納米銀抗菌劑載體的研究進展

江笑丹，曹猛猛

(國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州 215163)

納米銀是基于納米技術研制的新型抗菌材料，由粒徑1~100 nm金屬銀微粒組成。銀是殺菌能力最強金屬，而納米銀因粒徑超小，表面積大，具有明顯表面效應，其殺菌效果是普通銀的數百倍。銀離子可與細菌細胞的DNA鍵合，導致DNA結構改變，最終抑制DNA復制，從而有效抑制細菌數量增長。因為銀在濃度較低時對人體安全，也難以產生抗藥性，加上銀系無機抗菌劑還具有穩定性好、安全性高等優點，因此銀系納米抗菌材料應用頗為廣泛[1-3]。

1 納米銀抗菌劑的載體

本文分析了2000-2021年納米銀抗菌劑相關專利。從事納米銀載體研究的主要有鄭州大學、華東理工大學等高校，舟山明日納米材料有限公司等一些企業。納米銀抗菌材料的制備主要包括抗菌載體的合成和納米級銀離子抗菌粉體的制備兩個階段。圖1為2000-2016年的納米銀載體專利。有些載體除了具有負載功能外，本身還具有殺菌、光催化等作用。專利報道的納米銀載體主要包括無機載體、 有機載體和新型載體。

圖1 2000-2016年專利報道的納米銀載體材料

2 無機載體

納米銀無機載體種類眾多，包括硅氧化物(二氧化硅)、磷酸鋯、羥基磷酸鋯、沸石系類、凹凸棒石、埃洛石納米管、硅膠、碳納米管、蒙脫土、膨潤土、高嶺土、粉煤灰、石英、石墨烯等。下面主要以沸石和磷酸鋯載體介紹納米銀無機載體的發展進程。

2.1 沸石

沸石，又名分子篩，是一種堿金屬或堿土金屬的結晶型硅鋁酸鹽，其結構為硅氧四面體和鋁氧四面體共用氧原子而構成的三維骨架結構，具有較大的比表面積。由于骨架中的鋁氧四面體電價不平衡，為達到靜電平衡，結構中必須結合鈉、鈣等金屬陽離子。而此類陽離子可以被其他陽離子所交換，從而使沸石具有很強的陽離子交換能力。沸石作為納米銀的載體，具有良好的負載功能和緩釋功能，這 使得沸石作為載體的納米銀抗菌劑具有良好的抗菌壽命[4]。載銀沸石抗菌劑的抗菌能力隨著離子交換量的增加，即隨載銀量的增加而提高。離子交換過程有瞬時性，如果溶液中交換離子的濃度過大則會在表面沉積銀顆粒堵塞沸石的孔道，影響沸石的抗菌性能和表觀性能。2003年，專利CN1391813A將沸石作為納米載體，其公開了將研磨的礦物質沸石粉產物粒度達到2 μm，含量大于總沸石粉的90%以上。然后加入硝酸銀溶液，再加入添加劑使固液分離。將固體物質烘干制得納米組裝無機抗菌劑。隨后，人們認識到上述方法制備的沸石納米銀抗菌劑在實際應用制作抗菌陶瓷時，抗菌性能大大降低。專利CN1685830A克服上述缺陷，通過改變沸石粉的粒徑，使其在應用時具有更好的抗菌效果。人們發現納米級沸石可以很好地解決銀變色問題。之后，在專利CN101167451A中發現了硅鋁比低的沸石分子篩作為納米銀載體，能加強其抗菌效果。

2.2 磷酸鋯

磷酸鋯是常用的納米銀載體之一，其載銀能很好地滿足抗菌性能、耐熱性、耐久性和安全性、耐高溫的要求，缺點是銀負載量小[5]。專利CN1383723A公開了采用納米級磷酸鋯作為銀的載體。專利CN102239887A公開了用超濾膜除去合成磷酸鋯過程中產生的副產物無機鹽，以使磷酸鋯載體不需要經過高溫煅燒就可以直接用于吸附、置換銀離子。隨著研究的深入，專利CN105532731A發現用殼聚糖對磷酸鋯進行輻射交聯改性，制得改性磷酸鋯載體，最后渦旋負載銀離子后，能夠激化銀的抗菌性能；另外，殼聚糖具有良好的緩釋性能，其的加入解決了銀離子極易團聚、釋放過快的問題，此種載體納米銀具有廣闊的應用前景。

