鋅基抗菌材料研究進展

王思博

（河海大學 力學與材料學院，江蘇南京 211100）

鋅是人體必需元素，作為人體內的輔助因子、信號傳導分子和結構元素，其涉及多種生物學途徑和活動[1]。由于其具有免疫調節特性，目前被認為是一種潛在的機體保護性物質，鋅元素通過參與清除附著于呼吸道黏液纖毛的病毒而抑制病毒復制，發揮抗病毒的免疫功能，抑制炎癥反應并調節共生的肺炎球菌菌落，有報道甚至表明其可預防新型冠狀病毒（SARSCoV-2）感染（圖1）[2]。雖然元素鋅(游離離子)的殺菌效果與銀、銅等其他金屬相比屬于中等水平，但已有鋅離子與銀離子聯合殺菌效果更優異的報道[3]。

圖1 感染COVID-19后鋅可能的機體保護機制

鋅基抗菌材料通常包括鋅復合物和氧化鋅納米粒子（ZnO NPs）。（1）鋅復合物。如吡啶硫銅鋅（ZPT）及其衍生物是一類眾所周知的抗真菌化合物，在醫藥、化妝品及其他產業領域有著廣泛的應用（圖2）。此外，業界合成了許多新的含有席夫堿或其他配體的鋅化合物，并對其抗菌性能進行了評價，如鋅摻雜介孔羥磷灰石[4]。（2）氧化鋅納米粒子具有高發光效率、寬帶隙、大的激子束縛能的特征，引發了研究者對使用不同合成方法制備氧化鋅納米粒子及拓展其應用前景的研究。近年來，人們利用物理、化學和生物等多種方法制備了不同形貌的氧化鋅納米復合材料，所得到的納米顆粒可以用多種分析方法進行表征，包括動態光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）、紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、X射線衍射（Diffraction of X-Rays，XRD）及電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）等，通過這些方法可以獲得有關納米粒子的大小、形狀和光學性質等信息。

氧化鋅納米粒子具有引人注目的抗菌性能，其生物殺滅效應有兩種不同的機制：一種是通過光催化過程釋放活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）；另一種是通過氧化鋅納米粒子誘導細胞內產生活性氧[5]。本文重點介紹以鋅為基礎的抗菌材料的研究和發展，并對這類材料抗菌機理的拓展進行討論。

1 光催化抗菌鋅基金屬-有機骨架材料——ZIF-8

近年來，以銅、鈷、銀和鋅為基礎的具有抗菌性能的光催化抗菌金屬-有機骨架材料（MOFs）的報道引起了人們的廣泛關注[6]。這些金屬-有機骨架材料作為金屬成分的儲存庫，提供金屬離子的慢釋放和以金屬離子為基礎的抗菌作用。LI等[7]報道了一組具有光催化殺菌性能的金屬-有機骨架材料——鋅基咪唑鹽（ZIF-8），其機理與以前報道的抗菌性金屬-有機骨架材料不同[8]。研究發現，ZIF-8在模擬太陽光照射條件下具有優異的抗菌效能，2 h內可致高達99.999 9%的大腸桿菌在鹽水中失活。對其殺滅細菌能力的機理研究表明，其不是由于Zn2+的瀝濾或2-甲基咪唑前體的作用，而是以ZIF-8釋放活性氧為主。在ZIF-8中的居于Zn離子中心的光電子在通過配體向金屬進行電荷轉移（Ligand-to-Metal Charge Transfer，LMCT）時被俘獲，從而產生活性氧。這種ZIF-8材料的光催化性能優于常用的生物殺滅光催化劑ZnO和銳鈦礦TiO2，具有良好的殺菌性能和細菌失活率。根據其優異的抗菌效果和ROS產生機理，眾多學者研究了光催化機理，發現ZIF-8具有半導體特性和能帶結構。考慮到ZIF-8的n型半導體性質，估計其帶隙能量為3.3 eV，ZIF-8的平帶電位（以標準氫電極為參考）為-1.2 V，價帶電位（以標準氫電極為參考）在2.1 V。通過LMCT過程，光照射產生的光電子被捕獲在ZIF-8順磁性Zn離子位的表面[9]。這些被激發的電子隨后可以將氧分子還原成超氧自由基和過氧化氫，這兩者是造成細菌損傷的主要抗菌活性物質。研究者隨后將含有ZIF-8的功能化纖維整合到MOF抗菌過濾膜中作為新型抗菌材料，展示了潛在的下游應用。這些成果可以促進新MOF材料的設計和合成，使其具有更好的選擇性、更高的抗菌效率和更低的毒性。

