納米銀的生物合成及應(yīng)用進(jìn)展

張曼瑩++劉姿铔++鄔艷君

摘 要：納米銀由于其優(yōu)異的抗菌性得到了廣泛的研究和應(yīng)用。而利用生物體系還原制備納米銀作為一種綠色的方法得到了越來(lái)越多的關(guān)注。本文從生物納米銀的制備體系、還原機(jī)理、影響因素、應(yīng)用及存在的問(wèn)題等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：生物納米銀 還原機(jī)理 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TG14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（b）-0122-03

納米銀即粒徑為納米級(jí)別的金屬銀單質(zhì)，由于其穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，在電子、光學(xué)、抗菌、催化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。納米銀的制備方法很多，物理法和化學(xué)法由于實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單、易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)這些方法也面臨著諸如納米粒子團(tuán)聚、高能耗、反應(yīng)條件苛刻、難于規(guī)模化生產(chǎn)等問(wèn)題。此外，大量使用有毒有害化學(xué)試劑也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此，清潔、無(wú)毒、環(huán)境友好型的生物還原法應(yīng)運(yùn)而生。

1 生物法制備納米銀

1.1 納米工廠(chǎng)

化學(xué)法通常是用還原劑（NaBH4等）將Ag+還原成Ag0，用穩(wěn)定劑（PVP等）來(lái)控制粒徑的生長(zhǎng)。而生物法則是由生物體系作為“納米工廠(chǎng)”所產(chǎn)生的分子作為還原劑和穩(wěn)定劑來(lái)實(shí)現(xiàn)納米粒子的合成。常用的生物體系有細(xì)菌、真菌、酵母菌、藻類(lèi)和植物[1-3]；反應(yīng)前驅(qū)物常為硝酸銀或者銀氨溶液。一些研究者通過(guò)往微生物培養(yǎng)液上清液、菌體洗出液或植物提取液中加入銀前驅(qū)物來(lái)制備納米銀；一些則直接利用菌體與前驅(qū)物反應(yīng)實(shí)現(xiàn)銀離子的還原。前者制備的納米銀分布在反應(yīng)液中，為胞外還原，此法可有效減少納米粒子分離純化等后處理過(guò)程；后者得到的納米銀分布在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞壁上，細(xì)胞本身作為一種“支撐體”有效地防止納米粒子的團(tuán)聚，同時(shí)也給納米粒子下游加工帶來(lái)了一定的困難。

1.2 還原機(jī)理

生物法合成納米銀近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注，根據(jù)還原過(guò)程中是否有酶的參與，其還原機(jī)理大體可分為：酶還原和非酶還原。

1.2.1 酶還原機(jī)理

酶還原指具有生物活性的酶類(lèi)物質(zhì)參與實(shí)現(xiàn)從Ag+到Ag0的還原過(guò)程。Mukherjee等首次報(bào)道了這一現(xiàn)象[3]。他們發(fā)現(xiàn)納米銀只在菌絲上形成，因此推斷Ag+可以被細(xì)胞壁上酶分子中帶負(fù)電的羧基化基團(tuán)吸附，從而在細(xì)胞壁上形成Ag0。Ramanathan等認(rèn)為在菌體中存在銀還原酶并成功地通過(guò)溫度對(duì)納米銀的形貌進(jìn)行調(diào)控[4]。Kumar等從尖胞鐮刀菌體內(nèi)提取出了α-NADPH硝基還原酶，再次證實(shí)了還原酶在生物還原過(guò)程中至關(guān)重要的作用[5]。酶還原法因?yàn)樯婕暗轿⑸锎x，過(guò)程較為復(fù)雜，所以還原速率較慢。

1.2.2 非酶還原機(jī)理

非酶還原過(guò)程認(rèn)為生物體系中不依賴(lài)其活性的還原性基團(tuán)可通過(guò)Ag+吸附和原位還原兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)Ag+的還原。在許多反應(yīng)體系中蛋白質(zhì)都被認(rèn)為是主要的還原劑和保護(hù)劑[6-8]。此外胞外聚合物（EPSs）中的還原性糖、生物表面活性劑和維生素E也可以為Ag+提供吸附位點(diǎn)并作為電子供體將Ag+還原為Ag0[9]。非酶還原過(guò)程不受生物生長(zhǎng)條件的限制，具有更大的調(diào)控空間。

