常見抗菌材料的研究進展

劉呈坤,江志威,毛 雪,吳 紅

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著社會、經濟的發展,人類在享受發展紅利的同時也面臨著細菌和病毒的侵擾,從2003年的SARS病毒到2019年的新型冠狀病毒,病毒不僅危害到世界各地人們的健康,還使全球經濟的發展受到了制約。很早以前,人們就已經意識到微生物的存在,他們會使用銀或銅制成的碗筷吃飯，也會用冰保鮮食物。到了二戰時期,青霉素被用于醫療,使戰爭期間無數受傷的戰士免于傷口感染和發炎。如今，人們已經可以從植物的莖、葉以及微生物的分泌物中提取具有抗菌功能的物質,還研制了各種各樣的抗菌劑,并將其應用于紡織品、塑料制品等多個領域,極大的保障了人們的生命健康。為了更好地認識抗菌這個問題,本文主要介紹了抗菌材料的分類,并簡單闡述了近年來抗菌材料的研究進展以及常見抗菌材料的抗菌機理,最后論述了抗菌材料的應用領域及未來的發展趨勢。

1 抗菌材料的分類及抗菌機理

抗菌材料是指與細菌、病毒作用后,干擾了細菌的正常發育,且經過一段時間后,仍對細菌的生長發育具有抑制作用的一類化學物質。抗菌材料可使細菌的生長受到阻礙,抗菌效果好的抗菌材料甚至可以殺死細菌。依據化學物質內部成分的不同,可以將抗菌材料分為天然、無機和有機抗菌材料[1]。抗菌材料分類及其優缺點如表1所示。

表 1 抗菌材料分類及其優缺點

1.1 天然抗菌材料

天然抗菌材料[2]主要來源于動、植物體內的化學組分以及微生物及其衍生物,是通過提取、分離、純化制備的抗菌材料。因為來源的不同,可以對其進一步細分。其中,動物類提取物與人體的相容性較好,植物類提取物來源廣泛、毒性低。但是，天然抗菌材料提取成本較高,提取物的化學穩定性較差。

1.1.1 植物源抗菌材料 植物源抗菌材料來源廣泛,可以通過提取不同植物的相關部分獲得抗菌物質。不同部分提取物的抗菌成分存在差異,抗菌效果也各不相同,主要有多酚類、植物精油、生物堿等。當前應用比較多的是香芹酚和百里香精油。抗菌機理主要是:①緩釋作用。例如，花春陽等[3]制備了香芹酚-酪蛋白納米粒(CL-NPs),通過枇杷炭疽菌離體實驗,發現CL-NPs的完全抑菌時間長達5 d之久,高于香芹酚酪蛋白混合物組的3 d,這是因為香芹酚的緩釋作用,使得抑菌時間得到了延長。②細菌細胞膜的破壞。例如，畢振飛等[4]將多種藥用植物的抗菌成分混合，制備了天然植物抗菌液PAMs。通過觀察PAMs處理后金黃色葡萄球菌的微觀結構，發現部分菌體皺縮變形，細胞膜破裂。而造成這一現象的原因是細胞膜表面吸附有大量的PAMs,隨著作用時間的延長,細胞膜受到破環,細菌死亡,從而達到抑菌、殺菌的作用。如圖1所示。

(a) 處理前(×20 000) (b) 處理前(×50 000)

(c) 處理后(×20 000) (d) 處理后(×50 000)

1.1.2 動物源抗菌材料 動物源抗菌材料來源廣泛,可以來自動物的體內,如多肽、氨基酸，也可以來自動物的甲殼,如殼聚糖。當前的研究集中于殼聚糖,其抗菌機理主要有:①靜電作用使細菌細胞壁受到破壞。例如，汪涵等[5]用共沉淀法制備了磁性殼聚糖顆粒,發現隨著磁性殼聚糖中殼聚糖含量的增加，殼聚糖產生的帶正電—NH3+含量同時增加,可以更多地附著在細菌細胞壁上。由于靜電作用,二者緊密結合在一起,細胞壁與—NH3+長時間的結合影響了細胞壁功能的正常運作,最終抑制了細菌的發育。②破壞細胞內的遺傳物質。杜欣辰等[6]基于貽貝仿生化學，制備疏水性殼聚糖/銀納米粒子復合支架結構。由于鄰苯二酚基團使細胞膜滲透性發生改變,該復合結構對細菌產生抑制作用。殼聚糖分子進入細胞內與細胞中的陰離子物質結合,使DNA合成和轉錄受到影響,細菌失活。

