双模式抗菌涂层的研究进展

陈国铭，吕婉秋，江民乾，陈立军，赵锦

开发与应用

双模式抗菌涂层的研究进展

陈国铭1，吕婉秋2，江民乾2，陈立军2，赵锦2

（1. 浙江泰德新材料有限公司， 浙江 丽水 323000； 2. 丽水学院生态学院，浙江 丽水 323000）

细菌污染是指细菌在材料表面完成不可逆附着并最终形成生物膜，这对人类的生命健康和材料的使用都有极大负面影响。目前针对细菌污染，科研工作者依托杀菌型、抗细菌黏附以及释放抗菌型三种抗菌机理，设计了一系列材料，优缺点都较为明显。其中这些材料的主要缺点为作用时间不长以及有效抗菌。有基于此，开发兼具两种抗菌机理的双抗型功能材料成为解决问题关键。介绍了当前双抗型抗菌材料的发展概况，同时简述了各自材料的特点，并阐述了各自材料的杀菌原理， 最后对双抗型材料的未来发展进行了展望。

抗菌；抗黏附；生物膜；高分子

微生物作为地球上最古老的物种之一，广泛存在于人类生活和工作环境中[1]。同时，在人的体表和体内还生活着10倍于人体细胞的微生物，这些微生物中对我们有着较大负面影响的是细菌[1-3]。这是因为细菌形成的生物被膜是目前人类在医疗保健、食品安全以及工业生产领域所面临的最严重污染源之一。例如医疗所用的外科设备、人工植入物以及医用传感器常因其表面生物被膜的形成造成患者在临床上出现感染型并发症，严重者有死亡病例的报道[3-6]。而在食品加工领域，细菌生物被膜的积累不仅严重影响加工效率，而且易造成食品安全事故。因此当前有效阻碍细菌形成生物被膜成为科研工作者的研究热点。细菌生成生物被膜最先完成的步骤是在材料基体表面从可逆黏附状态转变为有效黏附状态，然后实现快速增殖并最后形成生物被膜。所以解决细菌生物被膜形成的关键点是让细菌无法完成从可逆黏附状态到有效黏附状态的转变。目前抗菌模式有三种，分别是杀菌型、抗细菌黏附型以及细菌释放型[6-10]。但是单一模式的抗菌材料应用于防止细菌生物被膜形成的效果并不理想，例如杀菌型界面虽然能有效灭杀接触界面的细菌，但是细菌死亡后有很大的可能性会黏附于界面表层，这依然会形成生物被膜[11-12]。有鉴于此双抗菌模式的诞生为研发新型抗菌材料提供了一种技术保障。本文先简述了当前常用的抗菌剂，以及相关抗菌模式，最后还阐述最新的双模式抗菌材料。

1 研究现状

1.1 抗菌材料表面的三种作用机制

1.1.1 杀菌型表面

1）接触式杀菌型表面

接触式杀菌表面是通过共价键修饰法或物理吸附法将抗菌剂涂覆在表面，当细菌接触此表面会死亡。目前此类界面选用的抗菌剂范围主要为合成化学品，如四价铵化合物(Qacs)、聚阳离子和各种抗生素[13]。这些抗菌分子通常是利用自身所带的正电荷等作用扰乱细菌细胞膜或阻碍细菌细胞内正常的代谢活动，导致细菌细胞膜破裂或阻止细菌的生长和繁殖[14]。例如Wang[15]将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和壳聚糖通过氢键作用力层层自组装在材料表面，PVP良好的亲水性和壳聚糖的杀菌性能赋予涂层阻抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌黏附并杀灭细菌的功能。

2）释放型杀菌表面

释放型杀菌表面是指通过释放活性物质杀死细菌，减少材料表面细菌的增长和黏附量。这种杀菌材料可分为两类：i）有机类：季铵盐及其聚合物，聚乙二醇胺及其衍生物，壳聚糖及其衍生物等；ii）无机类：纳米金、纳米银、纳米氧化锌或者纳米符合无机粒子等[16]。这些抗菌材料表面是基于两种机制减少细菌生长和黏附量，都具有持久高效的抗菌效果。例如银纳米颗粒作为一种强大的广谱抗菌剂已经广泛应用于聚合物表面涂层，纳米银会破坏细菌的细胞膜，改变细胞的结构，使细胞的渗透性增强，从而导致细菌细胞的裂解，并最终导致细菌的死亡。另一方面，游离态的银离子会与蛋白质和带负电荷的核酸结合，导致细胞壁、细胞膜和细胞核的结构发生变化。同时，银离子诱导活性氧的释放，从而形成具有强大杀菌作用的自由基[17-18]。