1.3 影響因素

生物法合成納米銀，酶還原過(guò)程涉及微生物活性，而非酶還原類(lèi)似于化學(xué)還原，不必考慮微生物活性，因此對(duì)微生物生長(zhǎng)及普通化學(xué)反應(yīng)有影響的因素如溫度、pH、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)時(shí)間等都會(huì)對(duì)生物還原過(guò)程產(chǎn)生影響。許多研究者通過(guò)對(duì)這些影響因素進(jìn)行調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物還原速率、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物形貌和尺寸的控制。

Sintubin等對(duì)多種乳酸桿菌合成納米銀的能力進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出EPSs和細(xì)胞表面還原性糖是主要的還原性物質(zhì)。此過(guò)程是非酶還原，因此作者在較寬的pH范圍內(nèi)（2～11.5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著pH值的增加，Ag+還原率升高；在堿度極高時(shí)（pH=11.5）Ag+的還原率也達(dá)到最大。此外，pH值也對(duì)Ag+還原速率產(chǎn)生較大影響。當(dāng)pH為11.5時(shí)，在一分鐘內(nèi)反應(yīng)體系顏色變?yōu)樯钭厣琔V-Vis圖譜中在425nm處的等離子體共振峰證實(shí)了納米銀的存在。對(duì)此原因推測(cè)認(rèn)為，pH值增加促使葡萄糖等單糖開(kāi)環(huán)形成開(kāi)鏈醛，當(dāng)Ag+出現(xiàn)，醛被氧化成羧酸同時(shí)Ag+被還原為Ag0[10]。Fu和Govindaraju等也指出了堿性條件可以加速生物反應(yīng)進(jìn)程[11-13]。

Lengke等研究了溫度對(duì)鮑氏織線(xiàn)藻生物合成納米銀的影響，發(fā)現(xiàn)溫度不僅與Ag+還原率呈正比，還對(duì)納米銀形貌有影響[14]。Zhang和Huang等也認(rèn)為高溫有利于反應(yīng)進(jìn)行，能夠加快生物還原速率[15，16]。

非酶還原中生物體系對(duì)銀離子的耐受力（1～10gL-1）要比酶還原時(shí)（0.01～0.1gL-1）高很多，較高的Ag+濃度有利于提高納米銀的產(chǎn)量和在生物細(xì)胞上的負(fù)載率[1，8]。

不同的生物體系還原合成納米銀的能力不同，通過(guò)選擇合適的生物體系，改變反應(yīng)條件提高納米銀產(chǎn)率，合成形貌尺寸可控的納米粒子將是未來(lái)生物納米銀合成研究的主要方向。

1.4 應(yīng)用

1.4.1 抗菌性

人們對(duì)納米銀的殺菌性應(yīng)用已久，同樣，研究表明生物法合成的納米銀也能明顯地抑制多種微生物的生長(zhǎng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌性。

Sinbutin等用乳酸桿菌在細(xì)胞壁上合成了納米銀，并對(duì)化學(xué)法合成的納米銀、銀離子、生物銀的抗菌性進(jìn)行了比較。由最小抑制濃度（MIC）和最低殺死濃度（MBC）結(jié)果可見(jiàn)，生物銀與Ag+有相似的殺菌能力，遠(yuǎn)強(qiáng)于化學(xué)銀。相比于革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄桿菌），生物銀對(duì)革蘭氏陰性菌（大腸桿菌、銅綠假單胞桿菌）有更顯著的殺菌性，這主要是由陽(yáng)性菌和陰性菌不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成的[2，9]。Bart等人進(jìn)一步研究了發(fā)酵乳酸桿菌合成生物銀的抗病毒性，并且在飲用水中與Ag+、化學(xué)納米Ag0的抗病毒性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明生物銀Ag0對(duì)噬菌體UZ1的殺滅效率更高[7]。endprint

生物納米銀與普通法合成的納米銀一樣，都具有廣譜殺菌性，而且納米銀的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)殺菌性有著至關(guān)重要的影響。首先，納米銀抗菌性與納米尺寸呈反比，即粒徑越小，比表面積越大，抗菌活性越強(qiáng)。Elechiguerra等人發(fā)現(xiàn)粒徑在1～10nm之間的納米銀可以?xún)?yōu)先和病毒的gp120糖蛋白結(jié)合，從而抑制某些病毒和宿主細(xì)胞的結(jié)合[12]。此外，納米銀的形狀也會(huì)影響它的殺菌性。Pal等人發(fā)現(xiàn)，三角形的銀納米盤(pán)因?yàn)楹懈嗟幕钚?111>晶面，從而比銀納米棒、銀納米球和Ag+表現(xiàn)出更強(qiáng)的殺菌性[13]。化學(xué)法產(chǎn)生的納米粒子在平均粒徑小于40nm或者較高濃度下仍然存在不穩(wěn)定及團(tuán)聚的問(wèn)題，這也必然導(dǎo)致其相對(duì)表面積的減少，進(jìn)而降低抗菌活性。生物法合成的納米銀，在其表面結(jié)合的生物分子或者細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)和穩(wěn)定下，可以有效地緩解納米粒子團(tuán)聚的問(wèn)題。此外，這些生物分子還可以通過(guò)改變納米粒子和目標(biāo)微生物之間的相互作用來(lái)影響抗菌活性。不同的生物質(zhì)合成的納米銀尺寸、形狀、表面結(jié)合的蛋白質(zhì)或其他生物分子都不同，因此，為了有利于在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)生物納米銀的抗菌性進(jìn)行完善的表征則變得非常重要。

