常见抗菌材料的研究进展

刘呈坤,江志威,毛 雪,吴 红

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着社会、经济的发展,人类在享受发展红利的同时也面临着细菌和病毒的侵扰,从2003年的SARS病毒到2019年的新型冠状病毒,病毒不仅危害到世界各地人们的健康,还使全球经济的发展受到了制约。很早以前,人们就已经意识到微生物的存在,他们会使用银或铜制成的碗筷吃饭，也会用冰保鲜食物。到了二战时期,青霉素被用于医疗,使战争期间无数受伤的战士免于伤口感染和发炎。如今，人们已经可以从植物的茎、叶以及微生物的分泌物中提取具有抗菌功能的物质,还研制了各种各样的抗菌剂,并将其应用于纺织品、塑料制品等多个领域,极大的保障了人们的生命健康。为了更好地认识抗菌这个问题,本文主要介绍了抗菌材料的分类,并简单阐述了近年来抗菌材料的研究进展以及常见抗菌材料的抗菌机理,最后论述了抗菌材料的应用领域及未来的发展趋势。

1 抗菌材料的分类及抗菌机理

抗菌材料是指与细菌、病毒作用后,干扰了细菌的正常发育,且经过一段时间后,仍对细菌的生长发育具有抑制作用的一类化学物质。抗菌材料可使细菌的生长受到阻碍,抗菌效果好的抗菌材料甚至可以杀死细菌。依据化学物质内部成分的不同,可以将抗菌材料分为天然、无机和有机抗菌材料[1]。抗菌材料分类及其优缺点如表1所示。

表 1 抗菌材料分类及其优缺点

1.1 天然抗菌材料

天然抗菌材料[2]主要来源于动、植物体内的化学组分以及微生物及其衍生物,是通过提取、分离、纯化制备的抗菌材料。因为来源的不同,可以对其进一步细分。其中,动物类提取物与人体的相容性较好,植物类提取物来源广泛、毒性低。但是，天然抗菌材料提取成本较高,提取物的化学稳定性较差。

1.1.1 植物源抗菌材料 植物源抗菌材料来源广泛,可以通过提取不同植物的相关部分获得抗菌物质。不同部分提取物的抗菌成分存在差异,抗菌效果也各不相同,主要有多酚类、植物精油、生物碱等。当前应用比较多的是香芹酚和百里香精油。抗菌机理主要是:①缓释作用。例如，花春阳等[3]制备了香芹酚-酪蛋白纳米粒(CL-NPs),通过枇杷炭疽菌离体实验,发现CL-NPs的完全抑菌时间长达5 d之久,高于香芹酚酪蛋白混合物组的3 d,这是因为香芹酚的缓释作用,使得抑菌时间得到了延长。②细菌细胞膜的破坏。例如，毕振飞等[4]将多种药用植物的抗菌成分混合，制备了天然植物抗菌液PAMs。通过观察PAMs处理后金黄色葡萄球菌的微观结构，发现部分菌体皱缩变形，细胞膜破裂。而造成这一现象的原因是细胞膜表面吸附有大量的PAMs,随着作用时间的延长,细胞膜受到破环,细菌死亡,从而达到抑菌、杀菌的作用。如图1所示。

(a) 处理前(×20 000) (b) 处理前(×50 000)

(c) 处理后(×20 000) (d) 处理后(×50 000)

1.1.2 动物源抗菌材料 动物源抗菌材料来源广泛,可以来自动物的体内,如多肽、氨基酸，也可以来自动物的甲壳,如壳聚糖。当前的研究集中于壳聚糖,其抗菌机理主要有:①静电作用使细菌细胞壁受到破坏。例如，汪涵等[5]用共沉淀法制备了磁性壳聚糖颗粒,发现随着磁性壳聚糖中壳聚糖含量的增加，壳聚糖产生的带正电—NH3+含量同时增加,可以更多地附着在细菌细胞壁上。由于静电作用,二者紧密结合在一起,细胞壁与—NH3+长时间的结合影响了细胞壁功能的正常运作,最终抑制了细菌的发育。②破坏细胞内的遗传物质。杜欣辰等[6]基于贻贝仿生化学，制备疏水性壳聚糖/银纳米粒子复合支架结构。由于邻苯二酚基团使细胞膜渗透性发生改变,该复合结构对细菌产生抑制作用。壳聚糖分子进入细胞内与细胞中的阴离子物质结合,使DNA合成和转录受到影响,细菌失活。