Xie等[19]首先利用壳聚糖整合银离子.然后通过电化学方法原位还原为银纳米最终形成颗粒，接着利用静电作用将肝素和骨形成蛋白BMP2)与壳聚糖层复合，最新形成的涂层可以在30天内稳定释放银离子和BMP2.有效抑制细菌的生长.并促进骨细胞的生长。

1.1.2 抗细菌黏附表面

1）超疏水抗黏附表面

超疏水抗黏附表面可以在微结构的空间中捕获稳定的气垫，从而显著减少水滴与材料表面之间的接触，进而防止材料被微生物污染。

陈晓宇等[20]研究了阳离子含氟聚合物涂层棉织物的持久抗菌和抗菌。根据实验研究结果表明，聚合物和织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出良好的抗菌活性，并且对金黄色葡萄球菌的抑菌效果略好，其抗菌活性与其烷基链长有关。并且QA与氟的协同抗菌作用链的引入大大提高了抗菌活性，氟组分的疏水性和低表面能有助于抗菌黏附处理过的织物经过20次洗涤，保持了良好的抗菌、抗菌、防粘耐久性，处理后的织物基本上保持了固有的机械和物理性能原始织物的特性。

2）超亲水抗黏附表面

超亲水抗黏附表面是通过表面的亲水性物质与水发生强相互作用而形成表面水化层，这种表面水化层类似一层阻碍“屏障”，可以增加表面的空间排斥作用，从而阻碍污染物与表面的直接接触，实现表面的抗黏附效果。通常用于构建超亲水表面的大分子材料可根据它们与水的相互作用的方式的不同分为两类：亲水性材料和两性离子材料。前者主要通过氢键与水发生相互作用，而后者则可通过离子键与水发生相互作用。

Filiz Kara等[21]研究以高分子材料聚氨酯(PU)，并采用壳聚糖(CH)接枝和肝素(Hep)固定化的方法对聚氨酯薄膜表面进行了改性，以提高其抗黏附性和抗菌性能。与未改性的PU相比，改性过程显著改变了薄膜的表面化学和形貌，获得了更高的亲水性和更粗糙的结构。与铜绿假单胞菌、金黄色假单胞菌、表皮假单胞菌和大肠杆菌共孵育时，PU-CH-Hep样品的黏附细菌数量明显减少。尽管PU-CH和PU-CH-Hep两种改性膜均表现出很高的抗菌活性,但PU-CH-Hep膜对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌都有很好的杀灭效果,在培养24 h后，大肠杆菌的杀灭率显著下降。且根据MTT 毒性试验表明，所制备的薄膜无毒、生物相容。

Knowles[22]等使用两性离子磺酸甜菜碱硅氧烷对二氧化硅纳米粒子进行功能化，制备出一种通用的防污涂料。所有功能化颗粒表面均具有较高的润湿性，并导致牛血清白蛋白的吸附量大幅下降。颗粒涂层还显示真菌孢子(黑皮草)和细菌(大肠杆菌)的黏附率分别减少了87% 和96%。

1.1.3 细菌释放表面

与耐细菌的表面不同，释放细菌的表面可以使细菌最初黏附，但可以在适当的条件下释放它们[23]。其中温度变化可以触发细菌释放，pH 响应聚合物改性的表面也可用于触发细菌释放，简单的弹性体表面盖能够响应外界刺激而动态变形，包括电压变化，机械拉伸和气压的变化[12]。

1.2 双重功能的抗菌表面

虽然目前单一抗菌材料表面发展已经有很大提升，但是还是存在有很大的缺点。例如，迄今为止尚无某种单一表面能够100%实现抗细菌附着。这些涂层材料一旦被细菌附着在自身表面之后，就无法杀死细菌。为解决这一问题，有研究者发现通过将两种策略组合为一个系统,可以达到更好的杀菌效果[11-12]。

1.2.1 杀菌与抵抗

第一种双重功能抗菌材料表面是基于杀菌和抗细菌黏附特性的组合[24]。这种组合根据将杀生物剂掺入防污材料的方法可分为三类： i)将杀生物剂束缚到不结垢的亲水性聚合物上； ii）将杀生物剂交替地沉积到有抗粘剂层； iii）将杀生物剂存储在不结垢的基质中并释放。

1.2.2 杀菌与释放

第二类双功能抗菌面是基于杀菌和释放特性结合的系统。常见的杀菌表面存在与死细菌积累等严重影响杀菌效果的问题[25]，死细菌积累不仅会降低表面杀死生物的活性，还会降低为其他定殖者提供营养的效率。因此期望能在表面杀死细菌后，有效去除或释放细菌，以保持长期的杀菌活性。影响杀菌与释放材料表面的因素有两个： 1）pH 诱导的阳离子-两性离子转化(化学变化)； 2）温度引起的构象变化和疏水性(物理变化)。