1.1.3 微生物源抗菌材料 微生物源抗菌材料主要指利用微生物中提取的抗菌物質所制備的抗菌肽,以及由微生物的衍生物制備的抗生素。目前最常使用的是抗生素,可以通過提取和化學合成的方法制備,而研究較多的是抗菌肽。抗菌肽具有殺菌范圍廣、高效、穩定、無毒害,最重要的是分子量小,可以進入細胞膜內,且具有與細菌作用不易產生耐藥性的特點。抗菌機理主要有:①與組成細胞壁的某些成分結合,使細胞壁失去原有的功能;②進入細胞膜內,使細胞膜內外的濃度差發生改變[7];③細胞膜內的離子、蛋白質由于細胞膜上的孔洞流出到細胞外,使細胞失去活性[8]。

1.2 無機抗菌材料

無機抗菌材料很早就被使用,如古代的銀筷、銅酒杯,這些具有抗菌效果的金屬就是最早的無機抗菌材料。近年來研究的無機抗菌材料可以細分為3類：將帶有抗菌功能的金屬離子與無機載體合成的無機抗菌材料、在有光源條件下可以產生抗菌物質的金屬氧化物以及金屬有機骨架化合物(MOFs)抗菌材料。

1.2.1 含金屬離子型抗菌材料 大部分的金屬離子具有抗菌效果,其中銀離子最強,鋅、鐵離子與銀離子相比抗菌效果較弱，因此，研究最多的是銀離子。近年來，銅、鋅、鐵離子也受到了廣泛關注。雖然汞和鉛離子也具有良好的抗菌性,但因為帶有劇毒而很少使用。通過強靜電吸附作用或離子交換法將金屬離子合成到載體上制備抗菌材料,載體的種類很多,比如蒙脫土、二氧化硅等。這些載體與離子之間的吸附作用很強,有利于金屬離子與載體相結合;這些載體價格相對較低,降低了研究成本;這些載體的面積比體積要大得多,可以使更多的金屬離子附著在上面,使抗菌效果得到增強。抗菌機理主要有:①金屬離子進入細胞膜內,導致細菌滲透性發生改變。嚴亞媛等[9]研究以蒙脫土/還原氧化石墨烯為載體，通過負載納米銅制備抗菌材料。在實驗室，這種復合抗菌材料(MMT-rGO-CuNPs)對于常用于檢測抗菌效果的菌株具有良好的抑制效果。檢測細胞內外的離子濃度,發現細胞外的Cu2+濃度較低,Cu2+通過濃度差進入細胞內,阻礙細胞與其他離子的交換從而殺死細菌。②黏附在細菌的細胞壁上,載體可以持久、高效地釋放金屬離子,導致細菌無法與外界進行物質交換,最終達到殺菌的作用。

1.2.2 光催化金屬氧化物型抗菌材料 光催化型抗菌材料是指金屬氧化物 (如常見的ZnO、SiO2、TiO2) 必須在有光照的情況下, 才能具有抗菌效果[10]。 抗菌機理主要是金屬氧化物可以吸收光能, 發生電子躍遷, 生成帶有強氧化還原性的物質。該物質與細菌細胞內的物質發生反應,阻礙了細胞內物質的正常合成, 從而達到抑制細菌生長的作用。 光催化型抗菌材料對大部分細菌具有很強的抑制效果，而且作用條件簡單、 安全,化學性質穩定。

張崇淼等[11]將TiO2與Zn(NO3)2·6H2O在堿性條件下充分混合,并在離心作用下制備了TiO2/ZnO復合材料。該復合材料很好地保留了2種氧化物的結構,并將二者的結構緊密結合在一起,使其光催化效果更加顯著。合成后顆粒尺寸變化不大,而且復合材料的表面出現了細小的片狀結構,增加了與細菌接觸的面積,有利于在光照條件下產生更多的強氧化性物質,通過分解細菌細胞內的有機物從而殺死細菌。材料形貌結構如圖2所示。

