納米抗菌材料的研究進展

孔秋晨，佘慧明，楊粵軍

（湖南師范大學 醫學院 臨床醫學系，湖南長沙 410006）

耐藥菌是指具有耐藥性的病原菌，在長期的抗生素選擇之后出現的對相應抗生素產生耐受能力的微生物。細菌的耐藥性是指細菌多次與藥物接觸后，對藥物的敏感性減小甚至消失，致使藥物對耐藥菌的療效降低甚至無效。而長時間抗生素的濫用促進了耐藥菌的產生，這增加了感染性疾病治愈的難度，并迫使人類尋找新的對抗微生物感染的方法。由于抗菌納米材料具有更高的膜通透性，具有充當外排泵抑制劑的能力且具有多種抗菌作用，與傳統抗生素相比，不易誘導細菌耐藥性，成為學術界廣泛關注的新型抗菌物質。

1 抗菌多肽（Antimicrobial Peptide，AMPs）納米材料

AMPs的作用機制可分為孔隙形成機制和地毯形成機制[1]。由于其本身的性質，AMPs存在高毒性、低生物利用度、易被蛋白酶降解、低靶點效率等缺點，限制了其作為抗菌藥物的應用。但可以用聚合物、納米顆粒、膠束、碳納米管、樹枝狀大分子和其他類型的系統等作為載體來遞送AMPs，此法使得AMPs替代抗生素進行相關治療成為可能[2]。已經證明，AMPs在納米顆粒中的自組裝可以增加細菌表面正電荷的局部密度和肽質量，從而增強AMPs的抗菌活性。值得注意的是，將AMPs直接共軛到合成粒子上不僅方便，而且可以提高性能，如RUDEN等[3]通過AMPs固定化Ag納米顆粒，并證明該法可顯著增強材料的抗菌活性；偶聯AMPs到Au納米顆粒上可以增強肽的穩定性和對所需病原體的輸送效力[4]。

2 金屬基納米顆粒

2.1 單金屬氧化物納米材料

金屬氧化物納米顆粒因對細菌具有明顯的毒性且誘導耐藥性的傾向遠低于抗生素而受到廣泛關注。以單一金屬組成的多種納米氧化物（Fe3O4、TiO2、CuO、ZnO）作為新型抗菌藥物，對人體細胞的毒性相對較低，制備成本低，可通過調節微粒大小有效抑制多種細菌，具有阻止生物膜形成的能力，甚至可以消除孢子，適合應用在織物抗菌藥物、護膚產品、生物醫學和食品添加劑行業[5]。

2.2 多金屬氧化物納米材料

多金屬氧化物納米材料可有效消除各種細菌菌株，包括對現有治療方案具有高度抗藥性的菌株。VIDIC等[6]發現，燃燒技術制備的ZnMgO具有兩種純組分的優勢：納米ZnO的高抗菌活性和納米MgO的低細胞毒性。使用這種混合金屬氧化物處理24 h后，革蘭氏陽性菌（B. subtils）被完全抑制，革蘭氏陰性菌（E.coli）被部分抑制。ZAWADZKA等[7]發現，與純TiO2相比，包覆Ag納米粒子的TiO2納米粒子對金黃色葡萄球菌的抗菌效果更強，耐久性更高。作者認為納米顆粒與細菌細胞表面結合時可以直接機械破壞細菌細胞，而粒子表面釋放的銀離子則進一步增強了殺菌活性。

2.3 貴金屬納米材料

銀納米粒子（Ag NPs）是目前研究最多的抗菌貴金屬納米材料之一，對包括耐藥菌在內的多種病原體都顯示出較高的抗菌活性。Ag NPs主要通過對細胞膜造成物理損傷、產生活性氧（ROS）和自由基、在釋放銀離子后引起關鍵成分的功能異常等途徑發揮作用。但也有研究表明，Ag NPs本身及釋放的Ag離子對宿主具有潛在毒性[8]。

