处已经可以测量到非常小的负极电流。仅在3小时后可检测到氯化银还原的小电流波(图11c)。然而，4小时后，在cv图(图11d)中获得了明显的氯化银还原电流信号。
[0067]
实例6：在间接的两步化学还原沉积过程之后，通过钌/氧化钌沉积来惊人地提高抗微生物功效。
[0068]
可以使用不同的强还原剂(例如nabh4、n2h4)以直接、一步的方式化学还原沉积钌，例如在银表面上，可以相应地将钌/氧化钌施加到银表面上。然而，钌/钌氧化物也可以分两步法沉积，首先在第一步氧化钌，然后仅在第二步将氧化的钌还原成钌和氧化钌。在银颗粒上沉积钌/氧化钌的不同工艺路线按预计会有效果相当的抗微生物功效。然而，令人惊讶的是，与直接的一步法钌沉积工艺相比，发现通过两步法的银/氧化银//钌/氧化钌对金黄色葡萄球菌(mrsa)和铜绿假单胞菌的抗菌活性高出近一个数量级。与通过强还原剂一步直接还原的ru(iii)离子不同，间接两步过程依靠将ru(iii)离子氧化为氧化钌(viii)[chen 2011]。ruo4是一种强氧化剂，可通过合适的还原剂转化为氧化钌(iv)，从而在基材上覆盖一层氧化钌(iv)。ru(iii)离子氧化成ruo4是通过次氯酸钠进行的。为了使ruo4稳定，该过程在碱性介质中进行。通过亚硝酸钠还原为ruo2。
[0069]
半导体银/氧化银//钌/氧化钌粉末的制备，通过使用间接两步法在银颗粒上化学还原沉积ru/ruo
x
来沉积钌(ap383)：
[0070]
在2000ml的三颈烧瓶中将50g银粉(东洋化学工业(toyo chemical industrial)，sba10m27)用1000ml去离子水在超声浴中制成浆液。使用kpg搅拌器以300rpm进行额外的搅拌。2小时后，通过倾析将棕色悬浮液转移到另一个2000ml的三颈烧瓶中。在超声浴中用kpg搅拌器搅拌，加入10ml的ru(no)(no3)3溶液(10.83g/l)。然后将下列溶液的混合物加入悬浮液中：
[0071]
300ml naclo溶液(14％),
[0072]
100ml naoh溶液(10g/l),
[0073]
87.5ml nano2溶液(10g/l)。
[0074]
银粉立即变黑。然后将悬浮液在超声浴中搅拌1小时。涂层粉末沉降后，倾析出黄色上清液。粉末用去离子水吸收并过滤。用去离子水洗涤后，将粉末用乙醇吸收、过滤并在
60℃的干燥箱中干燥。
[0075]
抗菌效果
[0076]
令人惊讶的是，银/氧化银//钌/氧化钌粉末(氧化钌分别在一步和两步过程中化学还原沉积)在针对mrsa细菌(革兰氏阳性菌)的抗菌测试中显示出惊人的巨大差异。相比通过两步法沉积的银/氧化银//钌/氧化钌粉末(ap383)，使用强还原剂硼氢化钠(nabh4)直接将钌还原沉积在银颗粒上的银/氧化银//钌/氧化钌粉末(ap823)表现出近一个数量级的较低抗菌活性。图12显示了mrsa细菌的生长曲线，其中使用了两种不同粉末量的钌/氧化钌//银/氧化银粉末。从生长曲线的形状可以看出，两步法的银/氧化银//钌/氧化钌粉末(ap383)在粉末重量为2.5mg时显示完全杀死mrsa细菌，而一步法的银/氧化银//钌/氧化钌粉末(ap823)仅在粉末量为15mg时显示完全杀灭。因此，与1步法相比，发现2步法的钌沉积具有显着提高的抗菌效果，在整个的8小时实验期间完全杀菌仅需要2.5mg样品383粉末(与392相当的ru沉积方法)以及》10mg的样品823，即少约4-6倍。在对两种类型的粉末(ap823)和(ap383)对铜绿假单胞菌pa14(革兰氏阴性)的抗菌活性的研究中发现了相当大的抗菌活性差异(大约一个数量级)。
[0077]
第一半电池中含有氧化钌(vi)的样品的抗菌效果特别高(表1)。显然，当在钌沉积(392和ruox)中存在具有强氧化作用的工艺步骤时，可以在电化学和pvd的辽沉积过程中获得钌(vi)氧化物。xps表面分析表明抗菌效果与氧化钌的组成之间存在相关性，可能取决于一定的氧化钌(vi)/氧化钌(iv)的比值。在任何情况下，氧化钌(vi)的存在对于增强抗菌活性都是有益的，甚至是必需的。表1xps分析结果-制造工艺-抗微生物功效*)参考光谱：银(使用ag3d光谱校正高分辨率光谱的结合能。
[0078]
文献中的结合能(ev)：
·
ru(0):ru3d:280,2ev；j.f.moulder,w.f.stickle,p.e.sobol and k.d.bomben:handbook of x ray photoelectron spectroscopy:a reference of standard spectra foridentification and interpretation of xps data,j.chastain and j.r.c.king,editors,p.115,physical electronics eden prairie,minnesota(1995).
