前言纳米复合材料是一种包含各种功能性纳米材料的新型材料，因其改善物理和化学性质的特点而受到科学界的广泛关注。
近来，人们对以纤维素为基础的复合支架，与其他成分混合制备的兴趣逐渐增长，特别是将金属纳米颗粒用于抗菌应用。
纤维素可以由细菌产生，这种类型的纤维素被称为细菌纤维素（BC）。BC天然存在于非常纯净的纳米级纤维中，使用前无需额外的纯化处理。由于BC具有高结晶性和刚度等特点，近来在工业应用中引起了广泛关注。
其中一种应用就是将BC与银纳米颗粒（AgNPs）结合使用。AgNPs因其局部表面等离激元共振（LSPR）等光学性质而备受关注。
我们将AgNPs与BC进行混合，通过一种绿色、经济实惠且简单的方法，将BC浸渍在含有AgNPs的水溶液中，从而形成了BC-AgNPs复合材料。
材料和方法1.银NPs的合成
为合成AgNPs，取5克干燥的Moringa oleifera Lam.叶片细切碎，并用100毫升蒸馏水提取，制备叶提取物溶液（MLE），用于将Ag离子（Ag）还原为Ag NPs（Ag+0）。
随后，取1.50毫升MLE与固定浓度的50毫升AgNO3，在60摄氏度的水浴中反应50分钟。在温度处理过程中，通过观察反应溶液的颜色变化来观察AgNPs的还原过程。
记录它们的紫外-可见光谱，以研究AgNPs的形成过程。反应完成后，通过离心法在10000转/分钟的速度下离心15分钟，收集胶体溶液，然后用蒸馏水洗涤两次以去除未反应的物质和杂质。
最后，收集的粉末进行干燥、表征和储存，以备进一步使用。
2.细菌纤维素生产
细菌纤维素由G. xylinus BKNC 19产生，培养在农业废弃物培养基中（83.24毫升/升香蕉提取物，5克/升酵母提取物，5克/升肽酶）。
使用高效液相色谱法（HPLC）分析香蕉提取物的糖含量。将培养基中的总糖含量调整为与标准培养基（Hestrin和Schramm培养基）中葡萄糖水平相匹配，并在30摄氏度下静态条件下培养7天。
培养后，BC菌膜在培养基表面形成，并被收集后用0.5N NaOH溶液煮沸10分钟，然后冲洗直至pH中性。将菌膜存放在蒸馏水中以备进一步使用。
3.表征
我们使用一种称为紫外-可见（UV-Vis）分光光度计的仪器，对合成的AgNPs的光吸收性质进行了研究。
并在波长范围从300到750纳米进行了测量，可以准确分辨出1纳米的差异。此外，通过透射电子显微镜（TEM），我们还观察和确定了这些纳米颗粒的形状、大小和结构。
为了了解其晶体性质，研究者们运用了TEM高分辨率模式下的选区电子衍射（SAED）技术。
另外，为了分析AgNPs、BC和BC-AgNPs复合材料的结构和结晶性，研究者们使用了X射线衍射（XRD）仪器，其中的X射线能量来自Cu（Kα）辐射源。XRD谱图在2θ角度范围内从10到80°进行记录，每次步长为0.2。
他们还使用一种名为Shimadzu FTIR光谱仪的设备，在衰减全反射模式下分析了MLE、AgNPs、BC和BC-AgNPs复合材料的傅里叶变换红外光谱（FTIR）谱图。
这种技术能够提供样品中有机功能性团的信息。他们在波数范围为4000到500 cm^-1之间进行了测量，并以4 cm^-1的分辨率记录数据。
4.BC-AgNP纳米复合材料的抗菌性能
为了研究BC-AgNPs纳米复合材料的抗菌能力，我们选择了两种不同的致病微生物进行测试。这两种模型细菌分别是引起感染的革兰氏阴性菌E. coli和S. aureus。
测试使用了一种称为圆盘扩散实验的方法，在含有营养琼脂（NA）的琼脂平板上进行。首先，新鲜的细菌培养物被传到NA平板上，并轻轻地均匀涂抹在表面上。
然后，从BC-AgNPs纳米复合材料中切割出样品纤维，并在紫外辐射下进行2小时的灭菌处理。这些处理过的圆盘被放置在细菌散播的NA平板表面上。
为了让BC-AgNPs纳米复合材料更好地扩散到细菌细胞表面，NA平板被孵育在37°C的恒温条件下。