(a) TiO2 (b) TiO2/Zn復合材料 (c) TiO2 (d) TiO2/Zn復合材料

毛華明等[12]以SiO2為載體,通過液相浸漬法制備了摻雜鋱元素的ZnO復合無機材料。其中ZnO以六方纖鋅礦結構存在,在SiO2的表面呈絮狀和花瓣狀,比表面積增大,有利于更好地吸收光能,提高了活性氧(ROS)的產量。而鋱的摻雜使ZnO的結晶度下降,產生晶型缺陷,鋅離子溶出,進入細菌細胞內使DNA的合成受到損傷,從而殺死細菌。復合材料形貌結構如圖3所示。

(a) ×1 000 (b) ×10 000

(c) 元素分析

陳一凡等[13]在SiO2溶液中加入不同含量的碳酸丁酯,利用水熱法制備了TiO2/SiO2復合抗菌材料。該復合材料表面粗糙,呈現半導體異質結構,有利于ROS的生成。ROS檢測發現細菌的細胞內出現了大量的熒光,說明ROS進入細胞內,與細胞內呼吸酶反應,抑制了細菌的呼吸功能,使細菌死亡。抗菌機制如圖4所示。

圖 4 TiO2/SiO2復合材料的抗菌機制[13]

1.2.3 金屬-MOFs抗菌材料 金屬離子不僅能與SiO2等無機物復合,而且還可以與有機物復合。通過與MOFs復合制備的抗菌材料對大多數的細菌都具有抑制作用。蒙景茹等以纖維素為載體,通過原位合成法將銀離子有機骨架物附著在纖維素上,制備成Ag-MOFs/CFs復合抗菌材料,制備反應機理如圖5所示。測量溶液中的銀離子質量濃度,發現銀離子濃度隨著時間的延長而增加,可達500 mg/L左右。該復合材料通過不斷釋放銀離子,使銀離子濃度始終維持在較高水平，從而達到殺死大腸桿菌的目的。

張美云等[15]制備了Cu2O/MCC復合材料,通過原位沉積,將該復合材料沉積在MOFs上,制成了具有良好抗菌效果的三元復合材料。這種三元復合材料會對大腸桿菌的生長產生影響,通過抑制大腸桿菌的呼吸系統實現抗菌。

圖 5 Ag-MOFs/CFs復合材料制備反應機理[14]

1.3 有機抗菌材料

有機抗菌材料分子結構各不相同,分子量也有高有低。研究最多的是季銨鹽類,目前對于多酚類、咪唑類、有機酸類等其他有機抗菌材料的研究也較多。有機抗菌材料不僅能殺死大多數的細菌,而且具有作用效果強、殺菌作用迅速等優點，得到廣泛使用[16]。但有機材料受熱會分解,并產生有毒性的物質,危害生命健康。根據抗菌材料分子量，對其進一步分類[17]。