2010年后，對納米銀載體的研究主要集中于對一些已知材料的改性和新載體的發現方面。如專利CN103461382A發現改性的蒙脫土載銀具有較好的效果。專利CN101999411A、CN103843822A、CN105498698A發現了埃洛石納米管、碳納米管、石墨烯能夠作為納米銀的載體，且具有較好的抗菌效果。從目前抗菌劑的研究以及應用現狀來看，具有綠色安全、性能穩定、抗菌持久的納米載銀無機抗菌劑將是今后研究的主流方向。

3 有機載體

納米銀有機載體種類多，如天然多孔植物、藻類、通草、蜂膠、殼聚糖、聚酰胺、蛋白、淀粉、貝殼粉、木素、纖維素、聚合物核殼結構、聚合物微膠囊等。

有機載體為聚合物載體，一般分為天然高分子物質和合成高分子物質，具有緩釋藥物，減少飄移，提高藥物穩定性等作用[6]。21世紀初，其技術普遍比較落后，朱紅軍在專利CN1322474A中公開了采用天然多孔植物材料的纖維吸附銀，制備的銀微粉具有極強的抗菌能力和廣譜抗菌性，遇水殺菌力更強，無毒性、刺激性、過敏性和耐藥性。隨后，鄭江龍的專利CN1498536A具體發現了一種天然多孔植物莖髓載體負載納米銀，有效地提高了載附在載體上的納米銀粒子的穩定性。專利CN1600104A、CN166943A發現通草和蜂膠也能作為納米銀的載體。專利EP1753293A2發現銀納米顆粒可用浸軟的植物組織細胞的水溶液生物學穩定化，這是一種綠色的生物穩定化途徑。然而上述物質雖然環保，但是其材料不易得，工業應用較難，可能會出現銀分布不均勻，載銀量不高的情況。因此，研究者把目光放在了材料易得的高分子化學物質上，從2005年開始，就有研究者發現銀負載于微膠囊外殼效果較好。如寶力科萊株式會社的專利US2004247690A1公布的內容。

2010年以后，研究者更多地研究以高分子材料作為納米銀的載體，如多糖聚合物、殼聚糖、海藻酸鈉，其專利申請量也越來越多，市場需求也越來越大。專利US2012171271A1、US5011602A講述采用聚氨酯載體和納米銀組合，其抗菌效果好。南開大學的專利CN102165960A公開了一種聚合物乳膠粒子為納米銀的載體，其制備成本低，生產過程簡單，銀納米粒子不易團聚，可長期穩定存在，乳液不會變質，可長期保存。廈門大學的專利CN103315001A公開了納米銀負載于單分散聚合物納米球表面的抗菌復合材料的制備方法，其是通過無皂乳液法聚合的單分散聚(苯乙烯-丙烯酸)納米球作為聚合物基體，其銀離子負載均勻。但是，一些多糖聚合物載體在使用過程中存在易降解、不穩定的問題。而西南大學的專利CN103749535A發現采用木素作為載體能夠解決上述問題，且所得物質抗菌能力強。鄭州大學的專利CN103329893A公開了銀和富勒烯納米復合材料的制備，可有效避免納米銀顆粒之間的團聚。河北科技大學的專利CN105494430A公開了一種載銀低分子量殼聚糖復合微球抗菌劑及其制備方法，可使納米銀粒子進入微球內部，從而明顯提高復合抗菌劑的抗菌活性，所得抗菌劑具有廣譜的殺菌性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有高的致死率。為了提高高分子材料載體的穩定性，研究者把無機網絡結構與高分子通過合適的方式進行復合，這類材料既具有無機組分較好的機械強度和良好的化學穩定性，同時又保持了高分子材料的三維網絡結構和環境敏感性能。如江蘇時空涂料有限公司的專利CN105532731A公開了一種緩釋型磷酸鋯載銀抗菌劑，其將殼聚糖引入磷酸鋯載銀抗菌劑中，解決了銀離子極易團聚，銀釋放過快的問題。

