金屬抗菌機理的研究進展

孫曉萱，高建新，李 杭，李運剛

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

0 引 言

現代生活中，人們不得不時刻面臨著微生物的困擾，盡管人們可以通過微生物的有益性進行釀造、細菌發電等，但是其有害性更是時刻威脅著人類的健康。據世界衛生組織統計數字表明：1995年由于細菌感染造成的死亡人數為1 700萬人，2003年的SARS病毒、2004年在日本、韓國出現的禽流感、在歐洲出現的“瘋牛病”[1-2]以及2020年在湖北武漢剛剛爆發的新型冠狀病毒給全球帶來了恐慌，也帶來了嚴重的經濟負面影響。抑制和消滅有害細菌成為了重要的研究課題，具有廣闊的應用前景和指導意義。抗菌材料是具備殺死或抑制有害細菌能力的功能材料，它是受加入抗菌劑的影響。抗菌劑可分為無機抗菌劑、有機抗菌劑和天然抗菌劑三種類型。由于有機抗菌劑具有耐熱性差、毒性大以及易產生耐藥性等問題，一直得不到人們的重視。天然抗菌劑因來源有限也得不到廣泛的應用。無機抗菌劑主要是金屬類抗菌劑，由于金屬抗菌具有廣譜抗菌且抗菌性能優良、不產生耐藥性的特點而受到人們的青睞，并成為目前研究的主要方向。抗菌不銹鋼就是指在不銹鋼材料當中添加抗菌金屬元素并進行一定的工藝處理，使其具備抗菌的能力。它具有良好的耐磨、耐蝕、抗菌及力學性能，可以應用于食品餐具，醫療器械等各行各業，具有較高的經濟價值。目前醫學的研究方向為靶向性研究，即研究材料為目的性服務，只有更好的了解金屬的抗菌機理，我們才能正確的選擇抗菌材料。

1 國內外抗菌金屬的研究進展

金屬離子對細菌具有良好的抑制和殺滅效果，并且有些金屬離子對人體不會有其他的危害性。普遍認為金屬離子抗菌性的優良排序：Ag+>Co2+≥Ni2+≥Al3+≥Zn2+≥Cu3+=Fe3+>Mn2+≥Sn2+≥Ba2+≥Mg2+≥Ca2+[3-4]。從生物學性能角度分析，有些金屬生物性能良好，對人體有很好的兼容性，人體對這些元素形成的合金并不排斥，對身體亦無害處，但其并不具備抗菌的能力，比如鈷基金，鈦基金，這些金屬都是用于替代人體骨骼的金屬元素，在醫療器具層面有較廣泛的應用，目前有團隊在研制含有抗菌元素的鈷基金和鈦基金，并準備在醫學領域進行實踐實驗[5-6]。還有一些金屬雖然抗菌能力較強，但毒性較大比如汞。汞有較大的毒性，雖然能夠殺死細菌，但對人體的傷害也比較大，并不適合用于生活中。

抗菌金屬的使用已有悠久的歷史，在很早之前人們已經懂得使用金屬制作的器具更加安全，比如使用銅制作的器皿，用銀制作筷子等等。20世紀90年代，日本首次研制出具有抗菌性的鐵素體、奧氏體和馬氏體系的抗菌不銹鋼。它是在傳統鋼的基礎上添加了0.5%～1.0% Cu，再經特殊熱處理，使Cu離子溶出并均勻分布在不銹鋼內部及表面，其抗菌效果顯著。隨后，日本川崎公司研發了向不銹鋼中添加銀的方法，成功生產了含銀抗菌不銹鋼，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有優良的抗菌效果。其化學成分如表1所示[7-8]。

表1 日本川崎含銀抗菌不銹鋼的化學成分

雖然我國對抗菌金屬的研究起步較晚，但在抗菌不銹鋼的研發應用上發展迅猛，近年來，隨著研究的不斷深入，在金屬抗菌領域也取得了重大的突破。

中國科學院金屬研究所采用真空感應爐成功冶煉含銅抗菌不銹鋼，以0Cr18Ni9和0Cr17不銹鋼為基體，分別添加3.8%和1.8%的銅，采用覆膜法評估了抗菌不銹鋼的殺菌能力，研究結果表明，抗菌不銹鋼對革蘭氏陰性菌的殺滅作用會更大，其殺菌率在99.9%以上[9]。

向紅亮[10]等對含Ag的抗菌雙相不銹鋼進行了研究，通過添加純Ag和Cu-Ag合金的方法，采用中頻感應爐進行熔煉制備，對金黃色葡萄球菌的抗菌率達到99%以上。抗菌不銹鋼的化學成分如表2所示。