低分子有機抗菌材料由于分子量較小，研究時間長(如季銨鹽類、吡啶類、胍類等)，制備簡單而受到廣泛使用，但缺點是毒性較大，在早期的使用過程中產生了大量的耐藥菌。

為了解決上述問題，通過對分子量低的有機物進行接枝、聚合、表面修飾等，形成高分子有機抗菌材料。抗菌機理為：①對細菌細胞膜破環。聶建芳等[18]研究以帶負電的生物碳渣材料(ACPs)為基體與帶正電的聚六亞甲基雙胍(PHMB)通過水熱合成法相結合，制備的復合抗菌材料在白色念珠菌實驗中產生較大的抑菌圈，這是由于ACPs與PHMB所帶電荷的不同，使二者很好地結合在一起。ACPs表面帶有大量的芳環結構及羧基，使其具有兩親性，能夠均勻地分散在不同極性溶液中，有利于PHMB的緩慢釋放，PHMB釋放的胍基與氫離子結合后帶正電，與細菌細胞膜相互吸引，結合在細胞膜上，影響物質的運輸，從而達到抑菌的目的。林越威等[19]通過將季鏻鹽(QPS)接枝到聚乙烯醇(PVA)上來制備抗菌材料。PVA本身不具有抗菌性，通過接枝QPS使其對大腸桿菌具有抑制作用，QPS分子鏈帶正電性，與細胞膜所帶電性相反。由于異性相吸作用，可以更好聚集在細胞表面，使細菌無法和外界進行物質交換而死亡。②協同抗菌作用。馬占芳等[20]利用化學還原法制備了殼聚糖季銨鹽表面修飾納米銀(QCS/nAg)復合抗菌材料，該抗菌材料不僅表面帶有正電性，而且在抑菌實驗中，對細菌產生了較大的抑菌圈。這是因為納米銀與QCS的協同抗菌作用，一方面納米銀溶出，破壞了細胞的呼吸鏈，降低了細胞的活性，另一方面季銨鹽陽離子會被細菌的細胞壁吸引，黏附在細菌細胞壁上，破壞細胞壁功能的正常運作，使細胞內的蛋白質和離子流出，細菌死亡。高黨鴿等[21]通過原位法制備季銨鹽聚合物與納米ZnO的復合抗菌材料，對常見的實驗菌株具有抑制作用。其抗菌機理主要是ZnO與N+協同抗菌效果。一方面季銨鹽中N+通過靜電作用吸附在帶負電細菌細胞壁上，使細胞壁的功能受到影響；另一方面Zn2+可以穿過細菌的細胞膜與其體內的蛋白酶反應，導致蛋白酶的含量降低，參與生理反應的蛋白質含量減少，最后使白色念珠菌逐漸失去活性。

1.4 新型抗菌材料

上述抗菌材料均為傳統抗菌材料,隨著對抗菌材料機理研究的不斷深入,出現了許多新型抗菌材料,彌補了傳統抗菌材料的缺點,應用領域更加廣泛。

1.4.1 稀土抗菌材料 稀土材料因特殊的外電層結構使其具有不同的物理、化學性能,因而被廣泛用于抗菌、發光、成像等領域[22]。材料中的稀土可以通過與其他金屬氧化物摻雜以提高抗菌效果,還可以通過與有機物配合制備抗菌材料。毛華明等[23]在帶有Cu2+的硅膠中加入鋱離子，制備出對大腸桿菌具有抑制效果的Cu2+/Tb2O3抗菌硅膠。鋱離子的摻雜使硅膠能負載更多的銅離子,晶體表面變得復雜、多孔,在抗菌實驗中能促進更多銅離子的流出,進入細胞內破壞細胞的呼吸酶和蛋白質,使細菌失去活性。其抗菌機理如圖6所示。

圖 6 Cu2+/Tb2O抗菌硅膠抗菌機理[23]

郭韻恬等[24]制備了摻雜稀土鑭的復合包裝薄膜。摻雜稀土鑭使TiO2的晶層更加緊密,抗菌性能提高，對草莓等水果的保鮮有良好的促進作用。

1.4.2 石墨烯抗菌材料 石墨烯不僅具有良好的物理、化學性能,而且被發現具有一定的抗菌效果,通過與金屬復合還可以提高其抗菌性能。姜國飛等[25]以還原氧化石墨烯為載體,將Cu與ZnO復合制成的納米級顆粒附著在石墨烯上,制備出具有抗菌功能的復合抗菌材料。材料中的還原氧化石墨烯會對大腸桿菌的細胞膜造成損傷,導致細胞內的物質不受大腸桿菌的控制而流出,最后使大腸桿菌死亡。蔣佳佳等[26]通過原位法制成的氧化石墨烯抗菌材料，在抑菌實驗中隨著銀離子濃度的提高,大腸桿菌的菌落數減少。這是由于該抗菌材料會使細胞膜的滲透性發生改變,細胞膜內的物質由于濃度差流到細胞體外,使細菌失去活性。

2 抗菌材料的應用

在物質水平、精神文化水平不斷提高的今天,人們對健康問題的關注度也在逐漸上升,而細菌、病毒一直對人們的生命健康產生威脅。為了保障生命健康安全,人們研發了各種各樣的抗菌材料,并將抗菌材料應用在各個不同的領域,如抗菌紡織品、抗菌塑料、傷口敷料、抗菌陶瓷、抗菌涂料以及廢水處理等。

