抗菌材料的应用与发展

2017-02-24郭亚

纺织科学与工程学报 2017年1期

关键词：抗菌材料抗菌剂无机

郭亚

(青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071)

抗菌材料的应用与发展

郭亚

(青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071)

介绍了抗菌剂的分类、抗菌机理及其应用，指出了抗菌材料在发展中面临的问题，提出了抗菌材料的未来发展趋势。

抗菌材料抗菌剂抗菌机理应用

随着社会和经济的发展，人们对微生物的研究和认识水平不断提高，越来越追求健康的生存环境，在利用微生物有益性的同时，也十分警惕其作为病原菌的危害性，从而促进了各种抗菌材料的研究与开发。

抗菌材料是指自身具有杀灭或抑制微生物功能的一类新型功能材料。在自然界中有许多物质本身就具有良好的杀菌或抑制微生物生长的功能，如一些无机金属材料及其化合物、部分带有特定基团的有机化合物、部分矿物质和天然物质等。但目前来说，抗菌材料更多的是指通过添加一定量的抗菌剂[1]，使材料在使用过程中可以抑制对人体或环境有害的微生物的生长和繁殖。

1 抗菌剂的分类及抗菌机理

材料的抗菌作用通常是通过抗菌剂来实现的，抗菌剂是指对细菌、霉菌等微生物高度敏感的化学成分，它能通过物理或化学作用杀死附着在材料表面的微生物[1]。抗菌材料在实际使用过程中，并不要求其能迅速杀灭有害微生物，而是侧重于在长期的使用过程中可以抑制它们的生长和繁殖，以达到保护人体健康和环境卫生的目的。抗菌剂按其化学结构不同可分为有机、无机、复合型三大类[2]。

1.1 有机抗菌剂

有机抗菌剂发展的时间较长，种类较多，常用的主要包括天然有机抗菌剂和合成有机抗菌剂两大类。

1.1.1 天然有机抗菌剂

天然抗菌剂主要是从动植物中提炼精制而成的，目前主要有桂皮油、罗汉柏油、壳聚糖、鱼精蛋白等，其中最常用的天然抗菌剂是壳聚糖。壳聚糖是自然界中唯一带正电的碱性多糖，具有良好的亲和性、抗菌性和生物活性。

目前，对于壳聚糖的抗菌机理，主要存在3种推测：一是壳聚糖大分子链带正电，细菌的细胞壁带负电，两者相互接触，产生静电吸附作用，影响细菌的正常活动，使其发生絮凝，从而抑制细菌的生长；二是低分子量的壳聚糖可以穿透细菌的细胞壁和细胞膜进入到细胞内，破坏了细菌体内遗传物质DNA与RNA的相互作用，阻碍细菌的繁殖；三是壳聚糖表面的自由氨基可以与对细菌生长起关键作用的金属离子以及酶的辅助因子进行螯合，抑制细菌对微量元素的摄取以及与营养物质的结合，阻碍其生长[3]。

1.1.2 合成有机抗菌剂

合成有机抗菌剂根据其分子结构可分为20余类，主要包括季胺盐类、咪唑类、吡啶类、噻唑类、卤素类、过氧化物类、双胍类、醇类、醛类、酯类、醚类、酚类、有机酸类等。

合成有机抗菌剂通过与细菌和霉菌等微生物细胞膜表面的阴离子相结合，或与硫基反应，使蛋白质变性，阻碍细菌和霉菌的繁殖，从而起到杀菌、防霉的作用[4]。

有机抗菌剂的开发时间长，技术相对成熟，同时杀菌力强、毒性低、价格较便宜。但由于多数有机抗菌剂的化学稳定性差，在遇水、光照、高温等条件下易被分解，导致其药效持续时间短，极大地限制了其应用范围。

1.2 无机抗菌剂

利用Ag、Cu、Zn等金属本身的抗菌能力，通过物理吸附或离子交换等方法，将Ag、Cu、Zn等金属(或其离子)或二氧化钛等光触媒材料固定在氟石、硅胶等多孔材料的表面制成抗菌剂，然后将其加入到相应的制品中即获得具有抗菌能力的材料[1,5]。无机抗菌剂分类见图1。

图1 无机抗菌剂的分类

1.2.1 金属类抗菌剂

重金属类抗菌剂主要为Ag+、Cu2+、Zn2+、Sn2+、Hg2+、Fe3+、Pb2+、Co2+等金属离子及其化合物，不同金属离子的杀菌活性不同，对人体毒性大小也有较大差异。研究表明,不同金属离子杀菌作用顺序为：Hg2+>Ag+>Cu2+>Pb2+>Co2+>Zn2+>Fe3+>Sn2+，由于Hg、Pb、Co、Sn等金属的毒性较大，因此，以Ag、Cu、Zn、Fe等金属离子负载于无机物载体上的抗菌剂应用较广泛[6]。

