使用蒙脱石制备次氯酸凝胶抗菌

COVID-19新冠疫情的爆发，几乎在一夜之间改变了许多人的清洁意识及习惯 [2]。 人们越来越关注清洁卫生，防止微生物污染对我们的健康造成影响，同时对于消毒用品的需求也显著增加。这也可以从2019年至2020年卫生用品销量的明显增长中获悉[3]。

用于对抗潜在有害微生物，例如细菌、酵母菌和真菌，并使病毒失活的化学物质被归类为抗菌物质。在家庭应用中，主要用于减少有害微生物。为了避免健康风险，必须减少物体表面的污染，以及致病菌病原体的传播。寻找可持续且尽可能安全的产品，并保证健康所需的卫生洁净，比以往的任何时候都显得更加重要。

次氯酸 — 一种有效抵御细菌的天然武器

次氯酸优异的生物医学潜力早已广为人知。在第一次世界大战期间，由于缺乏抗生素，次氯酸被大量用于伤口的消毒[4]。作为一种非常高效的抗菌物质，次氯酸至今仍被广泛应用于清洁、外用与伤口护理中。由于次氯酸对于保护人体免受多种有害病原体侵害方面，发挥着重要的作用 [1]，它也被视为一种安全的、基于天然的抗菌产品。次氯酸作为白细胞免疫机制的一部分，是一种所有脊椎动物体内可形成的内源性物质 [1]。在人体内，白细胞主要由嗜中性粒细胞组成，而在其中，次氯酸作为氧化剂形成于细胞外或吞噬细胞内（细胞内）。 血红素髓过氧化物酶 (MPO) 则通过催化过氧化氢和氯化物产生次氯酸（见图 1）[5]。

我们的白细胞吸收有害微生物，然后利用次氯酸作为氧化剂使其无害化。次氯酸可以非常迅速地穿透单细胞微生物，例如细菌和病毒的细胞壁 [6]，氧化细胞内的蛋白质，包括有害细菌的DNA（脱氧核糖核酸）。微生物结构中n-官能团的氯化会导致氯胺的形成，而氯胺不稳定且会彻底分解，从而有效破坏病毒DNA，并使其失活 [7]。

同样，次氯酸的氧化能力可使得细菌及病毒的细胞膜和蛋白质发生变性。这也就带来了非常广泛的应用领域，用于抵抗所有类型的有害微生物。而人体细胞结构并不会因此受到损伤，因其结构组织更高，并已经形成了保护机制，可防止次氯酸造成损害 [6]。 相较于其他活性物质的另一个明显优势是，细菌很难通过突变对次氯酸产生耐药性。同时，次氯酸对细菌孢子也有效，因此使其从广泛使用的酒精类消毒产品（乙醇、异丙醇）中脱颖而出 [4]。对于皮肤的刺激与频繁使用异丙醇及乙醇类似，可通过弱酸水性制剂避免 [4]。所有的这些特性，使得次氯酸成为了对抗细菌的强大武器，因此世界卫生组织 (WHO) 推荐使用次氯酸对抗COVID-19 (SARS-CoV2) 病毒 [8]。

然而，想要在体外尽可能有效地使用次氯酸，还需要克服一些挑战。次氯酸只稳定于水溶液中，与其共轭碱（ClO-）实现平衡状态，反应性大幅降低。而在较高pH值下，平衡会倾向于次氯酸盐，导致氧化功能降低。但如果化合物酸性太强，则会产生游离氯气 (Cl2)。

次氯酸的pH值必须稳定在5至7之间，以充分发挥其抗微生物的能力。同时还应考虑到高反应性，必须最大程度地减少有机物质和过渡金属离子的存在，否则次氯酸会分解并失效。简单的次氯酸水溶液还有一个主要缺点，即流动速度非常快，这也大大限制了抗菌能力。低粘度溶液减少了与待清洁表面的接触时间，造成消毒时间的缩短。特别是用于垂直表面时，只能进行范围非常有限的消毒。而水凝胶则克服了这一局限，并实现更有效且更可持续的使用效果。