2.3.1 Ag NPs的抗菌特性

SONDI和SALOPEK-SONDI[9]首次報道了Ag NPs利用大腸桿菌對革蘭氏陰性菌的殺菌能力，他們發現納米顆粒在細胞壁形成的“凹坑”中積累，然后Ag NPs釋放自由基破壞細胞并消滅細菌。此外，有研究證實了Ag NPs釋放銀離子的氧化還原反應是破壞細菌的因素之一，較小的Ag NPs（＜10 nm）從其表面釋放銀離子顯示出比細菌直接接觸該材料表面更高的抗菌活性[10]。KARMALI等[11]的研究闡明了Ag NPs的大小與抗菌效果之間的關系，實驗結果顯示材料的直徑越小，殺菌活性越高。此外，Ag NPs對大腸桿菌O157:H7（易引發食物中毒）具有很高的抗菌活性，其抗菌對象包括化膿性鏈球菌、腸炎沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌等[8]。而銀離子對原核細胞，特別是革蘭氏陰性菌，有很強的殺菌活性，但對革蘭氏陽性菌的活性較弱，可能與革蘭氏陽性菌的厚細胞壁降低了陰離子的作用效果有關。同時，有報道指出Ag NPs有望成為有效的抗生物膜材料，解決醫學中有關持續感染的問題[12]。

2.3.2 Ag NPs的抗病毒特性

已有體外研究表明，Ag NPs對HaCaT細胞具有細胞毒性，低濃度（10 μmol/L）的Ag NPs具有劑量依賴的安全特性，而高濃度與較高的細胞死亡率相關[13]。Ag NPs的細胞毒性也在其他人類細胞模型中進行了評估，Ag NPs導致細胞毒性的機制可能是通過誘導ROS的過量產生而導致DNA、脂質和蛋白質的損傷，最終導致細胞死亡和機體的漸進性衰老[14]。

2.4 金屬基二維抗菌納米材料

已經證明，包括Ag、Au、Ti、Cu、Zn、Mg和Ni在內的金屬納米顆粒表現出潛在的抗菌活性。但是，與2D納米材料相比，由于比表面積小和表面活性位點少，這些金屬納米顆粒的殺菌效率不高。解決此問題并獲得高性能抗菌效果的策略之一是用金屬納米顆粒修飾2D納米片或制備2D金屬納米片[15-17]。

3 光介導的抗菌納米材料

3.1 光熱療法（Photothermal Therapy，PTT）

在近紅外（Near Infrared，NIR）輻射（700～1 100 nm）下，納米材料具有將光轉化為熱的能力，因此納米藥劑可通過產生局部熱來治療細菌感染，但表面化學可影響PTT介導的細菌殺滅效率。HU等[18]發現混合帶電的兩性離子修飾的Au NPs（金納米顆粒）表現出從負電荷到正電荷的快速pH響應轉變，這使Au NPs能夠很好地分散在健康組織中（pH 7.4），同時迅速表現出對金黃色葡萄球菌（MRSA）生物膜中帶負電荷的細菌表面的強烈吸附（pH 5.5)。Au NPs的聚集增強了NIR光照射下MRSA生物膜的光熱消融，由于分散的Au NPs在近紅外光下沒有光熱效應，周圍的健康組織沒有表現出損傷。

3.2 抗菌光動力療法（antimicrobial Photo Dynamic Therapy，aPDT）

aPDT是一種利用光敏劑（Photosensitizers，PSs）進行的過程，通常應用于富氧環境中。光子的能量被光敏劑吸收，然后轉移到周圍的分子上，形成活性氧化物和自由基。這些氧化分子會損害蛋白質、脂質和核酸等細菌大分子，并可能導致細菌死亡。與抗生素不同，aPDT作為一種新技術不會導致突變耐藥菌株的選擇產生，吸引了該領域研究人員的廣泛關注[19]。然而，盡管PSs對革蘭氏陽性菌表現出了良好的抗菌活性，但對革蘭氏陰性菌的抗菌效率并不高[20]。此外，由于大多數PSs是疏水性的，水溶性差造成PSs的吸收效率有限以及嚴重聚集，因此可以利用各種納米載體運載PSs以可提高aPDT效率[21-22]。

