阅读说明：本技术 一种具有牙齿美白和抗菌效果的改性多孔蒲秆生物炭 (Modified porous cattail straw biochar with tooth whitening and antibacterial effects ) 是由 李婷 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有牙齿美白和抗菌效果的改性多孔蒲秆生物炭的制备方法,通过钢化球磨将蒲秆细化到2000-3000目,在多孔蒲秆生物炭的表面上修饰了具有抗菌作用的氧化锌纳米颗粒,经过两次热解和氧化锌改性得到一种以蒲秆为原料的生物炭,所制备的纳米氧化锌层改性的多孔蒲秆生物炭作为新型牙齿美白抗菌材料,不仅具有相似的增白效果,而且对牙釉质结构的损伤也明显减少,负载氧化锌的多孔蒲秆生物炭的比表面积高,对紧贴在牙齿表面的有源色素和细菌毒素可以进行有效吸附,还具有良好的抗菌能力。(The invention provides a preparation method of modified porous cattail stem charcoal with tooth whitening and antibacterial effects, cattail stems are refined to 2000-3000 meshes through toughening and ball milling, zinc oxide nano particles with antibacterial effects are modified on the surface of the porous cattail stem charcoal, the charcoal taking cattail stems as raw materials is obtained through twice pyrolysis and zinc oxide modification, the prepared porous cattail stem charcoal modified by a nano zinc oxide layer is used as a novel tooth whitening antibacterial material, not only has similar whitening effects, but also obviously reduces damage to an enamel structure, the specific surface area of the porous cattail stem charcoal loaded with zinc oxide is high, active pigments and bacterial toxins tightly attached to the surfaces of teeth can be effectively adsorbed, and the charcoal also has good antibacterial capability.)

一种具有牙齿美白和抗菌效果的改性多孔蒲秆生物炭

技术领域

本发明涉及一种具有抗菌效果的牙齿美白的生物炭及其制备方法，属于日化材料领域。

背景技术

牙齿增白材料已经是现代生活中广泛使用的美白保健品。牙齿变色根据其位置和病因，可分为内在，外在或两者兼修。外在牙齿变色是由习惯性摄入饮食(如咖啡、茶、巧克力、饮料或抽烟等)产生的色素引起的或由口腔中细菌产生的色素在牙面沉积导致的，而内在变色通常是在牙齿发育过程中形成的。牙菌斑与龋病，牙龈炎症出血和牙周病的发生有密切的关系，因此我们必须坚持不懈地防治牙菌斑，使其维持在一个较低数量，防止其发展壮大。

牙齿美白的技术大致分为侵入性美白和非侵入性美白。临床美白的操作包括全冠修复和层压单板修复。这些流程必须研磨和切割牙釉质，这会对牙齿造成不可逆转的损害。微创美白一般指通过化学方法漂白牙齿。过氧化氢或过氧化脲是最常用的牙齿漂白剂，但是长期使用会带来一系列问题，如牙釉质脱矿，牙齿敏感，牙龈刺激和急性牙髓炎等。因此寻求一种对牙齿无损害的同时具有抗菌作用的牙齿美白粉具有重要意义。

蒲草又名水烛分布较广，常生长于河湖岸边沼泽地。是中国的一种野生蔬菜，其假茎白嫩部分(即蒲菜)和地下匍匐茎尖端的幼嫩部分(即草芽)可以食用，味道清爽可口。花粉入药，称“蒲黄”，能消炎、止血、利尿；雌花当作“蒲绒”，可填床枕。花序可作切花或干花。水烛是中国传统的水景花卉，用于美化水面和湿地。水烛的叶片可作编织材料；茎叶纤维可造纸，秸秆常被用来作为编织物用，现有的公开技术尚未有其用于牙齿美白或抗菌的报道。

发明内容

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针对背景技术中所提出的问题，本发明提出一种制备兼具牙齿美白和抗菌效果的纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的技术。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种具有牙齿美白和抗菌效果的改性多孔蒲秆生物炭的制备方法，由以下步骤组成：