次氯酸水凝胶 — 极具挑战的体系

次氯酸的强反应性也使其难以通过一般的流变改性剂来形成次氯酸基水凝胶。有机化学品会削弱次氯酸的活性作用，因此不能使用有机高分子增稠剂。而过渡金属离子的存在则具有破坏作用，因此天然粘土也不适用。而实际上，除了在许多应用中实现流变特性的天然粘土外，还可以合成生产具有类似结构，但稳定性和纯度更佳的产品。膨润土为天然粘土，其流变特性由其中的蒙脱石结构决定 [9]。而这些结构也存在于合成片状硅酸盐（层状硅酸盐、LAPONITE）中。此类基于自然的物质是独一无二的特殊助剂，可实现所需的性能（如溶胀能力、增稠性、触变性）和高纯度，以及与强氧化剂（如次氯酸）相关的出色稳定性。由此可见，它们是用于形成次氯酸水凝胶的完美助剂。如图2所示，LAPONITE为蒙脱石层状硅酸盐的一部分，具有与天然粘土相类似的晶体结构。

PURABYK-R 5500 – 具有更好相容性的全新改性层状硅酸盐

本文中所介绍的新开发助剂产品PURABYK-R 5500属于锂蒙脱石，其晶体结构由两个四面体片夹一个八面体片而组成。八面体片由镁离子、氧离子和羟基组成。

水分子及其他物质非常容易沉积于粘土的层间距中，并导致片层结构间的距离增大，即“晶间溶胀”[9]。此类化合物晶体在干燥状态下会形成堆叠，当分散于水中时，则会形成独立的圆盘状薄片。这些薄片通过静电相互作用，形成一个三维网络结构（“卡屋”结构），从而实现所需的流变效果（图 3）。

与粘土增稠剂的另一个区别在于，分散后单个薄片的尺寸大幅度减小，这使得配方的透明度得以增加。

PURABYK-R 5500是为形成稳定次氯酸凝胶而专门开发的产品。合成片状硅酸盐的特定改性可增加其对电解质的耐受性，这对于次氯酸的使用尤为重要。在许多情况下，次氯酸通过电解高浓度氯化钠溶液进行工业化生产，因此不能完全排除盐的残留。作为现有LAPONITE流变助剂的深化研发产品，PURABYK-R 5500可耐受最高达4%的盐含量，并且无需预分散即可直接添加（图 4）。

采用PURABYK-R 5500配制水凝胶

最终结果将决定次氯酸水凝胶的有效性和易用性。为此，可将PURABYK-R 5500直接添加至次氯酸水溶液中进行增稠。特别是使用磷酸将pH值调节至5.0 – 5.5后，化合物的粘度出现明显的增加。pH值通常稳定在 6.5。配方如表1所示。

最终形成的是一种轻微浑浊的水凝胶，并呈现干爽、柔软、不粘腻的肤感质地。储存测试表明，在40°C下储存12周后粘度仍保持稳定，且凝胶结构也得以维持。

下一部分内容中将针对指定配方进行讨论，以进一步明确所制备水凝胶的特性。

深入探究 — 纳米结构的高分辨率影像

蒙脱石薄片的尺寸为纳米级别，也就是说简单显微镜的分辨率不足以显示其形态特征，因为在物理学上这受到了光波长的限制。为了能够将这些结构显示为真实图像，就需要大量的准备工作和分析方法。透射电子显微镜 (TEM)则是一种适合的成像方法。根据路易·德布罗意（Louis de Broglie）的理论，电子也具有波特性，并可描述粒子的波长 [10,11]。由于假定的电子波长明显小于薄片尺寸范围，因此电子显微镜非常适用于显示纳米结构。将测试薄片暴露于高能电子束下，样品传输后在检测器上识别电子 [10,11]。样品暴露时电子的不同散射，可以得到物质的大小和成分。

这种高分辨率方法甚至可以用来显示薄片的网络结构——即形成流变效果的网络结构（“卡屋”结构）。特别是低温透射电子显微镜，作为一种非常好的工具可以“冻结”溶液中的相互作用，并真实描绘其形态。分散液中蒙脱石薄片的剥离程度，可以使用原子力显微镜 (AFM) 的高度测量来确定。在这种非侵入性方法中，纳米级小针被引导至样品表面，测量并评估样品与测量针（悬臂）间所产生的力并用于成像 [12]。