在孵育了18小时后，观察到圆盘周围的抑菌区域，并用游标卡尺测量它们的宽度。通过这种方法，我们能够评估BC-AgNPs纳米复合材料，对这两种致病微生物的抑制效果。
结果和讨论1.AgNPs的合成和性质
在与AgNO3反应后，MLE呈现出黄棕色，这被视为AgNPs形成的初步迹象（。UV-Visible光谱进一步确认了胶体AgNPs的形成，如下图所示。
在约440nm处观察到吸收峰，表明AgNPs中导电电子的集体振荡，即所谓的LSPR。下图中的TEM图像显示，合成的AgNPs几乎是球形的，与UV-Visible光谱数据一致。粒径分布直方图（图d）显示AgNPs的直径在5到35纳米范围内。
SAED图案中的明亮圆形斑点（图c）表明形成的AgNPs具有晶体结构。使用FTIR研究了MLE中存在的植物化学成分及其在合成和稳定AgNPs过程中的作用。
MLE的FTIR谱显示出各种振动带，包括强度为3328 cm−1的羟基（–OH）基团的伸缩振动。
2883 cm−1和2974 cm−1处的带子与脂肪族C–H伸缩振动相关，而1656 cm−1和1452 cm−1处的带子对应于羧基的不对称和对称伸缩振动。
其他带子在1379 cm−1处（CH3的对称弯曲）、1326 cm−1处（C–H弯曲）、1274 cm−1处（–SO3的伸缩振动）和1045 cm−1处（来自醇、羧酸、酯、醚以及胺的C-O伸缩振动）。
与AgNO3反应后，MLE的FTIR谱中的特征峰移动、消失或保持不变。3328 cm−1到3318 cm−1和1656 cm−1到1636 cm−1的峰值移动，以及与AgNO3反应后2883 cm−1和2974 cm−1处的峰值消失，表明槐树叶的生物分子可能对AgNPs的还原和稳定负责。
XRD分析合成的AgNPs显示出四个特征衍射峰，在2θ值分别为38.2°、44.5°、64.6°和77.7°处，对应于Ag的面心立方结构的（111）、（200）、（220）和（311）晶面。
在2θ=27.9°、32.4°、46.4°和55.5°处观察到的附加峰归因于槐树叶中存在的有机基团，这些基团在还原Ag离子和形成AgNPs的过程中起作用。
为了建立数据库，将获得的AgNPs的合成和性质与使用其他天然产物提取物合成的AgNPs进行了比较，如下表所示。
2.BC的生产和属性
下图显示了由G. xylinus BKNC 19利用农业废弃物，即香蕉汁，并加入氮源作为培养基所产生的BC。在经过NaOH处理前和处理后，BC凝胶的颜色分别为黄色和白色（见下图a和b）。
BC的黄色可能是由于培养基的颜色。所有BC样品的菌膜经过NaOH处理以去除G. xylinus和相关生物质，从而得到纯化的白色菌膜（见图b）。
下图显示了使用FE-SEM在放大倍数为×10k（图a）、×30k（图b）和×50k（图c和d）的条件下，分析的冷冻干燥BC样品的表面形态。FE-SEM图像显示，丝带状微纤维的三维网络形成了高度纤维状的结构。
大多数微纤维宽度约为40-70纳米，并交织在纳米尺寸的结构中。由于其末端在低放大倍率（×10k）下不可见，因此无法确定微纤维的长度。XRD谱图显示了从2θ=10∘到80∘的冷冻干燥BC的衍射峰。
已报道BC的（11¯0）、（110）和（200）晶面，在本文中在2θ=14.86∘、17.70∘和23.63∘处可以观察到。这些衍射峰是纤维素的特征。
此外，从图a中可以清楚地看出，BC不是完全结晶的材料，其BC膜的衍射图样显示出宽峰。
冷冻干燥BC的FTIR谱显示了BC的特征峰，例如强度为3345厘米−1的强带（O-H键的伸缩振动）、1428厘米−1和不对称角变形的C-H键）、1135厘米−1（对称角变形的C-H键）、1161厘米−1（C-O-C缔合键的不对称伸缩振动）、1056厘米−1和1109厘米−1（次要和主要醇中C-OH和C-C-OH键的伸缩振动）以及897厘米−1对应于C-H键的角变形。
