納米氧化鋅在抗菌材料中的應(yīng)用

周馨悅，徐井華，劉星雨，潘景宏，范莉莉

（通化師范學(xué)院物理學(xué)院，吉林 通化 134002)

在當(dāng)前科技社會(huì)，隨著納米技術(shù)的不斷完善，納米ZnO 作為一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)抗菌劑，已廣泛應(yīng)用于抗菌材料中。本文綜述了納米ZnO 的不同制備方法、抗菌機(jī)理及影響納米ZnO 抗菌性能的主要因素，探究了納米ZnO 在抗菌材料中的應(yīng)用，總結(jié)與納米ZnO 相關(guān)的抗菌材料，主要可分為兩種，一種是摻雜復(fù)合型納米氧化鋅抗菌材料;另一種是負(fù)載載體型納米ZnO 抗菌材料。

1 抗菌材料

1.1 定義

一些自身具有殺滅或抑制微生物及細(xì)菌功能的新型材料叫做抗菌材料。目前對(duì)于抗菌材料，更多的是指通過(guò)添加抗菌劑到一定的材料中，從而使這些材料具有抑制或殺滅表面細(xì)菌的能力。

1.2 抗菌材料分類

1.2.1 無(wú)機(jī)抗菌劑類

常見(jiàn)的無(wú)機(jī)抗菌劑有氧化鋅、二氧化鈦、氧化銅等。無(wú)機(jī)抗菌劑是通過(guò)利用一些金屬離子的抗菌能力，如：銅、鋅、鈦等離子，將這些金屬離子制成抗菌劑，然后將其加入到一定的材料中，從而使材料獲得抗菌能力。無(wú)機(jī)抗菌劑的優(yōu)點(diǎn)較多，如抗菌范圍廣、抗菌時(shí)效長(zhǎng)及耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2 有機(jī)抗菌劑類

有機(jī)抗菌劑的抗菌作用是通過(guò)進(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)，使微生物的細(xì)胞膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，進(jìn)而起到抑制或殺滅細(xì)菌等作用。該類抗菌劑抑菌作用速度快，但一般的有機(jī)抗菌劑容易水解，抑菌效果不明顯且耐熱性差。

2 納米氧化鋅及其抗菌機(jī)理

2.1 氧化鋅概述

鋅元素是一種人體必需的微量元素，在生物體生長(zhǎng)、發(fā)育及保持健康的生理過(guò)程中都起到了至關(guān)重要的作用。在抗菌材料中，氧化鋅是鋅的重要來(lái)源，被應(yīng)用于一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)抗菌材料。

2.2 納米氧化鋅的抗菌機(jī)理

人們對(duì)納米氧化鋅的抗菌機(jī)理已經(jīng)做了大量的研究，但是目前對(duì)以哪種機(jī)理為主尚在研究階段。因此，為了使生活中納米氧化鋅抗菌材料有更廣泛的應(yīng)用，研究納米氧化鋅的抗菌機(jī)理是非常必要的。目前對(duì)于納米氧化鋅抗菌機(jī)理的研究有許多，大致可分為金屬離子溶出機(jī)理、接觸吸附機(jī)理和光催化機(jī)理三種說(shuō)法。金屬溶出機(jī)理和光催化機(jī)理是最主要的兩種[1]。

接觸吸附機(jī)理是納米氧化鋅發(fā)揮抑制或殺滅細(xì)菌的基本條件。Yamamoto 研究了影響納米氧化鋅抗菌性能的主要因素，結(jié)果表明，納米氧化鋅的抗菌效果與對(duì)細(xì)菌表面的吸附性能相關(guān)，納米氧化鋅通過(guò)進(jìn)行吸附，使微生物的細(xì)胞膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性、微生物細(xì)胞死亡，進(jìn)而起到抑制或殺滅細(xì)菌等作用。

金屬離子溶出機(jī)理是指納米氧化鋅與細(xì)菌接觸時(shí)，釋放的Zn2+透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，在破壞細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)和功能的同時(shí)與蛋白質(zhì)上的某些基團(tuán)反應(yīng)，對(duì)蛋白質(zhì)的新陳代謝和細(xì)菌的遺傳功能起到影響，使得細(xì)菌在生物體內(nèi)因不穩(wěn)定存在而失活，起到抗菌作用[2]。

光催化機(jī)理是指納米氧化鋅可受到紫外線或可見(jiàn)光的激活，產(chǎn)生大量的自由基，如OH-、H2O2和O2-等。其中H2O2能直接穿透細(xì)胞壁在菌體內(nèi)聚集并殺滅細(xì)菌，而OH-在細(xì)菌細(xì)胞膜外層表面發(fā)生聚集現(xiàn)象，并與其發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞膜被破損，進(jìn)而達(dá)到抗菌的目的。

3 影響納米氧化鋅抗菌性能的因素

3.1 粒徑

Williams 等研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子的比表面積越大，會(huì)增大與細(xì)菌接觸反應(yīng)的面積，從而起到了更好的抗菌作用，并且粒徑為納米級(jí)時(shí)，納米氧化鋅的表面活性也較強(qiáng)。Raghupathi 等研究不同粒徑的納米氧化鋅對(duì)金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)的抑制效果，結(jié)果表明，納米氧化鋅的粒徑越大，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制效果越不明顯，而在粒徑較小時(shí)，不僅抑制該菌的生長(zhǎng)，甚至對(duì)其有致死作用。