2 抗菌涂层

随着科技的不断进步以及工业化的发展，抗菌涂层的门类更加繁多，应用也更广泛。据抗菌涂层的种类可分为下列几种：无机抗菌涂层、有机高分子抗菌涂层以及复合抗菌涂层。

2.1 无机抗菌涂层

在无机抗菌涂层的制备过程中，通常使用金属及其化合物对涂层进行改性，给予涂层材料一定的抗菌性能。机抗菌涂层根据作用机理不同，可分为接触反应型抗菌涂层、活性超氧机理抗菌涂层和光催化氧化型抗菌涂层三类。

1）离子接触反应型抗菌涂层，一般是通过将可杀菌的 Ag+、Zn2+、Cu2+等离子负载到无机填料（如沸石、分子筛、硅酸盐玻璃）等载体中，再加到涂料中，涂覆到基材表面制备而成[26]。毛华明等[27]运用溶胶-凝胶法制备出二氧化硅载体，采用液相浸渍法制备得到锌型复合无机抗菌材料。其通过稀释涂布平板法，对材料进行抗菌性能检测得到以下结论:载体二氧化硅为无定形态，材料中主要的抗菌成分是纤锌矿结构的ZnO，且呈絮状和花瓣状生长，掺杂铽元素后材料的比表面积明显增大，增加了材料与细菌的接触面积，从而抗菌性能显著提高。

2）活性超氧机理抗菌涂层，该理论认为金属粒子可被视作催化活性中心，它能够激发所处环境的氧，产生一定量的羟基自由基(OH)与超氧离子自由基(O2-)。由于自由基具有较强的氧化还原作用，与微生物接触后，通过氧化还原反应能够在较短的时间内破坏细菌合成酶以及细胞结构，使细菌死亡。Kang-Hee Pa等[28]使用原子层沉积在玻璃基板上形成了ZnO薄膜。这种ZnO薄膜不仅避免了ZnO纳米颗粒的固有聚集,而且还可以产生活性氧(ROS)，例如:阴离子、羟基自由基和单重态氧，其对金葡萄球菌具有抗菌活性，且这种ZnO薄膜通过UV-A光(350~400 nm) 照射后可重复使用，ROS的生成不会减少。此外，在UV-A光下暴露于ZnO膜的细菌细胞显示出破碎的形态，表明ROS促进了细菌细胞膜的破坏。

3）光催化氧化型抗菌涂层，是指在光照条件下，尤其是紫外光(UV)照射时，涂层中的光催化剂发生催化作用，提升了有机物质氧化分解的速度和能力。最具代表性的例子是TiO2，其在UV照射下能产生空穴电子对，吸附在TiO2表面上H2O和-OH 被空穴氧化成羟基自由基(OH)与超氧离子自由基(O2-)等强氧化剂，其活性非常高，可以将细菌有机物氧化分解，从而发挥杀菌抑菌作用。

2.2 有机高分子抗菌涂层

有机高分子抗菌涂层能够克服有机小分子抗菌剂的缺点，具有广谱、高效、无毒、可重复利用等优势。目前有机高分子抗菌材料的制备方法主要有功能单体直接聚合、修饰或改性聚合物、修饰或改性天然壳聚糖以及分离、模拟和改性抗菌多肽四种。有机高分子抗菌涂层主要分为聚合杀菌剂，杀菌型聚合物和释放杀菌剂型聚合物三类。

1）聚合杀菌剂是基于重复单元为杀菌剂的聚合物，即聚合物恰好是多种相互连接的杀菌剂聚合而成，这类杀菌剂的作用类似于单体。例如Bor-Shiunn Lee等[29]将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分别接枝到聚甲基丙烯酸羟乙基酯（pHEMA）和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA），将样品置于新的TSB（胰蛋白酶大豆液体培养基）中进行检测，其结果显示大肠杆菌和变形链球菌在PMMA-pHEMA和PMMA-PEGMA上的OD600和CFU/ml值均低于PMMA，这表明接枝后二者的抗菌效果与PMMA相比，这两种表面对大肠杆菌和变形链球菌的黏附有显著抑制作用。

2）杀菌型聚合物，其抗菌活性成分由整个大分子体现，不具备单体式的抗菌重复单元。例如裴丽霞等[30]通过使用季铵盐改性活性炭使活菌迅速死亡，其杀菌原理是溶解细胞膜从而导致细菌死亡。该种抗菌表面经循环使用10次后，杀菌率达到99%，保持着很好的杀菌性能。