(1)用蒸馏水将蒲秆洗涤2-5次除去污垢颗粒，然后在烘箱中干燥24小时，之后将蒲秆细化，置于管式炉中碳化2小时，温度800℃，加热速率为10℃/min进行第一次热解，得到蒲秆生物炭。

(2)将步骤(1)得到的蒲秆生物炭浸泡在浓度为1mol·L^-1氢氧化钾溶液中，浸渍比为1：1，然后将混合物在烘箱中脱水12小时。

(3)将蒲秆生物炭粉粹后，置于纯度为99.995％的氮气管式炉内，控制氮气流速为150cm³·min^-1进行第二次热解，在温度400℃，预处理1小时，再升温至800℃热解1小时，用去离子水洗涤去除剩余的化学杂质。

(4)将步骤(3)得到的生物炭粉转移到250mL的烧杯中，加入0.1mol·L^-1的盐酸，搅拌1小时，然后用热去离子水洗涤，直到洗涤的pH值6-7为止，干燥后既得多孔蒲秆生物炭。

(5)将多孔蒲秆生物炭1g溶于270mL去离子水中，超声1小时，加入2.208g氯化锌，0.135g羧甲基纤维素钠，并加入216mL浓硝酸，调节pH值至2；将1.532g硼氢化钠溶解在135mL去离子水中，过程在氩气气氛中进行，在90℃下将上述硼氢化钠溶液，滴加至生物炭溶液中，并保持4小时，取出样品，洗涤干燥后便得到纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭。

一种具有牙齿美白和抗菌效果的改性多孔蒲秆生物炭的制备方法：步骤(1)中的细化步骤为：将干燥后的剪切至1mm的蒲秆放入规格为2L的球磨机中，将直径为1.0cm、1.5cm、2.0cm的高铬钢球研磨球按照重量比为2:5:3混合，所述高铬钢球加入总重量为2-3kg,研磨90min，将蒲秆粒径磨至700-1000目粗粉；将制得的粗粉50g加入0.5L球磨机中，再加入蒲秆重量5-10％的水，配成蒲秆浆，将直径为6mm、8mm、10mm的高铬钢球研磨球按照重量比为2:6:4混合，所述高铬钢球加入总重量为0.3-0.5kg,研磨2-3h,烘干将水分去除，得到2000-3000目的细粉。

所述的生物炭：应用于牙齿美白、抗菌。

本发明的有益效果

(1)在多孔蒲秆生物炭的表面上修饰了具有抗菌作用的氧化锌纳米颗粒，并对产品的美白牙齿效果，抗菌性和生物安全性进行了深入地研究，和市售美白牙膏和抗菌牙膏进行了对比，结果表明纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的美白和抗菌效果均超过了市售美白牙膏和抗菌牙膏。

(2)同时，纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的使用过程并没有损害牙釉质的表面，是一种生物安全的牙齿抗菌兼美白粉。

(3)针对蒲秆的韧性较强的特性，采用本发明两级球磨双重细化，使得其粒径可细化至2000-3000目，用于美白牙齿时有很好的吸附作用。

(4)与传统的临床美白剂(过氧化物)相比，纳米氧化锌层改性的多孔蒲秆生物炭作为新型牙齿美白抗菌材料，不仅具有相似的增白效果，而且对牙釉质结构的损伤也明显减少，负载氧化锌的多孔蒲秆生物炭的比表面积高，对紧贴在牙齿表面的有源色素和细菌毒素可以进行有效吸附，此外还具有良好的抗菌能力。

附图说明

图1(a-c)是多孔蒲秆生物炭的扫描电子显微镜图；(d-f)是纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的扫描电子显微镜图。

图2(a-b)分别是氧化锌颗粒，多孔蒲秆生物炭，纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭三种样品的X射线衍射图谱，傅氏红外光谱图。

图3是牙科专业比色卡。

图4(a-d)纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭,多孔蒲秆生物炭，市售美白牙膏，单独使用牙刷对牙齿的美白效果图。