1.1.3 微生物源抗菌材料 微生物源抗菌材料主要指利用微生物中提取的抗菌物质所制备的抗菌肽,以及由微生物的衍生物制备的抗生素。目前最常使用的是抗生素,可以通过提取和化学合成的方法制备,而研究较多的是抗菌肽。抗菌肽具有杀菌范围广、高效、稳定、无毒害,最重要的是分子量小,可以进入细胞膜内,且具有与细菌作用不易产生耐药性的特点。抗菌机理主要有:①与组成细胞壁的某些成分结合,使细胞壁失去原有的功能;②进入细胞膜内,使细胞膜内外的浓度差发生改变[7];③细胞膜内的离子、蛋白质由于细胞膜上的孔洞流出到细胞外,使细胞失去活性[8]。

1.2 无机抗菌材料

无机抗菌材料很早就被使用,如古代的银筷、铜酒杯,这些具有抗菌效果的金属就是最早的无机抗菌材料。近年来研究的无机抗菌材料可以细分为3类：将带有抗菌功能的金属离子与无机载体合成的无机抗菌材料、在有光源条件下可以产生抗菌物质的金属氧化物以及金属有机骨架化合物(MOFs)抗菌材料。

1.2.1 含金属离子型抗菌材料 大部分的金属离子具有抗菌效果,其中银离子最强,锌、铁离子与银离子相比抗菌效果较弱，因此，研究最多的是银离子。近年来，铜、锌、铁离子也受到了广泛关注。虽然汞和铅离子也具有良好的抗菌性,但因为带有剧毒而很少使用。通过强静电吸附作用或离子交换法将金属离子合成到载体上制备抗菌材料,载体的种类很多,比如蒙脱土、二氧化硅等。这些载体与离子之间的吸附作用很强,有利于金属离子与载体相结合;这些载体价格相对较低,降低了研究成本;这些载体的面积比体积要大得多,可以使更多的金属离子附着在上面,使抗菌效果得到增强。抗菌机理主要有:①金属离子进入细胞膜内,导致细菌渗透性发生改变。严亚媛等[9]研究以蒙脱土/还原氧化石墨烯为载体，通过负载纳米铜制备抗菌材料。在实验室，这种复合抗菌材料(MMT-rGO-CuNPs)对于常用于检测抗菌效果的菌株具有良好的抑制效果。检测细胞内外的离子浓度,发现细胞外的Cu2+浓度较低,Cu2+通过浓度差进入细胞内,阻碍细胞与其他离子的交换从而杀死细菌。②黏附在细菌的细胞壁上,载体可以持久、高效地释放金属离子,导致细菌无法与外界进行物质交换,最终达到杀菌的作用。

1.2.2 光催化金属氧化物型抗菌材料 光催化型抗菌材料是指金属氧化物 (如常见的ZnO、SiO2、TiO2) 必须在有光照的情况下, 才能具有抗菌效果[10]。 抗菌机理主要是金属氧化物可以吸收光能, 发生电子跃迁, 生成带有强氧化还原性的物质。该物质与细菌细胞内的物质发生反应,阻碍了细胞内物质的正常合成, 从而达到抑制细菌生长的作用。 光催化型抗菌材料对大部分细菌具有很强的抑制效果，而且作用条件简单、 安全,化学性质稳定。

