當細菌遭遇納米材料

薛斌

在我們生活的世界上，細菌無處不在。大多數細菌都是可以與我們和平共處的，但也有一小部分致病細菌，比如大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、綠膿桿菌、沙門氏菌和肉毒桿菌等，嚴重威脅著人類的健康。近年來印度、日本等國家出現的多種抗生素都無法殺死的“超級細菌”，如同在提醒我們，細菌并沒有繳械投降。值得慶幸的是，納米材料的出現為人類與細菌的新較量帶來了希望。

既古老又年輕的納米材料

納米是長度計量單位，1納米是十億分之一米，1根頭發的直徑約為6萬納米。在三維空間里至少有一個維度處在1～100納米范圍內的材料，或者由這一類材料作為基本單元組裝而成的材料稱之為納米材料，也被叫作超微顆粒材料。

納米材料是一類古老而新型的材料，說它古老是因為人類歷史上很早就在使用納米材料，比如中國古代制墨時，多用松木燒出煙灰作原料，而墨的松煙就是零維的碳納米顆粒;說它新是因為科學家們正在用各種先進的新技術制造納米材料，并且發現了它的許多奇特性質和應用價值。

根據納米材料的形狀特征，可以把它劃分為零維、一維、二維和三維等四類。

零維納米材料包括量子點、納米球等，金（Au）納米粒子便屬于這個范疇。一維納米材料包括納米棒、納米管等，典型的例子有碳納米管。二維納米材料包括納米片，典型的例子是石墨烯。三維納米材料通常是由以上低維納米材料作為構筑單元組裝而成，包括海膽形、花球形等，構成貝殼的碳酸鈣就屬于三維納米材料。

零維納米材料——納米球一維納米材料——納米棒二維納米材料——納米片花球形的三維納米材料

納米抗菌材料大盤點

納米材料由于尺寸極小，產生了許多傳統材料并不具備的物理和化學特性，這些特性賦予了納米材料抗菌的功能。又由于納米抗菌材料可以同時作用于多個細胞靶點，讓細菌短時間內不會產生顯著的突變，從而降低了細菌獲得耐藥性的機會，體現出了納米抗菌材料的優越性。

那么納米抗菌材料是怎樣工作的呢？原來，納米抗菌材料有許多鋒利的棱角和邊緣，就像一把把“納米刀”，一旦細菌與之接觸，就會被刺破細胞膜，造成內容物流出，進而被殺死。自然界中，蟬翼表面就存在納米棒狀陣列結構，這些納米棒就像排列整齊的鋼針一樣，對附著在上邊的細菌有很好的殺滅效果。

納米抗菌材料與細菌接觸后會誘導其細胞產生氧化應激反應，從而使細菌的細胞結構和脂質、蛋白質和DNA等成分被氧化破壞。有些情況下納米抗菌材料也會使細菌細胞內部產生超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫和單線態分子氧等活性氧物種，這些物質的過度累積會造成細菌細胞的凋亡。

納米材料還存在光熱效應，即擁有把光轉化為熱的能力。例如金（Au）納米顆粒和硫化鉬（MoS?）納米片就可以吸收對人體組織具有較好穿透性的近紅外光，產生的熱可以殺滅體內的細菌以及腫瘤細胞，因此這些納米材料又被稱為“光熱抗菌劑”。

半導體材料的光催化作用也是殺菌的重要途徑。經常出現在防曬霜中的二氧化鈦，治療皮炎的藥膏里含有的氧化鋅，就是典型的金屬氧化物半導體材料。納米尺寸的二氧化鈦和氧化鋅被紫外光激發后，產生的光生電子和空穴可以與水或氧氣分子結合產生具有強氧化性的活性氧物種，細菌會被這些物質氧化殺死。但這類材料的局限性在于，它們只能被紫外線激發，紫外線在太陽光譜中的比例很小，而且紫外線會對人體皮膚造成損害。

納米尺寸的金屬顆粒由于表面原子大量暴露，增加了這些原子的活潑性，因此可以使表面原子失去電子的過程變得更容易，從而緩慢地釋放出金屬離子。這些金屬離子可以穿過細菌的細胞膜破壞細胞內的物質，從而引起細菌的死亡。而金屬銀（Ag）和銅（Cu）本身就是很好的抗菌材料，這也是古往今來銀質餐具和銅質把手受到歡迎的原因。既可以彰顯氣派，又可以殺菌消毒。得益于這一先天優勢，納米尺寸的銀和銅顆粒在抗菌方面更可以大顯身手。其實，日常生活中接觸到的納米銀抗菌噴劑以及納米抗菌洗衣機正是利用的這個原理。