1.4.2 醫(yī)學(xué)應(yīng)用

目前由抗生素耐受性細(xì)菌在臨床上引發(fā)的感染越來(lái)越多，因此納米銀應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究也越來(lái)越多。一些研究發(fā)現(xiàn)納米銀不僅具有廣譜性、殺菌性，還能消炎、加速傷口愈合，這使得納米銀應(yīng)用于移植器械、導(dǎo)管和傷口包扎用品等成為可能[15，16]。Roopan等首次用椰子殼提取物合成粒徑約為23nm的納米銀，并首次報(bào)道了此納米銀具有很好的抗蚊蟲(chóng)作用，進(jìn)一步研究有望開(kāi)拓生物納米銀在抗瘧疾藥物方面的應(yīng)用[17]。Fayaz等研究了由綠色木霉菌合成的生物納米銀對(duì)常見(jiàn)抗生素（青霉素、氯霉素、卡那霉素、氨芐青霉素等）抗性的影響。發(fā)現(xiàn)，生物納米銀與抗生素的結(jié)合能夠有效地提高抗生素的抗性，這種增強(qiáng)作用在氨芐青霉素中表現(xiàn)的最為明顯[18]。Gajbhiye等在對(duì)生物銀與氟康唑結(jié)合抗真菌性的研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的增強(qiáng)現(xiàn)象[19]。

雖然以上研究表明生物納米銀對(duì)一些耐藥性細(xì)菌和真菌都有很好的殺菌性，對(duì)于其是否能安全地應(yīng)用于醫(yī)療器械還沒(méi)有明確的說(shuō)法。Chaloupka等曾指出，生物銀表面生物分子、生物組織或制備過(guò)程中殘存的活細(xì)菌，可能會(huì)成為病原體對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用造成污染。因此，在確保生物銀能夠安全地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前，仍需對(duì)其毒性和生物相容性進(jìn)行更深入的研究。

2 面臨的問(wèn)題

2.1 規(guī)模化生產(chǎn)

目前對(duì)生物納米銀的研究主要集中在小試水平，若想在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，大規(guī)模生產(chǎn)和成本將是其面臨的主要難題。關(guān)于大規(guī)模生物法合成納米銀的報(bào)道還很少，Huang等發(fā)明了一種在連續(xù)攪拌釜氏反應(yīng)器中采用側(cè)柏葉水提取液快速制備納米銀顆粒的方法。即用蠕動(dòng)泵將前驅(qū)體和側(cè)柏葉水提取液以0.5～1mL·min-1的流速持續(xù)通入到反應(yīng)器中，磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，關(guān)閉出口閥門(mén)，待反應(yīng)體積達(dá)到50mL時(shí)，打開(kāi)出口閥收集反應(yīng)液，出口流量與進(jìn)口保持相同以維持反應(yīng)平衡[20]。雖然此裝置能實(shí)現(xiàn)納米銀的連續(xù)合成，但是距離實(shí)際大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有大差距。

2.2 擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域

理論上，生物納米銀應(yīng)當(dāng)可以像化學(xué)納米銀一樣，被用于催化、生物傳感器、抗菌材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而目前人們對(duì)生物納米銀的研究多數(shù)集中在抗菌性能的測(cè)試及生物醫(yī)學(xué)上的初步嘗試。因此，生物納米銀在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用仍將是未來(lái)人們研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

生物還原作為一種綠色友好的納米銀制備方法在不同的生物體系中得到了應(yīng)用和證實(shí)。生物納米銀在生物質(zhì)成分的保護(hù)下穩(wěn)定性和分散性得到了較大提高，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。今后對(duì)其還原機(jī)理、規(guī)模化生產(chǎn)及擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域等相關(guān)問(wèn)題仍需要廣大研究者的著重關(guān)注。

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