·
ruo2:ru3d:280,66ev；t.p.luxton,m.j.eick,k.g.schekel；journal of colloid andinterface science 359,(2011)30-39.
·
ruo3:ru3d:282，5ev；t.p.luxton,m.j.eick,k.g.schekel；journal of colloid andinterface science 359,(2011)30-39.ruo3:ru3d:282.4ev；r.h.j.lewerenz and s.stucki；j.electrochem.soc.130,no.4,1983,825-829.
[0079]
实例7：ru/ruox//ag/agcl或agox的半电池组合的差异
[0080]
除了在银上的湿化学两步法ru沉积外，还通过pvd涂层在pe箔上沉积钌和银，其优点是pvd样品上不存在氯化银，并且可以将检测到的任何差异更明确地归结于钌半电池。
[0081]
(a)pvd沉积：
·
(a)银上的钌溅射(样品名称“ru”)。
·
(b)银和钌的反应溅射(o2)(样品名称“ruox”)。
[0082]
(b)化学还原钌沉积：
·
(c)直接还原以在银上沉积钌(样品名称“825”)。
·
(d)通过上述两步法还原以在银上沉积钌(氧化 随后的还原，(样品名称“392”)。
[0083]
通过生长曲线和表面成分(xps分析)分析这4个样品。结果表明，在这两项研究中，在各自的组(a)或(b)内发现差异，也在组(a)和(b)之间发现差异，根据xps分析，抗菌效率的提高对应于表面成分的显著不同。
[0084]
图13显示了pvd涂层样品ru(p01)和ruox(p03)在琼脂测试中的抗菌效果比较。从抑制区的形成(双测定)可以看出，ruox样品(p03)对大肠杆菌的抗菌作用明显强于样品p01。
[0085]
图14显示了样品ru(a)、ruox(b)以及825(c)、392(d)的xps光谱。抗菌研究表明，如上所述，对ru/ruox//ag/agcl和agox半电池组合的化学还原沉积和pvd沉积分别存在显着差异。xps分析显示惊人的差异，对应于不同的抗微生物功效。从ru3d光谱(图14)中可以看出，在通过化学还原制备的样品组825(c)(曲线(1))、392(d)(曲线(2))以及通过pvd涂层的样品组ru(a)(曲线(3))、ruox(b)(曲线(4))的组内和组间存在以下显着差异：
·
在样品825(a)的曲线1中发现金属钌(be＝280.1ev)的窄信号。样品ru的光谱主要由金属钌组成(65％)，约24％属于ruo2。
moreno,m.,blasi,r.,broszat,m.,schmieder,w.,clauss-lendzian,e.,sakinc-gueler,t.,andrade,r.,alkorta,i.,meyer,c.,landau,u.,and grohmann,e.:materials science and engineering c50(2015)1-11.
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[chen 2011]:jing-yu chen,yu-chi hsieh,li-yeh wang and pu-wie wu:j.electrochem.soc.,158(8)d 463-d468(2011).