3.抗菌活性评估
我们使用圆盘扩散方法评估了BC-AgNP纳米复合材料的抗菌活性，并测试了革兰氏阴性菌E. coli和革兰氏阳性菌S. aureus作为测试对象。
实验结果显示，BC-AgNP纳米复合材料呈现出明显的抑菌区域，表明其抗菌性能良好。对S. aureus和E. coli的最大抑菌区域分别为9.50 ± 0.50和13.17 ± 0.58毫米。
这一结果通过图9中S1样品的照片清晰可见，BC-AgNP纳米复合材料对E. coli和S. aureus细菌显示出显著的抑菌效果。
抑制E. coli的效果比抑制S. aureus的效果更为明显。这可能是由于两种细菌的特性不同，包括细菌细胞壁和膜结构的厚度和成分差异所导致的。
此外，本研究中的BC基质和BC与MLE复合材料在所使用的浓度下，未显示出抑菌区域。这表明BC-AgNP纳米复合材料具有显著的抗菌效果。
2.BC-AgNPs纳米复合材料的长期抗菌性能
为了研究BC-AgNPs复合材料，对革兰氏阳性菌S. aureus和革兰氏阴性菌E. coli，在培养基中长时间48小时内的抗菌效果，我们通过测量在600纳米波长处的光密度（OD600）来调查细菌的生长情况。
如下图所示，分别以不含BC-AgNPs复合材料的培养基中的E. coli（图a）和S. aureus（图b）的生长曲线作为对照组，显示在前24小时内迅速生长。
而在含有250 µg/ml浓度的BC-AgNPs复合材料的培养基中，E. coli和S. aureus的生长仅在最初的16小时内被观察到，之后两种细菌略有开始生长。
这是因为该浓度等于两种细菌的最小抑菌浓度（MIC），只抑制了细菌的生长。研究表明，在含有与MIC相等浓度的AgNPs的培养基中，经过10小时的孵育，E. coli和S. aureus的细菌生长观察到OD600值增加。
而含有500 µg/ml和2000 µg/ml浓度的BC-AgNPs复合材料，分别等于E. coli和S. aureus的最小杀菌浓度（MBC），在48小时的时间内完全抑制了两种细菌的生长。
然而，影响AgNPs抗菌活性的因素有很多，包括颗粒大小、形状、稳定剂及其剂量以及处理时间。
AgNPs对细菌活性的抑制作用机制是，当元素银纳米颗粒与细菌细胞壁接触时，银离子从纳米颗粒表面释放出来。
由于金属纳米颗粒的纳米结构大小，改变了表面的局部电子结构（电子效应），可能增强了纳米颗粒表面的反应性。
随后，银离子可能破坏或渗透细胞膜，导致酶活性的严重降低，从而改变微生物的代谢并抑制它们的生长，导致细胞死亡。
此外，AgNP是软酸，具有与碱反应的天然趋势。因此，它倾向于与软碱发生更强的亲和反应。细菌的细胞膜主要由磷酸、含硫蛋白质以及DNA等含磷化合物组成，这些都是软碱。
AgNPs对细胞的作用可以引发反应，随后导致细胞死亡。最后，AgNP释放出银离子，这对AgNP的杀菌效果有额外的贡献。
此外，AgNPs对E. coli的抗菌活性比对S. aureus更强。这可以归因于它们对AgNPs的敏感性差异，即细菌细胞膜的厚度和成分不同。
结论我们使用XRD、FTIR、TEM、FESEM和SAXS分析来研究这种复合材料的生产过程。
通过FE-SEM形态学观察，可以看到AgNPs以独立的球形颗粒，或聚集体的形式均匀地分布在BC基质中。XRD的结果确认了BC-AgNP纳米复合材料中存在AgNPs。
SAXS的表征结果显示，嵌入在BC中的AgNPs尺寸约为19纳米，这与TEM结果相一致。BC-AgNP纳米复合膜对S. aureus和E. coli细菌表现出很好的抗菌活性。
然而，BC-AgNP纳米复合材料对E. coli的生长抑制效果要比对S. aureus菌更强。这些结果表明，BC-AgNP纳米复合材料可以考虑用于包装和生物医学应用。
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