2010年諾貝爾物理學獎明星納米材料石墨烯就是綜合利用了多個抗菌機理。石墨烯最初是由科學家通過膠帶從石墨（鉛筆芯的主要成分）表面剝離下來的，結構上它是由單層碳原子排列成的無數個六邊形相連構成，相當于單層的石墨，屬于二維碳納米材料。石墨烯具有鋒利的邊緣、巨大數量的表面暴露原子，既可以作為 “納米刀”，又可以使細菌產生氧化應激反應，同時還可以作為“支撐體”和“穩定器”與其他納米材料構成復合物，發揮協同作用提高抗菌效果。

?被納米抗菌材料鋒利的棱角和邊緣刺破的細菌

當納米材料“闖進”醫療領域

納米材料一方面利用仿生學原理將醫療器械表面進行納米結構圖案化處理，比如仿照鯊魚、海星、壁虎、鯨的皮膚構造制造納米尺寸的凸起、凹坑、柱體、溝槽，以防止細菌在其表面黏附，實現對細菌的被動防御。另一方面可以在醫療器械表面包覆具有殺菌功能的納米材料，實現對細菌的主動殺滅。這兩方面的綜合運用，可以有效提高介入性醫療器械在抗感染方面的安全性。

水凝膠是由聚合物“鏈條”通過物理或化學相互作用交聯而成的極易吸收水分的3維多孔網絡結構材料。具有高水溶脹性、高透氧性、較好的生物相容性、易于負載可控釋藥物等特性。水凝膠既可以在發達的孔道中負載具有抗菌活性的無機納米顆粒，比如銀、銅、氧化鋅和二氧化鈦等，也可以負載抗生素，又可以與石墨烯等碳納米材料形成復合抗菌水凝膠，還可以通過精心選擇聚合物單體和交聯劑，實現對水凝膠親水性和孔隙率的精確調控，以改善其本身的抗菌活性。

納米二氧化鈦的抗菌原理示意圖

這些策略的協同作用可以有效延長水凝膠抗菌材料的抗菌時效、增強它的機械強度、進一步改善它的生物相容性。正因如此，抗菌水凝膠廣泛應用于傷口護理、治療口腔感染、胃腸道感染、骨髓炎及加工隱形眼鏡等領域。

納米銀抗菌噴劑??石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結構（圖片來源 / 維基百科）

?壁虎腳仿生材料（圖片來源/《先進材料》雜志）??智能仿生眼（圖片來源/《先進材料》雜志）

相信伴隨著科學家對納米材料的深入研究，人類會發現越來越多的新型納米抗菌材料，對納米抗菌材料的特性產生更全面的認識。未來的納米抗菌材料會在創傷愈合、組織及器官移植、食品保鮮等多個領域發揮越來越重要的作用。

納米抗菌材料的未來應用（包括創可貼、手術刀、人工關節、心臟支架、導尿管、義齒、保鮮膜等）

知識拓展

水凝膠科技最新進展

2020年11月，材料學期刊《先進功能材料》上發表了關于具有雙重網絡結構的抗菌水凝膠的研究論文。這種水凝膠以天然瓊脂糖與聚肽為原料，通過酶催化偶聯反應與溫度調控的氫鍵驅動凝膠化反應一鍋法得到。研究表明該水凝膠本身即具有抗菌能力，此外瓊脂糖的天然屬性賦予了它優異的生物相容性，瓊脂糖緊密的螺旋結構保證了它良好的力學性能和穩定性，羰基基團與生物組織的化學作用則賦予了它獨特的黏附特性。2020年12月，化學期刊《ACS納米》上報道了一種多功能抗菌水凝膠。該工作受到海洋貽貝粘附時發生的兒茶酚反應啟發，設計了以環境友好的生物質材料木質素為原料的水凝膠綠色合成路線。抗菌活性評價實驗表明該水凝膠對革蘭氏陽性和陰性菌都具有顯著的抑制作用。并且這種水凝膠還具有其它特點，包括堅固而富有彈性、能粘附于皮膚組織及其他各種表面、有自修復能力等。

（責任編輯 / 陳天昊? 美術編輯 / 李子夜）