表2 抗菌雙相不銹鋼的化學成分

隨著研究的不斷深入，抗菌不銹鋼逐漸應用到各行各業當中。由于不同的抗菌材料對細菌的抗菌性能和抑菌范圍都不同，因此，想要開發出有針對性的、高效的抗菌材料，對金屬抗菌機理的研究十分重要。

2 金屬元素抗菌材料的抗菌機理

每一種抗菌金屬元素都有其特殊的抗菌機理，有的甚至同時兼有多種抗菌機理，在不同的環境影響下，選擇相應的方式來抑菌。本文綜述了離子型、降解型、替代型以及氧化型幾種常見的金屬抗菌機理，對此方向的發展做了鋪墊。

2.1 離子型抗菌

離子型抗菌是目前研究較多，并且應用比較廣泛的一類抗菌形式， 它可以通過正負電荷相互吸引與細菌緊密接觸，也可以通過離子溶出進入細菌細胞內等多種方式進行殺菌，銅和銀是應用較為廣泛的抗菌金屬，屬于典型的離子型抗菌。

2.1.1 銅的抗菌機理

陳四紅[11]等在鐵素體和奧氏體不銹鋼中分別加入了1.8%～2.0%和3.0%～3.6%Cu，抗菌處理后制成40mm的板材進行試驗，結果顯示出優異的抗菌性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均在99.0%以上。并根據已有的實驗結果，對銅的抗菌機理做了幾種假設[12-18]：

(1)利用電場吸附的作用進行殺菌。含銅抗菌不銹鋼在冶煉過程中通過抗菌熱處理，使Cu離子均勻分布在不銹鋼內部及表面，當與細菌接觸時，帶正電荷的銅離子與帶負電荷的細菌細胞壁和細胞膜在異性電荷相互吸引的作用下緊緊吸附在一起，使細菌的活動受到了約束，呼吸受到了阻礙，生存環境也發生了改變，阻礙了細菌的生長，最終導致死亡。

(2)直接殺菌。與細菌接觸時，銅離子穿透細菌的細胞壁和細胞膜進入細胞內部，與細菌蛋白質的巰基發生反應，從而使得細菌的蛋白質凝固，酶失去活性，DNA合成受到約束，進而使其喪失增殖能力，此外，蛋白質凝固還影響細菌內部物質傳輸和電子傳輸，最終起到殺菌的作用。

(3)破壞酶系統殺菌。銅離子與細菌接觸時還可以破壞細菌細胞內部酶運輸系統，使得細菌固有成分喪失活性進一步引起功能紊亂，導致菌體繁殖能力下降或新陳代謝受到阻礙，從而造成細菌的死亡。

(4)催化作用殺菌。不銹鋼表面的銅離子可以起到催化作用，它能夠吸收周圍環境中的能量并與氧反應生成·OH和O2-，·OH和O2-可以讓細菌的增殖能力下降，進而達到抑菌的效果。

雖然含銅抗菌不銹鋼具有較高的殺菌率，但在制備過程中，需要經過較長時間的抗菌熱處理，待析出足夠的富Cu相時才會顯示出抗菌的特性。銅離子溶出機理如圖1所示。

圖1 抗菌不銹鋼銅離子析出機理Fig 1 Copper ion precipitation mechanism of antibacterial stainless steel

2.1.2 銀的抗菌機理

與銅相比，銀的抗菌性要高出許多，添加少量的銀就可以大大提高不銹鋼的抗菌性能，并且加入銀對不銹鋼的加工性能和力學性能基本沒有影響。軒陽[19]對含銀不銹鋼中富銀相的析出行為進行了研究，在304奧氏體不銹鋼中添加了0.27%Ag，經抗菌熱處理后，通過光學顯微鏡和X射線衍射儀對其進行了觀察，結果得到了優異的抗菌效果。銀離子抗菌劑作用機理有以下幾個方面[20-22]：

(1)阻礙細胞壁的合成。肽聚糖是細菌細胞壁重要組分，銀離子對細胞壁的合成有阻礙作用，主要抑制多糖鏈與四肽之間的連接，從而使細胞壁喪失了完整性，滲透壓的保護作用減退，最終由于菌體損傷而死亡。