图5(a-d)分别是空白组、多孔蒲秆生物炭、市售抗菌牙膏和纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的抗菌效果图；(e-h)对应的平板菌落计数图；(i)多孔蒲秆生物炭、市售抗菌牙膏和纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的抗菌率。

图6是对照组和实验组老鼠的心、肝、脾、肺和肾的HE(苏木精-伊红)染色图。

具体实施方式

实施例1

1.纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的制备过程：

用蒸馏水将蒲秆洗涤2-5次除去污垢颗粒，然后在烘箱中干燥24小时，之后将蒲秆细化，置于管式炉中碳化2小时，温度800℃，加热速率为10℃/min进行第一次热解，得到蒲秆生物炭。将得到的蒲秆生物炭浸泡在浓度为1mol·L^-1氢氧化钾溶液中，浸渍比为1：1，然后将混合物在烘箱中脱水12小时。将蒲秆生物炭粉粹后，置于纯度为99.995％的氮气管式炉内，控制氮气流速为150cm³·min^-1进行第二次热解，在温度400℃，预处理1小时，再升温至800℃热解1小时，用去离子水洗涤去除剩余的化学杂质。将得到的生物炭粉转移到250mL的烧杯中，加入0.1mol·L^-1的盐酸，搅拌1小时，然后用热去离子水洗涤，直到洗涤的pH值6-7为止，干燥后既得多孔蒲秆生物炭，如图1(a-c)所示。

细化步骤为：将干燥后的剪切至1mm的蒲秆放入规格为2L的球磨机中，将直径为1.0cm、1.5cm、2.0cm的高铬钢球研磨球按照重量比为2:5:3混合，所述高铬钢球加入总重量为2.5kg,研磨90min，将蒲秆粒径磨至800目粗粉；将制得的粗粉50g加入0.5L球磨机中，再加入蒲秆重量10％的水，配成蒲秆浆，将直径为6mm、8mm、10mm的高铬钢球研磨球按照重量比为2:6:4混合，所述高铬钢球加入总重量为0.3kg,研磨2h,烘干将水分去除，得到2500目的细粉。

将多孔蒲秆生物炭1g溶于270mL去离子水中，超声1小时，加入2.208g氯化锌，0.135g羧甲基纤维素钠，并加入216mL浓硝酸，调节pH值至2；将1.532g硼氢化钠溶解在135mL去离子水中，过程在氩气气氛中进行。在90℃下将上述硼氢化钠溶液，滴加至生物炭溶液中，并保持4小时。取出样品，洗涤干燥后便得到纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭，如图1(d-f)所示。

图2(a)显示了氧化锌，多孔蒲秆生物炭和纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的X射线衍射图谱，尖峰表明氧化锌的结晶度良好。在横坐标30-60°范围内5个峰值图案是ZnO多晶六方纤锌矿结构的特征峰。图2(b)显示了氧化锌，多孔蒲秆生物炭和纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭在近红外区域的傅氏转化红外光谱(波数：4000-400cm^-1)。ZnO纳米颗粒的IR光谱的形状通常受颗粒尺寸和形态，颗粒聚集程度或ZnO多晶的晶体结构的影响，显示出的Zn-O键的红外波段的峰值中心位于430cm^-1。

2.纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭对牙齿的美白作用

将大小均等颜色相近的牙齿数十颗，泡入浓茶加咖啡中，三天后取出，与牙科专业比色卡对比，将色阶达到16的牙齿取出备用。然后将上色的牙齿分成四组，一组作为空白组，单独用牙刷沾水刷洗3min，其余三组分别被1000g·L^-1纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭粉末、多孔蒲秆生物炭粉末和市售的美白牙膏均匀涂抹在牙齿表面后，用牙刷刷洗3min。接着，将冲洗后的牙冠部分与牙科专业比色卡(图3)进行对比。