3.2 細(xì)菌類型

真菌大致可分為革蘭陽(yáng)性菌和革蘭陰性菌，革蘭陽(yáng)性菌對(duì)納米氧化鋅更加敏感。Premanathan等研究證明了納米氧化鋅對(duì)革蘭陽(yáng)性菌的抗菌作用更強(qiáng)，兩類真菌的抗菌效果的不同可能是由于這兩類真菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致的。LIU Yang等發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅的抗菌效果與真菌的生長(zhǎng)方式有關(guān)，也與納米氧化鋅的制備發(fā)法不同從而導(dǎo)致納米氧化鋅本身固有的耐受性不同相關(guān)。

除以上影響因素外，納米氧化鋅的濃度及作用時(shí)間、溫度、pH 值、光照強(qiáng)度等也會(huì)對(duì)納米氧化鋅抗菌性能造成影響。

4 納米氧化鋅在抗菌材料中的應(yīng)用

納米ZnO 作為一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)抗菌劑，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于抗菌材料中。為進(jìn)一步增強(qiáng)其性能，將納米ZnO 進(jìn)行摻雜或復(fù)合改良是一種新型趨勢(shì)。當(dāng)前，對(duì)于納米ZnO 應(yīng)用于抗菌材料中，可分為以下兩種[3]。

4.1 摻雜復(fù)合型納米氧化鋅抗菌材料

納米ZnO 改良為摻雜復(fù)合型抗菌材料，可以通過(guò)將納米ZnO 與金屬離子摻雜，納米ZnO 與金屬氧化物復(fù)合或者用有機(jī)物來(lái)修飾納米ZnO 等方法。

Rekha K 等將納米ZnO 與Mn 進(jìn)行摻雜，結(jié)果表明摻雜了Mn 的納米ZnO 相對(duì)于純的納米ZnO 的抗菌性能增強(qiáng)；Yamamoto 等將納米ZnO與金屬氧化物MgO 進(jìn)行復(fù)合，但實(shí)驗(yàn)顯示隨著金屬氧化物在納米ZnO 中的摻雜量越高，對(duì)細(xì)菌的抑制作用越不明顯；也有一些研究者用有機(jī)物來(lái)修飾納米ZnO，從而對(duì)納米ZnO 的性能進(jìn)行增強(qiáng)，如：聚苯乙烯等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行修飾后的納米ZnO 對(duì)金黃色葡萄菌或是大腸桿菌都有著很強(qiáng)的抑制作用。

綜上所述，將納米ZnO 進(jìn)行摻雜或復(fù)合都會(huì)在抗菌性能方面有一定的改善，但由于某些金屬氧化物或者金屬離子特異的性質(zhì)，使得改良后的納米ZnO 的抗菌效果存在一定的優(yōu)良性，因此為得到抗菌性能最佳的納米ZnO，尚待研究中。

4.2 負(fù)載載體型納米氧化鋅抗菌材料

納米ZnO 通常會(huì)以離子的形式游離到環(huán)境中，從而破壞環(huán)境，使得自身的性能受到一定的限制，所以研究者通常會(huì)采用載體來(lái)將納米ZnO進(jìn)行固定，從而增強(qiáng)抗菌性能。目前適合作為抗菌材料載體主要有硅膠類以及磷酸鹽類等[4]。

Alswat 等用沸石作為載體進(jìn)行抗菌材料的改良，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)用載體負(fù)載后的抗菌材料有著更強(qiáng)的抗菌性能，這是因?yàn)榉惺d體可以防止納米粒子發(fā)生聚集的現(xiàn)象。當(dāng)前所研究出的氧化石墨烯負(fù)載納米氧化鋅型抗菌材料己被用作有效的殺滅大腸桿菌的微生物制劑。

5 結(jié)語(yǔ)

基于納米ZnO 作為抗菌劑的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在將納米ZnO 應(yīng)用于抗菌材料已成為一種必然趨勢(shì)。本文對(duì)抗菌材料及納米ZnO 進(jìn)行概述，將納米ZnO的抗菌機(jī)理主要分為金屬離子溶出機(jī)理和光催化機(jī)理兩大類，并且討論了影響納米ZnO 抗菌性能的主要因素。但目前納米ZnO 作為一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)抗菌劑，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于抗菌材料中，為進(jìn)一步增強(qiáng)其性能，將納米ZnO 進(jìn)行摻雜或復(fù)合改良是一種新型趨勢(shì)。人們對(duì)于納米ZnO 的抗菌機(jī)理已經(jīng)做了大量的研究，但是以哪種機(jī)理為主尚在研究階段。對(duì)此，研究者應(yīng)加大時(shí)間與經(jīng)歷的投入，對(duì)抗菌材料的研究應(yīng)更加深入，將研究各類抗菌劑的抗菌機(jī)理與抗菌劑之間的相互協(xié)調(diào)增強(qiáng)殺菌效果作為接下來(lái)主要的研究方向，并為以后納米氧化鋅在抗菌材料中的應(yīng)用提供更多的理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)探究。