2 鋅基咪唑鹽MOF（ZIF）納米陣列抗菌表面

物體表面污染是傳染性疾病傳播的主要途徑之一。一種常用的預防方法是將對微生物具有滅活或抵抗作用的試劑或酶涂抹在物體表面形成抗菌涂層，使其具備自我消毒或殺死微生物的功能，這些涂層通過緩慢釋放起到消毒表面的作用，但隨后可能導致二次污染和最終耐藥微生物的出現。有研究表明，蜻蜓翅膀和蟬翼的表面被密集的納米柱所覆蓋，只通過物理作用即可避免細菌污染[10]。與其他化學或生物化學滅菌機制相比，這些發現為通過物理機制消滅細菌群落提供了一種新穎、簡單和安全的仿生策略。類似的合成性納米樣顆粒表面，比如黑色的硅片表面，也已經證明了相同的機械性物理殺菌機制，而不需要額外的化學物質[11]。受到這種殺菌機制的啟發，YUAN的團隊建立了一個通用而直接的方法，即在廣泛的基質表面上合成鋅基沸石咪唑酯骨架構造體納米短刺樣陣列(ZIF-L)[12]。

這些納米短刺樣ZIF-L陣列的尖端鋒利，呈片狀外形，表面負載正電荷，這些特性的累積效果使得納米短刺樣陣列具有優異的微生物殺傷活性。與以前報道的通過釋放金屬離子或光催化產生活性氧來殺死微生物的MOF不同，ZIF-L納米短刺樣陣列通過導致納米陣列尖端所附著微生物的細胞膜破裂來殺死細菌。此外，帶正電荷的表面可以將帶負電荷的細菌細胞吸附到納米陣列上，在沒有化學物質或抗生素的情況下對微生物產生物理殺傷作用。值得注意的是，簡單的ZIF-L納米陣列涂層工藝已成功地應用于包括塑料、金屬和陶瓷等各種疏水性和親水性物質表面。這種多功能性表明該涂層材料有應用于更廣泛材料的實踐性潛力。YUAN等[13]的工作也證明了這種技術在無抗生素傷口愈合治療中的應用，通過將納米短刺陣列包覆在棉質紗布上，使紗布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌產生了低毒性的抗菌活性。此研究評價了ZIF-L納米陣列包被的棉紗對于小鼠感染金黃色葡萄球菌的傷口的治療效果，同時與商用的銀敷料產品進行了對比[（圖3、圖4），圖中箭頭顯示納米短刺樣ZIF-L穿透了金葡菌的細胞]，發現ZIF-L納米陣列涂層棉紗在微生物群落計數、表皮再上皮化和表皮構建過程中均顯示出較好的性能。

圖3 棉紗結構（a和b）和ZIF-L納米陣列涂層棉紗（c和d）

圖4 金黃色葡萄球菌在未包被ZIF-L涂層棉紗（a）和Mueller-Hinton肉湯培養基中培養3 h后包被ZIF-L的涂層棉紗（b）

3 氧化鋅納米陣列在各種表面的消毒作用

ZIF納米陣列具有在各種實質表面優異的吸附強度和其衍生結構的長期應用的耐久性。氧化鋅很容易在不同的表面上以針狀或棒狀形式生長，且其納米結構通常比ZIF材料更耐用和更強韌。