1.2.2 光催化类抗菌剂

光催化类抗菌剂是指TiO2、ZrO2、SiC、V2O3、SeO2等能被光子激活的材料。其抗菌机理为：当TiO2等受到小于387.5nm的光照射时，会形成电子空穴对，与吸附在其表面的O2和OH-生成活性较强的原子氧与氢氧自由基，能够分解细菌体内的有机物，从而达到杀菌的效果[7]。光催化类抗菌剂无毒、安全性好、性能稳定、成本低，但必须在紫外光照射下，才能发挥抗菌作用。因此，适用范围受到一定限制。

1.3 复合抗菌剂

由于有机抗菌剂的化学稳定性差、易分解，无机抗菌剂毒性较强，为了改善抗菌剂的性能，研制出具有长效、缓释、稳定、低毒功效的抗菌剂，降低其对人体及环境的危害，开发出了有机、无机及亲水性物质复配形式的抗菌剂，相互协同，取长补短，以提高抗菌剂的综合性能。在复合体系中，有机抗菌剂可以与亲水性物质形成共聚物，其抗菌活性会显著提高，同时在抗菌剂的经济性和抗菌性方面得到互补。因此，综合多方考虑，复合型抗菌剂逐渐成为近年来抗菌剂的研究热点[8]。

美国杜邦公司通过采用抗菌微粒组装技术研制出AMPs抗菌粉末，该粉末是以氧化锌、硫酸钡、二氧化钛作为核微粒，外层包覆含有银、氧化铜等成分的抗菌涂层以及专门的保护涂层，可以控制抗菌成分的释放速率。

2 纳米抗菌材料

纳米抗菌材料是指采用纳米技术对无机抗菌剂进行处理，使其具有更为优异、广泛的杀菌作用，并且通过缓释作用，可以提高其抗菌的时效性。纳米抗菌材料按抗菌的有效成分可以分为金属离子型和光催化型两大类[9]。

金属离子型纳米抗菌材料是指以天然或人工合成矿物材料为载体，添加具有抗菌功能的Ag、Cu、Zn、Fe、Co等金属离子，当金属离子与细菌接触后，由于静电吸附作用，金属离子穿透细胞壁进入细胞内，并与细菌体内的蛋白质、胺基(-NH)、巯基(-SH)等反应，阻止微生物的生物化学过程，细胞丧失分裂能力而死亡。

光催化型纳米抗菌材料是指二氧化钛等N型半导体材料在光催化剂的作用下，能激活水和空气中的氧，形成具有强氧化能力的羟基自由基和活性氧离子，能在短时间内抑制细菌等的繁殖，从而达到抗菌的目的。

3 抗菌材料的应用

由于抗菌材料特殊的功能性，其应用领域越来越广泛。从人们日常穿着的服装，到家用电器、塑料薄膜、卫生陶瓷制品，以及建筑用的涂料、板材等，都在逐步对其进行抗菌防臭加工处理。目前，抗菌材料的应用主要体现在以下几个方面：[10-12]

3.1 纤维制品

随着人们生活水平以及自我保护意识的提高，人们越来越重视服装的舒适性和功能性，对抗菌纤维的研究和开发逐渐受到青睐。抗菌纤维是指采用物理或化学方法将一定量抗菌剂添加至纤维表面或内部，使其具有抗菌功能。

抗菌纤维可广泛用于内衣、运动衫、家纺用品及医学用品等领域。使用抗菌纤维制成的服装,具有很好的抗菌性能,不仅能够杀灭衣物上的附着的细菌、霉菌等有害微生物,使人体远离病菌的侵扰，预防感染病，还可保护服装本身免受有害菌种的侵害，防止服装在穿着过程中的变色及长期储藏时发生霉变；采用抗菌纤维制成的内衣裤、鞋袜及婴儿尿布等，可以抑制脚藓菌等在袜子上的繁殖，起到抗菌除臭作用，防止婴儿因接触尿布而产生红斑；在医学领域，抗菌纤维的应用更为广泛，可制成手术服、医用敷料、绷带等，极大地减少了医院中的细菌浓度。

3.2 抗菌塑料

人们在日常生活中会接触到多种多样的塑料制品，如食品包装袋、垃圾袋、垃圾箱、厨房及卫生间用具等，在环境温度和湿度适宜的条件下，塑料制品表面极易感染细菌，必须对其进行一定的抗菌处理。

抗菌塑料所添加的抗菌剂一般分为有机、无机及天然抗菌剂。抗菌塑料在生产过程中首先要保证塑料作为基体材料使用时所要求的物理、化学等性能，抗菌塑料要有良好的力学强度、化学稳定性及可加工性，并具有高效、广谱、长效的抗菌性。同时达到无毒、无异味、对环境无害的要求。

抗菌塑料在家电和日用品中已得到广泛应用，家用冰箱的内壁、食品盘、果蔬盒等可采用抗菌塑料，以防止细菌滋生；高档轿车的内饰材料(如方向盘、把手、座位等)也已采用抗菌塑料制作；未来，抗菌材料将会越来越多地应用在建材和室内装饰材料中。