4 新型載體

2017年之后，對納米銀農藥載體的研究主要集中于安全環保、精準控釋、更加穩定等方面，研究者把更多目光放到天然高分子材料、兩親聚合物以及有機、無機載體復合材料上，如竹炭、蛋白質、金屬有機框架等，這些載體性質穩定，環保高效，且能夠精準釋放。華南理工大學的專利CN109676149A公開了一種綠色合成核殼結構的小麥醇溶蛋白/納米銀顆粒，解決了現有方法生產的銀納米材料容易聚集和氧化的問題，所制得的物質具有良好的分散性和穩定性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有很好的殺菌作用。現主要介紹2種新型載體。

4.1 金屬有機框架

金屬有機框架(MOFs)是以金屬離子為連接點，有機配體為支撐構成的多孔材料，具有良好的結構可裁剪、巨大的比表面積及多種多樣的拓撲結構，將銀納米顆粒負載于MOFs上可以有效避免其團聚，高效發揮其抗菌性能。用于農業領域，其金屬離子還能作為營養元素利于植物生長[7]。金屬有機框架作為納米銀載體的專利申請主要集中在2018年以后，主要申請人為大學，如廈門大學、太原理工大學、浙江大學等。太原理工大學的專利CN109820000A公開了一種MOFs載納米銀抗菌材料，將10 nm以下的納米銀顆粒附載于MOFs的表面、骨架及孔道中，避免納米銀的團聚，實現高效抗菌作用。上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司的專利CN111109293A公開了ZIF?8金屬有機框架(MOFs)負載銀，提高了復核材料的銀載帶效率，實現高效抗菌作用。采用PVP弱還原性原位生長的納米銀均勻分散在ZIF?8的表面、骨架和孔隙中，避免了納米級銀顆粒的自發團聚。廈門大學的專利CN113712045A公開基于金屬有機框架的銀納米顆粒復合抗菌劑，衢州學院的專利CN111296480A公開了以鐵基金屬-有機框架材料為載體，可以避免銀納米顆粒與外界的直接接觸，防止銀納米顆粒被污染；并且可以減少銀納米顆粒自身之間的團聚，大幅增加抗菌效果。由于體系內外銀納米顆粒的濃度差，銀納米顆粒可以緩慢持續從孔道釋放至外界，因此該裝載銀納米顆粒的鐵基金屬-有機框架材料具有銀納米顆粒緩釋功能，可以增長抗菌時間。MOFs是具有很大應用前景的納米載體，值得持續關注。

4.2 生物炭

生物炭是以生物質作為碳源，具有高比表面積、多孔性、吸附能力強、穩定性好等優點，生物質竹炭具有負離子穿透和吸附等特性，良好殺菌抑菌效果[8]。將生物質竹炭和納米銀結合，可以具有更好的抗菌效果。將竹炭作為納米銀的載體，較早申請專利的申請人是中國計量大學，申請日為2015年6月22日，授權日為2018年4月3日，公開號為CN104861388A，其公開了一種銀和竹炭復合材料的制備方法，成功制備出了具有較大比表面積和優異抗菌性能的銀和竹炭復合材料。同濟大學的專利CN106925216A公開了載銀TiO2改性竹炭材料，兼具有竹炭的多孔吸附功能和載銀納米TiO2的可見光催化殺菌功能，兩者能夠協同作用，優勢互補，使得復合材料具有優異的吸附調濕及光催化殺菌效果等。工谷環保科技有限公司的專利CN113080203A、CN113115791A公開了竹炭作為抗菌劑納米銀的載體，可以減少納米銀流失，從而具有持久的抗菌活性，同時結合納米銀粒子和竹炭雙重的殺菌功效，對金黃色葡萄鏈球菌等細菌的抑菌效果大大增強。而采用季銨鹽對竹炭進行改性后，能夠增加銀等活性成分的負載量，提高其殺菌性能。

5 結語與展望

納米銀具有安全、殺菌能力強等優點。已研究開發了各類銀系抗菌劑和銀系復合抗菌材料，所用載體形式多樣，載體材料易得，價格低廉，安全環保。精準控釋載體則是今后研究的重點。相信隨著納米銀載藥研究的進一步深入，定會發現更多納米銀載體，由此制備出更安全、高效、經濟的納米銀抗菌劑，應用于更廣闊領域。