氧化鋅納米柱在鋅箔、玻璃、不銹鋼、聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）、硅片和陶瓷等表面的生成最近得到了證實。根據日本工業標準——Antimicrobial Products-Test for Antimicrobial Activity and Eきcacy（JIS Z 2801:2000），通過熒光存活/死亡試驗和活菌落計數測定，氧化鋅納米柱對革蘭氏陽性、革蘭氏陰性細菌和真菌都具有良好的抗生性能[14]。進一步的研究發現，鋅表面的氧化鋅納米柱可以通過鋅和氧化鋅交互的電化學反應釋放出高濃度的活性氧物質，活性氧的產生有助于增強氧化鋅納米柱清除粘附及非粘附性的細菌細胞的能力[15]。對于不同基質上的氧化鋅納米柱，只有附著在其表面上的微生物是通過物理破裂機制被殺死的，基質-納米柱與其抗菌效果之間的強相關性可以促進這一領域研究的進一步發展。

納米結構表面的耐久性是決定其是否適合實際應用的關鍵因素之一。YI等[14]研究了氧化鋅納米柱在鋅箔表面抗摩擦和/或磨損的穩定性，觀察到重復用干海綿刷1 000次或濕磨10 000次后，表面納米結構基本保持不變，說明氧化鋅納米柱耐久性良好，應用潛力巨大。

4 氧化還原活性鋅復合抗菌劑

氧化鋅是一種重要的半導體金屬氧化物，具有3.2～3.4 eV能帶隙，在紫外光照射下產生活性氧，是光催化抗菌劑的優良候選品。然而，這種特性依賴于外部光源，由于氧化鋅具有較低的電荷分離效率，且電荷載流子快速復合，其光能轉換效率相對較低。最近，研究報道了一種具有氧化還原活性的鋅/氧化鋅復合材料，它可以通過自腐蝕過程產生活性氧，而不依賴光或任何外部能量輸入[16]。氧化鋅電導帶（CB）中的電子是由復合材料中心輕微的鋅腐蝕提供的，從而減少了基態氧生成活性氧。Zn/ZnO復合材料具有鋅芯的核殼結構，ZnO棒/針陣列在表面對齊排列如同殼層，證明了Zn/ZnO復合材料可以將氧和水轉化為超氧化自由基和過氧化氫。在黑暗中Zn/ZnO的活性氧釋放速率遠高于ZnO納米顆粒在紫外光照射下的活性氧釋放速率。表明Zn/ZnO復合材料具有更高的抗菌效能，而且主要的殺菌機理為活性氧的釋放，而非鋅離子或納米粒子的作用。

同樣，鋅/硫化鋅復合材料也具有相當的釋放活性氧的性能和抗菌效果，這些新型鋅基復合材料可自發釋放活性氧，克服了光催化抗菌材料的不足。因此，具備氧化還原活性的鋅基復合材料會有更廣的應用領域，如水體凈化、染料降解和抗菌涂料等領域。此外，已有來自物體表面氧空位的氧化鋅納米晶體釋放活性氧現象的報導，但其抗菌效果和耐久性與其他材料相去甚遠，可能是表面的氧空位有限所致[17]。

5 其他形式的含鋅抗菌劑

以磷酸化蛋白為多孔模板，通過氮吸附/脫附實驗，形成了具有大孔徑和特殊表面積（182 m2/g）的摻鋅介孔材料[18]。通過X射線衍射、傅里葉變換光譜、透射電子顯微鏡和X射線光電子能譜等分析技術證實了摻鋅介孔材料的形成。此研究制備的摻鋅介孔生物材料可用作革蘭氏陽性(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性(大腸桿菌)細菌的抗菌劑，Zn2+含量為2%的樣品對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的最大抑菌濃度分別為50%±5%和77%±5%，樣品的抗菌活性與Zn2+含量顯著正相關。

6 結語

過度使用有機消毒劑的惡果包括殘留化學毒性、微生物耐藥性增強、環境負擔和食物鏈污染等，因此尋找綠色環保的抗菌材料仍然是一個重大的社會挑戰。與傳統的通過化學機制消除細菌的有機消毒物相比，含鋅抗菌材料的優勢在于其是通過物理機械性破壞細菌細胞或釋放活性氧來起抗菌作用的。這些新材料在無毒、安全的抗菌方法中扮演著重要的角色，可取代部分有機消毒劑、防腐劑和抗生素等傳統抗菌劑，以減輕對生態環境的影響。隨著鋅基材料開發的進一步進展，將有助于實現更有潛力的常規消毒和環境凈化解決方案。