3.3 抗菌玻璃

抗菌玻璃亦称绿色玻璃，是一种新型生态功能材料，对于改善生态环境、保持人类健康、指导相关功能玻璃材料的研发具有重要意义。由于玻璃制品主要用于可见光亮度较高处，因此光催化抗菌剂的应用较多。向玻璃中添加新型无机抗菌剂，使传统的玻璃产品增添高新技术含量，既可以保持玻璃材料自身具有的洁净、透明、强度高、化学稳定性好等特点，又赋予其杀灭和抑制病菌的新功能，同时兼具红外辐射性能，是新材料科学与微生物学相结合的产物。

抗菌玻璃可广泛应用于建筑、器皿、包装等领域。实验表明，使用具有抗菌涂层的玻璃器皿盛放鲜花，相比普通玻璃器皿来说，可延长鲜花的存活时间。

3.4 抗菌不锈钢

利用金属离子的杀菌作用，将其添加入不锈钢材料内，可赋予不锈钢材料稳定的抗菌功效。研究证明，在普通不锈钢内添加一定量的抗菌金属元素Ag、Cu、Zn等，并对其铸造、轧制以及热处理过程进行控制，使Ag、Cu、Zn等金属元素在不锈钢基体内能够以一定大小和形态均匀地析出，并保证析出相的体积百分比，既能使普通不锈钢具有优异的力学性能和抗腐蚀性能，又能赋予其一定的抗菌性。目前，具有实用性的抗菌不锈钢大致有三类：一是添加Ag或Cu等金属离子的抗菌不锈钢；二是表面涂敷含有银系抗菌剂的不锈钢板或聚酯漆钢板；三是TiO2系光催化涂层不锈钢材料。

抗菌不锈钢的广泛应用是人类健康安全的屏障，它符合人类追求健康的理念和提升生活质量的愿望。

3.5 抗菌陶瓷

由于卫生间、浴室等场所通常比较潮湿，很容易滋生细菌，因此开发具有抗菌作用的陶瓷制品十分必要，并得到广泛重视与研究。

抗菌陶瓷是指在陶瓷制品生产过程中，加入无机抗菌剂，从而使陶瓷表面具有抗菌作用的一种新型功能陶瓷。抗菌陶瓷可对接触到的空气和水分子产生电离作用，瞬间电离出超氧离子，能够快速杀死细菌，能够有效避免各种传染疾病对人类的侵害，同时分解掉细菌残骸，保持瓷面洁净。

抗菌陶瓷可以广泛地应用在家用卫生间以及医院等公共场所或潮湿环境中。虽然抗菌陶瓷的应用领域和市场前景在不断扩大，但由于抗菌剂的限制，目前开发的抗菌陶瓷只对部分菌种有抑制作用，而且国内还没有制订相应的国家及行业产品标准。因此，还需要研究人员们继续对其进行深入研究，以制备出抗菌效能更好的陶瓷制品。

4 抗菌材料在发展中面临的问题

在国内外研究学者的共同努力下，尽管抗菌剂及其制品的研究开发已得到快速发展，但在其应用过程中仍在存在一些问题[13]：

(1)由于不同抗菌材料的用途与加工方法不同，因此，在对抗菌剂进行开发和研制时要综合考虑抗菌剂的安全性、化学稳定性、药效持久性以及抗菌剂的抗菌能力与载体材料复合时的兼容性等多方面因素。

(2)抗菌材料制品在使用过程中通常需要暴露在空气中，所添加的抗菌剂成分会逐渐从载体材料中迁移出来，导致抗菌时效性降低。因此，要保证抗菌制品抗菌效果的持久性，就必须控制抗菌剂的迁移速率，延长抗菌的时效性。

(3)目前，虽然有很多关于抗菌材料的专利及产品问世，但对于抗菌材料的制备技术及抗菌机理的认识并不全面，开发出的产品性能指标差距较大，并没有形成统一的规范，严重影响了抗菌材料的开发和使用。

(4)迄今为止，对抗菌制品性能的测定还没有形成统一的技术质量监督部门，消费者从外观上难以辨别材料是否具有抗菌性。因此，应快速建立相应的政府部门以规范抗菌制品的质量体系及市场体系，促进其快速发展。

5 展望

随着社会和科研技术的发展，抗菌材料越来越受到人们的青睐，作为一种新型的功能材料，抗菌剂及其制品的开发和使用对改善人类生活环境、提高生活质量具有十分重要的意义，将成为重要的新兴产业领域，具有巨大的发展空间。因此，如何充分利用有机和无机抗菌剂的优势，开发出抗菌性能好、性质稳定、无毒、成本低的抗菌剂，并优化抗菌材料的加工工艺过程，建立相应的规范制度将会成为未来抗菌材料发展的主题。

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