目前，光照誘導的納米抗菌材料的功能可分為內在生成活性氧和作為納米酶催化活性氧生成。研究證明，在模擬光照處理下，自由電子和空穴對多面體二氧化鈦納米晶的活性氧生成和抗菌活性有促進作用；具有適當的能帶結構的CuO納米棒在可見光激發下產生羥基自由基，有助于活性氧化物產生和改善抗菌性能[23]。

4 碳基納米材料（Carbon-based Nanomaterials，CNMs）

CNMs包括0D富勒烯、納米金剛石（Nanodiamond，ND）、碳點（Carbon Dots，CDs）、石墨烯量子點（Graphene Quantum Dots，GQDs）、1D碳納米管（Carbon Nanotubes，CNT）、2D石墨烯及其衍生物以及石墨碳氮化物（graphitic Carbon Nitride，g-CN）。由于獨特的結構特征和物理化學性質、相對良好的生物相容性以及環境友好性，CNMs具有很高的抗菌活性，且增強碳基抗菌材料抗菌活性可以通過在基于CNM的復合材料中發揮協同作用來實現。[24]

4.1 0D富勒烯

由于富勒烯具有獨特的幾何形狀以及新穎的光物理性質，YANG等總結了其在抗菌方面發揮的重要作用及其機制[25]：PANTAROTTO等和PELLARINI等提取了一組富勒烯肽，具有極強的抑菌活性；MASHINO等進一步研究了富勒烯衍生物的抗菌潛力；由于富勒烯分子在細胞能量代謝鏈中的相互作用，在較高濃度時可能會增加O2的吸收，最終導致其向H2O2的轉化增加，并可能有助于抑制呼吸鏈；TSAO等發現羧基富勒烯20通過插入細胞壁和破壞膜的完整性來發揮抗菌作用，20及其異構體在特定的環境條件下降低了大腸桿菌對血腦屏障的滲透性，降低了腦膜炎的發生率。

4.2 CDs

由于CDs具有無毒、光穩定性，且具有可用于微生物粘附和相互作用的表面多功能性，可通過大量廉價的前體生產出來，因此用途十分廣泛。CDs表現出較強的光動力效應，其抗菌的主要過程可能與活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的產生有關：光激發的CDs能夠產生活性氧殺死或抑制細菌，作用機理包括CDs粘附于細菌表面，光誘導產生ROS，破壞和滲透細菌細胞壁/膜，誘導氧化應激及DNA/RNA損傷，從而改變或抑制重要基因的表達。除了對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、耐多藥大腸埃希菌和耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（MRSA）具有抗菌活性外，CDs還對真菌以及病毒具有一定抗性[26]。

4.3 GQDs

由于具有體積極小、量子密閉、邊緣效應、生物相容性高、毒性低及水溶性好等優點，GQDs成為了解分子層面上生物系統和細胞過程的最佳材料之一，同時也是替代對生物系統有毒的無機半導體納米粒子（如 CdS、CdSe、ZnS和 Si）的合適材料[27]。KARAHAN等[28]發現GQDs的殺傷作用可能是幾個機制的綜合，包括物理穿刺（又稱“納米刀”機制）、氧化應激誘導的細胞/膜組件損傷、膜運輸堵塞或生長限制、通過插入和破壞性提取膜組分來破壞膜的穩定性，根據實驗條件的不同，這些主要機制的組合效應表現為完全破壞細胞包膜（即殺菌效應）或抑制生長（即抑菌效應）。此外，RISTIC等[29]通過研究提出GQDs具有相對選擇性的光動力抗菌活性，懸浮的GQDs能夠在光激發時產生ROS。因此，GQDs是光動力療法的潛在材料，在這種療法中，光激發化合物通過能量或電子傳輸到分子氧，從而利用產生的ROS殺死細胞。

4.4 2D石墨烯

具有大表面積和易于表面功能化的2D納米材料可與細菌膜緊密互動，從而有助于增強抗菌效果。與傳統抗生素相比，基于2D納米材料的抗菌劑的使用劑量低，因此可克服耐藥性問題并在一定程度上減少其他不良副作用。2D石墨烯及其衍生物已在催化、光學/電子設備、生物醫學（腫瘤診斷和治療、神經系統疾病的治療和抗菌治療）中顯示出較高的應用價值[30]。