2.1 抗菌紡織品

日常生活中人們接觸最多的就是紡織品,所以對紡織品進行抗菌處理是十分有必要的。為了使抗菌物質更好地與紡織品結合,使抗菌效果持久穩定,研究人員采用微膠囊技術。鄭云龍等[27]將殼聚糖-明膠與植物提取物相結合制備了復合抗菌材料。為了使該材料可以更好地依附于棉織物上,使用了微膠囊技術。微膠囊整理后的棉織物對細菌的抑制效果更加明顯,抑制時間也更長。尤其是經過了20次水洗后,對大腸桿菌的抑菌率仍然大于70%,說明抗菌微膠囊整理劑可賦予純棉織物良好、持久的抗菌性能。王亞等[28]以乳化交聯法制備了艾蒿油-殼聚糖抗菌微膠囊,制成的微膠囊分散性好,可均勻地將抗菌物質整理到非織造布上。通過對非織造布進行抑菌實驗,計算菌落數,證明了該復合抗菌材料對測試菌株有很高的抑菌率,是一種良好的抗菌劑。

2.2 抗菌塑料

抗菌塑料制品主要指日用品、建筑材料、食品包裝材料等。傳統的塑料制品在自然條件下不易降解,且降解后的產物有毒,與綠色環保的理念相違背。Zahan等[29]將木醋桿菌0416合成的天然聚合物與月桂酸復合,制備了可生物降解的抗菌包裝材料。該包裝材料對枯草芽孢桿菌的活性有很好的抑制作用,在自然條件下被芽孢桿菌和根霉屬分解,不生成有害物質。Karimi等[30]研究在谷氨酸中添加不同含量的賴氨酸制備復合抗菌包裝膜,該復合抗菌膜不僅對大腸桿菌有良好的抑制作用,而且不會對益生菌產生影響,可以作為益生菌的載體,并用于食物的抗菌包裝。

2.3 傷口敷料

人們受傷后傷口很容易被感染,要求傷口敷料應具有較好的生物相容性以避免傷口進一步發炎,同時還應具有一定的殺菌效果,防止傷口進一步惡化。Vijayakumar等[31]采用具有良好生物相容性的殼聚糖包覆納米銀粒子制備抗菌傷口敷料。制成的殼聚糖-納米銀(Ch-AgNPs)復合材料，不僅對綠膿桿菌有著強烈的抑制作用,而且對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌也表現出很強的抑制作用。這種傷口敷料可以減緩傷口周圍細菌的繁殖,加速傷口愈合,而且合成的Ch-AgNPs不會對人體產生危害,說明該復合抗菌材料的生物相容性沒有發生改變。Andrea等[32]將殼聚糖與含有兒茶酚基團的咖啡酸進行功能化整理,制備了鄰苯二酚功能化殼聚糖(CS-HCAF)。該聚合物具有良好的生物相容性和抗氧化性,對表皮葡萄球菌具有良好的抑制作用,對于傷口的愈合有很好的幫助。

2.4 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是通過物理、化學等手段使陶瓷帶有抗菌效果，主要有涂抹、浸漬和混合燒結等方法。其中涂抹和浸漬只是使抗菌材料黏附在陶瓷表面,使其具有抗菌性,但抗菌性不能長久,而且在使用過程中抗菌材料容易流出,影響人類健康。李倩[33]將具有多孔結構的硅藻土與納米銀復合,通過浸漬-燒結法制備了含有大量納米銀的復合抗菌陶瓷。該抗菌陶瓷可以抑制細菌的活性,對真菌的生長也起抑制作用。硅藻土過濾效率很高,與納米銀結合使其具有更高的抗菌功能。納米銀發揮著緩釋殺菌的作用,且陶瓷中溶出的納米銀含量遠遠低于國家標準,不會對人體產生危害。該抗菌陶瓷經水中浸泡270 d后,仍有少量納米銀附著在陶瓷表面,抗菌效果持久。王祖華等[34]將羥基磷灰石中的Ca2+與Ag+交換制備出了載銀羥基磷灰石粉體,對實驗菌株表現出了強烈的抑制作用。該粉體經酸、堿浸泡6個月后,仍然對細菌表現了一定的抗菌性能。原因是Ag+不是簡單地附著在陶瓷表面,而是進入到了陶瓷內部,隨著酸、堿對陶瓷的腐蝕,Ag+緩慢釋放并繼續發揮著殺菌作用。