3）释放杀菌剂型聚合物不通过实际的聚合物部分起作用，取而代之的是作为生物杀伤剂的载体，以某种方式释放转移杀菌剂到细菌细胞。这样的聚合物活性很高，可以在接近细胞时在局部高浓度地释放抗菌剂来杀伤细菌。来自天然来源茶叶的茶多酚表现出优秀的抗菌性能[31]。Kenawy 等[32]则模拟合成了这些天然聚合物，并进行研究发现，该聚合物涂层发挥抗菌功效必须依赖于涂层释放的酚类物质杀死微生物细胞。

2.3 复合抗菌涂层

复合抗菌涂层是将不同的抗菌剂复合到某一种材料中，解决了单一抗菌剂的某些缺点，充分发挥不同抗菌剂的抗菌性能，完善材料的抗菌效果。目前主要有无机/无机复合抗菌材料、无机/有机复合抗菌材料和有机/有机复合抗菌材料三种。

LEONARD D. Tijing等[33]通过一步静电法制备电气石（TM）纳米颗粒（NPs）修饰聚氨酯（PU）复合纳米纤维，该纤维继红细菌在培养一定时间后进行检测，结果显示与纯PU纳米纤维无任何抗菌活性相比，该种抗菌涂层对大肠杆菌和链球菌都表现出较强的抗菌活性，且随着TM/NP含量的增加，抑菌效果更佳明显。

申玉璞等[34]研究探讨了对萘磺酸钠修饰的石墨烯基纳米银复合抗菌材料的制备及性能。首先制备了石墨烯基纳米银复合材料，采用1-萘磺酸钠修饰，得到AgNP /rGO-NA，然后通过与聚乙烯吡咯烷酮做保护剂的纳米银( PVP /Ag-NP)的比较，分析其稳定性，抗菌活性，细胞毒性。研究发现，24 h内AgNP对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均为88.9%，而24 h内AgNP/rGO-NA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别98.6%和98.9%。这是因为 AgNP/rGO-NA不仅是石墨烯和银离子所具有的抗菌活性的简单相加，更是因为石墨烯材料所具备的独特性能才能使银离子产生更强的抗菌性能。

王冰等[35]研究了有机硅季铵盐和壳聚糖季铵盐抗菌剂的抑菌活性以及两种抗菌剂复配后的抑菌性能。对革兰阴性菌的抑菌实验结果表明，有机硅季铵盐对大肠杆菌的最低抑菌浓度均为0.032 4 mg·mL-1; 壳聚糖季铵盐对大肠杆菌的抑菌浓度为0.07 mg·mL-1，抑菌率为99.54%。壳聚糖季铵盐与有机硅季铵盐浓度配比为0.5∶0.5时，40 ℃水浴处理30 min，作用于大肠杆菌 20 min，抑菌率达到98.68%。与单独使用相比，有机硅季铵盐与甲壳素季铵盐复配后可以提高对致病菌的抗菌活性,并且具有杀菌时间短、见效快、抑菌率高等优点。

3 展望

近年来，人们的健康意识提高，对于抗菌材料的需求更加迫切及多元化，但是当前市场上可供使用的抗菌材料却非常有限，因此需要将未来的研究重点放在抗菌材料的研究上。目前，复合型抗菌涂层以及有机高分子抗菌涂层是近年来应用较多、抗菌效果更好的两类涂层材料，其在未来相对具有良好的发展前景。但就目前来看，未来需要加大科研开发力度，研发出制作工艺更加简单、性质更加稳定、安全性更高、抗菌性能更好、使用周期更长，并有良好的生物相容性等特点的材料，为人类生物医疗材料开阔应用前景。

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Research Progress of Dual-Pattern Antibacterial Coating

1,2,2,2,2

（1. Zhejiang Taide New Material Co., Ltd., Lishui Zhejiang 323000, China; 2. Zhejiang Lishui University, Lishui Zhejiang 323000, China）

Bacterial contamination refers to the irreversible attachment of bacteria on the surface of materials and the eventual formation of biofilms, which has a great negative impact on human life and health and the use of materials. At present, in view of bacterial contamination, scientific researchers have designed a series of materials based on three kinds of antimicrobial mechanisms: bactericidal type, antibacterial adhesion and release antimicrobial type, their advantages and disadvantages are obvious. Among them, the main disadvantages of these materials are short acting time and effective antimicrobial.Based on this, the development of dual-antibody functional materials with two antimicrobial mechanisms becomes the key to solve the problem. In this paper, the current development of dual-resistance antimicrobial materials was introduced, the characteristics of each material was described, and the sterilization principle of each material was discussed. Finally, the future development of dual-resistance antimicrobial materials was prospected.

Antibacterial ; Antiadhesion ; Biofilm ; Polymer

2020-06-08

陈国铭（1968-），男，浙江省丽水市人，1991年毕业于复旦大学应用化学专业，研究方向：功能材料。

赵锦（2000-），女，研究方向：高分子材料。

TQ050.4

A

1004-0935（2020）07-0867-05