(2)對細胞膜造成損傷。細胞膜是細菌細胞生命活動結構和功能的基本單位，起著重要作用。因此，若細胞膜受到損傷、破裂，將直接導致細菌的死亡。

(3)對蛋白質的合成有著抑制作用。干擾DNA的正常生物合成過程，使合成的核酸失去功能。

目前，含銀抗菌材料仍存在一些問題，由于銀的晶格結構與金屬相差較大，不管采用何種方式添加都很難將其固溶到基體中，進而導致晶界偏析，分布不均[23]。

2.2 降解型抗菌

隨著研究的不斷深入，純鎂及鎂合金也逐步走入了研究者的視線，Robinson[24]等證實了鎂對細菌存在殺滅作用，并且認為其抗菌環境似乎為堿性。此外，中國科學院金屬研究在動物實驗中對鎂基金屬的殺菌作用作了進一步的研究，證實了鎂基金屬的殺菌不同于銅銀和鋅，它不是依靠離子的作用，鎂基金屬殺菌是因為在人體或環境中進行自身降解，降解過程中影響了整個環境，使得環境堿度大幅提升，即PH值大幅增大，影響細菌生長環境，從而達到殺菌的作用[25-26]。

可降解鎂因其良好的抗菌性能，已逐漸應用到外科手術中，但由于降解速度過快可能會導致細菌感染，并且對生物相容性有不利影響，限制了其在臨床上的發展[27]。

2.3 替代型抗菌

所謂替代型抗菌是基于金屬離子結構的相似性，細菌對抗菌元素和自身必需的營養元素發生混淆，致使抗菌元素進入細菌細胞內替代了營養元素，損傷了蛋白質和酶，改變了細菌的生存環境，從而顯示出殺菌的效果。

2.3.1 鎵的抗菌機理

呂毅華[28]等在研究金屬抗菌時認為金屬鎵也具有抗菌性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有較好的抗菌效果。其中大腸桿菌更容易被鎵元素損傷，可能是因為革蘭氏陽性菌的細胞壁較厚，鎵離子進入細胞內的通道受阻，抗菌效果稍差。并且鎵離子已通過FDA認證，具有安全性，可應用于臨床。

馬超[29]對鎵離子的抗菌機理進行了研究，采用硝酸鎵為實驗對象，將銅綠假單胞菌與鐵離子、鎵離子置于培養皿中，檢測菌體中鐵離子含量的變化，發現隨著鎵離子濃度的增大，菌體中鐵離子含量越來越少，證實了鎵的抗菌機理：鐵元素能給細菌提供營養，也是參與代謝關鍵酶的重要組成部分，鐵能加劇病原菌的感染狀況。細菌若離開了鐵元素的支持，其生長繁殖將會受到阻礙。由于鎵離子和鐵離子的離子半徑極為相似，使生物體不能準確的判斷出鎵和鐵，外源性的鎵進入細胞內代替鐵參與必要的蛋白質和酶而干擾鐵代謝，對細菌細胞造成多種不利影響，從而起到殺菌的作用。

鎵可用于臨床，但值得注意的是，長時間使用鎵會影響宿主的免疫系統。并且鎵在發揮抗菌作用時，對周圍的環境要求很高，培養基成分、鐵含量和PH等都會影響實驗結果。

2.3.2 鈰的抗菌機理

敬和民[30]等在00Cr18Ni9不銹鋼的基礎上添加了0～5%鈰元素，采用真空感應爐煉制了含鈰抗菌不銹鋼，并對鈰的添加量進行了分析，結果表明在不銹鋼中添加0.11%含量的鈰便可取得優異的抗菌性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率達到了98.9%。此外內蒙古科技大學也在做此研究，均證實了金屬鈰的抗菌性能，并對抗菌機理進行了探討，認為鈰在離子狀態下，與細菌結合，替代細菌里的鈣，從而破壞了細菌的結構，最終達到殺死細菌的目的[31-33]。

含鈰抗菌不銹鋼在制備時不用經過時效處理就可以獲得良好的抗菌性能，工藝手段較為簡便。但稀土鈰在低濃度時反而會刺激細菌的生長，濃度過高時可能會損壞不銹鋼的其他性能，在用量上值得深入研究。

2.4 氧化型抗菌

有些金屬本身不具備抗菌性能或是抗菌能力稍差，但其金屬氧化物在特定的環境下卻擁有較強的抗菌能力，比如氧化鋅、氧化鈦等，在光照的條件下會發生一系列化學反應，從而達到殺菌的目的。

2.4.1 氧化鈦的抗菌機理

遲廣俊[34]對氧化鈦的抗菌機理做了研究，用電沉積的方法，以SUS304不銹鋼為基體，制備了Ni/TiO2抗菌復合鍍層，通過添加不同含量的TiO2做出了對比試驗。實驗結果表明，無論有無光照，SUS304不銹鋼均無抗菌能力，Ni鍍層在光照前后也沒有明顯的抗菌行為，而Ni/TiO2在光照后顯示出極高的抗菌率，尤其是當TiO2含量達到21.98%時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均大于95%。基本可以確認氧化鈦是利用光催化機理進行殺菌的。氧化鈦被一定能量的光子激發時分別產生電子(e-)和空穴(h+)。電子(e-)與空氣中的氧原子反應生成超氧離子自由基(-O2-)，空穴(h+)與水分子經過離子反應之后生成羥基自由基(-OH)。自由基能夠與構成為生物機體的有機物發生反應將其直接氧化成CO2,H2O等無機物，改變有機物的原有狀態和性質，從而阻礙了微生物細胞的繁殖，抑制了細菌的滋生，起到了抗菌和殺菌的作用[35]。