使用TEM和AFM观察的微观及宏观形态

图5中显示了水性分散液中锂蒙脱石的两张低温透射电子显微图像。此处可清晰看到其网络结构（“卡屋”结构），这是由剥离的薄片通过静电相互作用而形成的。这种结构实现了所需的流变效果，即形成触变水凝胶。不同的颗粒（遮光剂、芳香胶囊等）也可以通过沉积稳定于此类薄片网络中，通过该图像即可设想其结构。此外，还可以看到单个蒙脱石薄片的尺寸沿此级别的两个轴，在25 nm的范围内移动。锂蒙脱石材料的浓度决定了该“卡屋”网络的密度。

水性分散液中薄片的剥离程度可以使用AFM通过形貌分析来确定。图6所示为本文中锂蒙脱石的AFM图像，可以清楚看到蒙脱石薄片的均匀分布。

高度分布可用于获取蒙脱石薄片单叠、双叠、三叠等所占比例的信息。测量数据的评估显示，大多数（累计达73.6%）高度范围低于1.75 nm，因此可视为完全剥离。无堆叠超过三层的薄片（2.75 nm至3.25 nm范围内累计达100.0%），则表示良好的分层。

水凝胶的粘度特性 — 触变性及屈服点

基于次氯酸和3.5% PURABYK-R 5500的水性配方，可形成具有触变效果的水凝胶。图7显示 ，次氯酸水凝胶具有低剪切高粘度，以及高剪切低粘度（见蓝色曲线）特性。这证实了水凝胶具有高度的剪切变稀特性。剪切力移除后粘度会再次增加，但会有所延迟，由此也显示了触变特性（深蓝色曲线）。不过，水凝胶会很快再次达到原始粘度。

对两个样品进行比较（一个样品在添加PURABYK-R 5500后直接测量；另一个则放置了12个小时），很明显在添加流变助剂后很快就形成了凝胶结构，但也需要几个小时达到最终粘度。

经过进一步的测量，可以确定添加了PURABYK-R 5500的水凝胶会形成一个明显的屈服点，高于该屈服点后样品不再显示弹性特性（凝胶结构），而开始流动。这实现了水凝胶良好的喷涂性和泵送性，根据应用对有效改善了操作性。

杀菌有效性 — PURABYK-R 5500的影响

针对PURABYK-R 5500对次氯酸水凝胶杀菌效果的影响，我们在具有认证资质的测试实验室 HygCen Germany GmbH进行了测试。在测试中对不同标准的细菌和病毒株进行了2阶段1级定量悬浮试验。测试方法采用低量（0.3 g/l 牛血清白蛋白），并遵循EN 13727（杀菌活性）或 EN 14476（杀病毒活性）标准。测试结果显示，添加3.5%的PURABYK-R 5500后，完全保持了对细菌和病毒的杀灭效果。水凝胶中形成的片状硅酸盐也符合EN 13727和EN 14476规定的标准。根据实际使用情况及具体工艺，如适用则必须增加2阶段2级测试。不过，基于几十年来合成锂蒙脱石化合物在此类应用领域的成功经验，可以假设使用流变助剂不会导致活性物质及产品杀菌效果受损。本文所示的水凝胶悬浮测试也支持这一结论。

本文所述的PURABYK-R 5500等合成层状硅酸盐为用途极为广泛的助剂产品，并可根据各类严格要求进行技术改性从而生产适合的产品。此类助剂的结构类似于天然粘土（蒙脱石），但可生产纯度更高且易于改性的产品。因此，此类粘土为非常安全耐用的化合物，并大大增加了所适合的应用领域。

在本文中，我们针对此类化合物的结构进行了更为详尽的说明，并以科学合理的方式对其进行了评估。这有助于更好地了解其特性，例如流变性能以及与不同体系其他成分的相互作用，从而更好地了解其应用领域。这些发现都极其重要，以此为基础可更有效地优化使用此类高性能助剂，并充分发挥其潜力。而次氯酸的例子也证明，使用此类化合物可有效扩大流变助剂的应用范围，即使复杂严格的体系也可实现增稠，同时为体系提供更优化且更可持续的应用效果。