2.5 抗菌涂料

抗菌涂料主要用于墻面、頂棚等建筑物表面,通過添加抗菌材料使涂料具有防止霉變、抑制細菌生長的作用。梁光容等[35]為了使水性氟碳漆具有良好的抗菌效果,通過添加少量的二氧化鈰賦予其抗菌功能。改性后的涂料不僅會抑制細菌和真菌菌落的形成,而且使涂料的耐老化性能從2 920 h提高到了3 665 h,極大的提升了涂料的性能。Liu等[36]為了減少能源的消耗,制成了一種具有抗菌和熱致變色的雙功能涂料。這種復合抗菌涂料通過與細菌接觸殺死細菌,復合材料中的N,N-二甲基-N-{2-[(2-甲基丙烯-2-烯醇基)氧基]乙基}十一烷-1-溴化胺(dMEMUABr)帶有正電荷,隨著離子間的吸附作用慢慢聚集到細胞壁上,阻礙了大腸桿菌與外界進行物質交換。同時,較小的季銨化合物(QACs)會進入細胞內,影響細胞內物質的運輸，最終使細菌失活。抗菌機理如圖7所示。

圖 7 合成的VO2/聚(MMA-co-dMEMUABr)雙功能涂層殺滅細菌原理圖[36]

Zhou等[37]制備了低成本和生態友好的Ca/P/Al復合涂層。該抗菌涂層由于細胞內外ROS的協同作用,不僅破壞了大腸桿菌的細胞壁,而且與細胞內的酶反應,抑制了細胞的呼吸作用,導致細菌失活。

2.6 廢水處理

某些工業和醫療領域會產生大量廢水，不經處理直接排放的廢水會對河流、土地和生物產生巨大的危害,處理廢水并回收利用是節約用水的關鍵[38]。 Liu等[39]以季銨鹽為載體，通過聚合法制備了復合聚酰胺-二甲基二烯丙基氯化銨反滲透膜(PA-g-Dadmac RO)。這種復合膜由于具有季銨鹽,表面光滑且具有親水性,對細菌有很強的殺滅能力。復合膜中的二甲基二烯丙基氯化銨(DADMAC)可以有效地分離有機物和無機鹽,且經過20 d的錯流過濾實驗,復合膜仍然具有穩定的性能。Wang等[40]以PAN為基體，通過無針靜電紡絲制備了PAN/Ag/TiO2納米纖維。由于銀離子本身就具有抗菌性能,與TiO2結合,提高了納米纖維的抗菌性能,在光催化條件下生成的ROS對有機染料的分解效率高達90%以上。光催化降解示意圖如圖8所示。

圖 8 光催化降解機理示意圖[40]

3 結 語

如今,抗菌材料已經被運用到了眾多領域,充當著越來越重要的角色。研究人員在選擇抗菌材料時,開始注重選擇新型、綠色、無毒且生物相容性好的物質。這樣一來，當抗菌材料與人體接觸并作用于人體時,不會對人體產生危害,同時兼具一定的可降解能力,可以減少自然環境的負擔。目前常用的抗菌材料普遍具有優良的抗菌效果和廣泛的殺菌性,對不同的細菌、微生物均有一定的抑制作用。但是,隨著新型抗菌機理的出現和對原有抗菌機理研究的不斷深入,未來一定會出現只針對某種細菌或病毒的抗菌材料,以減少使用過程中耐藥菌的產生。現有的研究中出現了無機與無機復合、無機與有機復合、有機與有機復合的抗菌材料,這些抗菌材料在使用過程中發揮著一加一大于二的協同抗菌作用,對細菌活性的抑制作用得到增強。未來或許會出現3種、4種甚至更多種物質復合的抗菌材料,在增強抗菌性能的同時,也提高了抗菌材料的物理、化學性能。隨著復合物質的增加,如何簡化抗菌材料的合成工序,降低抗菌材料的成本,制備功能多樣化的抗菌材料，將在未來受到更加廣泛的關注。