綜上所述，氧化鈦抗菌具有諸多優點，但也有不足之處，主要就是在無光的條件下無法發揮其抗菌作用，并且在弱光環境中，抗菌能力較差。二氧化鈦電子、空穴的產生如圖2所示。

圖2 光照條件下二氧化鈦電子、空穴的產生Fig 2 Generation of titanium dioxide electrons and holes under illumination conditions

2.4.2 氧化鋅的抗菌機理

段惺[36]在對氧化鋅的抗菌性能進行檢測時，稱取0.1 g氧化鋅粉末制成10 mm的圓形試樣放在培養皿中，滴入108 cfu/mL菌懸液，在有無光照兩種環境中進行觀察。結果表明，在無光條件下，氧化鋅對大腸桿菌的抑菌圈直徑為2.87，光照條件下為5.20，氧化鋅光照條件下的抗菌性能明顯比無光照時要好。結合實驗結果認為氧化鋅的抗菌機理主要是由于氧化鋅在受光子激發時，會產生許多強氧化物質，這些物質會與細菌發生一系列氧化還原反應，殺死細菌。

此外，關于氧化鋅是否存在有毒性的問題，還沒有統一的論證，有待進一步的研究，解決安全性的問題，氧化鋅將有更好的發展前景[37]。

3 金屬抗菌材料存在的問題

(1)目前大部分實驗都集中在單一金屬進行抗菌的研究，其抗菌能力還有待提高。改進方法：同時添加多種抗菌金屬元素。張寒霜[20]研究了同時添加銅和銀的不銹鋼的抗菌性能，結果表明，銅作為載體協助銀穿過鈍化膜，二者配合可顯著提高抗菌率，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均在99%以上。

(2)金屬離子(如銅、銀等)在發揮抗菌作用時析出速度過快，會大大縮短抗菌材料的使用壽命，控制析出速度尤為重要，緩釋技術作為一種新興技術可有效解決這個問題。俞波[38]對抗菌沸石的制備進行了研究，以13X沸石作為載體，分別載入銅、銀、鋅3種金屬離子，將沸石置于水中浸泡，直到第40次換水時，Ag+、Cu2+、Zn2+濃度仍然保持在0.01～0.08 ppm之間，證實了抗菌沸石可長時間緩慢釋放金屬離子，達到長期抗菌的效果。

(3)金屬離子化學性質不穩定，容易產生變色、抗菌性能變差等問題，比如銀。改進方法：控制載體微孔尺寸或使用可與金屬離子形成穩定螯合物的材料可以使銀離子更加穩定而減少變色的機會[39]。

(4)隨著人們思想水平的提高，環境保護受到很大的重視，金屬抗菌劑的使用殘留對環境的影響不容小覷。

隨著研究的不斷深入，金屬離子抗菌劑在應用中出現的這些問題定會得到改善，從而不斷提高人們的生活質量和衛生水平。

4 結 語

對于抗菌金屬材料的發展，一方面是向普適性的廣泛抗菌經濟型材料的發展，另一方面，從醫學的思考角度，是進行“多靶點毒素”的研究，對病毒非常具有針對性，作為醫用材料的抗菌產品，精準型有針對性的特殊材料的研究也將是抗菌材料的相對重要的發展方向。由于抗菌材料的研究時間尚短，還沒有在此方向上進行研究，本篇論文對抗菌材料機理進行了總結。

目前，離子型抗菌是應用最為廣泛的抗菌形式，相比容易造成細菌感染的降解型抗菌和有局限性的氧化型抗菌，有著更好的發展前景。銅、銀屬于典型的離子型抗菌，并有著多種抗菌方式，但具體是哪種抗菌方式占據主導位置還需進一步的研究。此外，一些稀土元素通過替代相似結構的金屬元素也展現了良好的抗菌性能，但在發揮其抗菌作用的同時，是否會對環境造成污染以及是否讓細菌產生耐藥性等一系列的問題還尚未解決。隨著研究的不斷深入，可以預見，有更多的抗菌元素將被挖掘出來。降低材料成本，提高抗菌性能，擴大材料的應用范圍等一系列的問題是今后需要努力研究的課題。