如图4所示，3分钟的刷洗实验全部结束后，在同一光照条件下，采用牙科专业色卡对比牙齿刷洗前后的颜色变化。根据牙科专业色卡，我们发现只用牙刷刷洗牙齿，牙齿颜色的Vita色阶从C4提高到A4，只发生了1级的美白变化；使用美白牙膏刷洗牙齿，牙齿颜色的Vita色阶从C4提高到A3.5，发生了4级的美白变化；使用多孔蒲秆生物炭刷洗牙齿，牙齿颜色的Vita色阶从C4提高到D4，发生了6级的美白变化；使用纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭粉末刷牙后，牙齿颜色的Vita色阶从C4提高到B2,发生了13级的美白变化。因此，纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭具有作为牙齿美白剂的理想效果，可以有效地去除附着在牙齿表面的外源性色素(例如咖啡，红茶和绿茶等)。

3.纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的抗菌效果测试

将准备好的4颗牙齿洗干净，在高压高压下消毒，然后与金黄色葡萄球菌共培养。其中一颗单独用灭菌牙刷刷洗3分钟，另外3颗分别加纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭，多孔蒲秆生物炭粉和市售的抗菌牙膏后用灭菌牙刷刷洗3分钟。接下来，4颗牙齿都用磷酸盐缓冲液(PBS，pH 7.4)洗涤2次，干燥处理后通过扫描电子显微镜观察残留在牙齿表面的金黄色葡萄球菌。

同上，将清洗后的4颗牙齿在高温高压下消毒后与金黄色葡萄球菌共培养。其中一颗单用灭菌牙刷刷洗3分钟，另外3颗分别用纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭，多孔蒲秆生物炭粉和市售的抗菌牙膏刷洗3分钟。然后，这些牙齿继续与金黄色葡萄球菌共培养2小时，用涂板菌落计数法计算纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭，多孔蒲秆生物炭粉和市售的抗菌牙膏三种样品对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

如图5所示，用纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭刷洗过的牙齿表面，我们观察不到金黄色葡萄球菌，该材料对革兰氏阳性菌-金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌活性，比市售的抗菌牙膏的抗菌效果好。由图4.10(e-h)，我们使用平板菌落计数法来定量评估其抗菌属性，得出了图4.10(i)，米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭对金黄色葡萄球菌的抑菌率接近100％，远高于抗菌牙膏的抑菌率。

4.纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭的生物安全测试

准备8只雄性昆明小鼠(每只约30g)，其中4只作为对照组，另外4只作为测试组。小鼠适应一周后，将纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭溶液以每天35mg/kg的剂量对小鼠进行口服灌胃试验，对照组用生理盐水进行相同的灌胃过程。给药五天后，小鼠被解剖，进行组织病理学检查。实验组和对照组的肝脏、肾脏、肺、脾脏和心脏组织被剖取后，经4％多聚甲醛溶液固定，常规取材，脱水，石蜡包埋，制片(4μm厚)，用苏木精-伊红染色。然后，我们通过光学显微镜观察它们的组织病理学特征。

如图6所示，与对照组相比，实验组视野中心肌纤维排列紧密、染色均匀、界限清晰、形态正常、心肌间质可见少量红细胞，组织未见明显异常；视野中肝细胞胞质疏松淡染，组织未见明显坏死或炎症反应；视野中红白髓分界清晰，白髓淋巴细胞丰富，组织未见明显异常；视野中肺泡大小均匀，肺泡壁厚度均匀，支气管上皮细胞排列紧密，形态正常，肺泡腔及支气管腔内干净，组织未见明显异常；视野中肾小管排列紧密，肾小管上皮细胞形态正常，组织未见明显异常。H&E(苏木精-伊红)染色结果表明，用纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭灌胃小鼠的心、肝、脾、肺、肾均正常。事实上，在实际使用过程中只有微量的牙齿美白剂会通过嘴巴进入胃部。本项实验表明，即使有少量吸入，我们制备的纳米氧化锌改性的多孔蒲秆生物炭也不会给组织器官带来明显危害。