4.5 石墨碳氮化物

近年來，作為一種新興的氮化物基聚合物半導體材料，類石墨相氮化碳（g-C3N4）納米片因具有層狀結構和窄帶隙，表現出高效的光催化性能、較大的表面積、良好的化學穩定性和可調節的電子帶結構，在抗菌方面引起了極大的關注[31]。WU等[32]曾使用原位還原法合成了Ag/聚多巴胺/g-C3N4生物光催化劑抗菌劑，通過Ag離子和g-C3N4納米片之間的協同作用顯示出優異的抗菌活性。同時，WANG等[33]用還原氧化石墨烯（rGO）和g-C3N4納米片涂覆環辛硫（α-S8）設計了一種新型的無金屬異質結，用于可見光下的光催化消毒。結果表明，S8（核心）/rGO（內殼）/g-C3N4（外殼）（CNRGOS8）在有氧條件下表現出更高的抗菌作用，而S8（核心）/g-C3N4（內殼）/rGO（外殼）（RGOCNS8）在厭氧條件下具有出色的抗菌能力。此外，LI等[34]制造了功能化的親水性復合膜g-C3N4納米片，發現隨著g-C3N4納米片的改性，抗菌能力大大提高。

5 半導體納米材料

5.1 過渡金屬二硫屬元素/氧化物（Transition Metal Dichalcogenides/ Oxide，TMDC/O）

MoS2、MoO2、MoSe2、WO3-x和 WS2是研究最廣泛的TMDC/O模型，由這些材料制成的納米片可用作光熱/光催化抗菌劑的候選物[35-36]。MA等[37]證明了MoS2納米片具有較高的光熱轉化效率，在控制808 nm激光照射后NO的釋放，觀察到PTT和NO釋放的協同作用對大腸桿菌和糞腸球菌具有優異的滅殺效果。此外，LIU等[38]制造了幾層垂直排列的MoS2（FLV-MoS2）薄膜，這些薄膜具有收集可見光全光譜的能力，可以有效地進行光催化水消毒；在FLVMoS2膜上額外沉積Cu或Au可以幫助電子-空穴對分離并催化ROS產生，使FLV-MoS2在20 min內即可快速滅活＞99.999%的細菌。

5.2 黑磷（Black Phosphorus，BP）

由于無金屬的半導體特性和取決于厚度的帶隙特點，BP納米片在整個可見光區域具有非常寬的光吸收率[39]。因此，二維層狀BP納米片可用于在可見光下產生光熱效應，并應用于PDT[40]。此外，HUANG等[41]使用絲素蛋白作為去角質劑制備了具有微弱溶液加工性能的薄層BP@絲素蛋白納米片，該BP@絲素蛋白納米片不僅可以制成各種形式，而且顯示出優異的PTT消毒和傷口修復能力。

5.3 MXenes

MXenes是2D過渡金屬碳化物/氮化物家族中一個非常新的成員，Ti3C2Tx（碳化鈦）是其中最具代表性的材料[42]。研究表明，Ti3C2Tx納米片由于超薄的層狀形態和獨特的理化特性而具有出色的抗菌性能[42-44]。RASOOL等和SHAMSABADI等在氬氣（Ar）中超聲處理合成Ti3C2Tx膠體懸浮液，抗大腸桿菌和枯草芽孢桿菌性能優越[45-46]。

6 結語

本文系統地綜述了目前研究較多的納米抗菌材料及其主要的抗菌機制。盡管這些材料具有優秀的抗菌活性，但仍然存在需要關注的重要問題：（1）抗菌多肽已被認為是解決現有抗生素缺乏的潛在替代選擇，但由于諸如全身和局部毒性、循環半衰期短（對蛋白水解的敏感性）和高制造成本，其距離大規模應用仍然比較遙遠；（2）盡管金屬或金屬離子具有明顯的抗菌性能，但仍需要研究降低其體內長期毒性的方法；（3）聚合物納米結構本身及與其他抗菌材料（如Ag離子和抗菌多肽）整合在一起時，顯示出非常好的抗菌活性，但目前仍缺乏對其生物相容性和對宿主毒性的深入研究。