张崇淼等[11]将TiO2与Zn(NO3)2·6H2O在碱性条件下充分混合,并在离心作用下制备了TiO2/ZnO复合材料。该复合材料很好地保留了2种氧化物的结构,并将二者的结构紧密结合在一起,使其光催化效果更加显著。合成后颗粒尺寸变化不大,而且复合材料的表面出现了细小的片状结构,增加了与细菌接触的面积,有利于在光照条件下产生更多的强氧化性物质,通过分解细菌细胞内的有机物从而杀死细菌。材料形貌结构如图2所示。

(a) TiO2 (b) TiO2/Zn复合材料 (c) TiO2 (d) TiO2/Zn复合材料

毛华明等[12]以SiO2为载体,通过液相浸渍法制备了掺杂铽元素的ZnO复合无机材料。其中ZnO以六方纤锌矿结构存在,在SiO2的表面呈絮状和花瓣状,比表面积增大,有利于更好地吸收光能,提高了活性氧(ROS)的产量。而铽的掺杂使ZnO的结晶度下降,产生晶型缺陷,锌离子溶出,进入细菌细胞内使DNA的合成受到损伤,从而杀死细菌。复合材料形貌结构如图3所示。

(a) ×1 000 (b) ×10 000

(c) 元素分析

陈一凡等[13]在SiO2溶液中加入不同含量的碳酸丁酯,利用水热法制备了TiO2/SiO2复合抗菌材料。该复合材料表面粗糙,呈现半导体异质结构,有利于ROS的生成。ROS检测发现细菌的细胞内出现了大量的荧光,说明ROS进入细胞内,与细胞内呼吸酶反应,抑制了细菌的呼吸功能,使细菌死亡。抗菌机制如图4所示。

图 4 TiO2/SiO2复合材料的抗菌机制[13]

1.2.3 金属-MOFs抗菌材料 金属离子不仅能与SiO2等无机物复合,而且还可以与有机物复合。通过与MOFs复合制备的抗菌材料对大多数的细菌都具有抑制作用。蒙景茹等以纤维素为载体,通过原位合成法将银离子有机骨架物附着在纤维素上,制备成Ag-MOFs/CFs复合抗菌材料,制备反应机理如图5所示。测量溶液中的银离子质量浓度,发现银离子浓度随着时间的延长而增加,可达500 mg/L左右。该复合材料通过不断释放银离子,使银离子浓度始终维持在较高水平，从而达到杀死大肠杆菌的目的。

张美云等[15]制备了Cu2O/MCC复合材料,通过原位沉积,将该复合材料沉积在MOFs上,制成了具有良好抗菌效果的三元复合材料。这种三元复合材料会对大肠杆菌的生长产生影响,通过抑制大肠杆菌的呼吸系统实现抗菌。

图 5 Ag-MOFs/CFs复合材料制备反应机理[14]

1.3 有机抗菌材料

有机抗菌材料分子结构各不相同,分子量也有高有低。研究最多的是季铵盐类,目前对于多酚类、咪唑类、有机酸类等其他有机抗菌材料的研究也较多。有机抗菌材料不仅能杀死大多数的细菌,而且具有作用效果强、杀菌作用迅速等优点，得到广泛使用[16]。但有机材料受热会分解,并产生有毒性的物质,危害生命健康。根据抗菌材料分子量，对其进一步分类[17]。

低分子有机抗菌材料由于分子量较小，研究时间长(如季铵盐类、吡啶类、胍类等)，制备简单而受到广泛使用，但缺点是毒性较大，在早期的使用过程中产生了大量的耐药菌。

为了解决上述问题，通过对分子量低的有机物进行接枝、聚合、表面修饰等，形成高分子有机抗菌材料。抗菌机理为：①对细菌细胞膜破环。聂建芳等[18]研究以带负电的生物碳渣材料(ACPs)为基体与带正电的聚六亚甲基双胍(PHMB)通过水热合成法相结合，制备的复合抗菌材料在白色念珠菌实验中产生较大的抑菌圈，这是由于ACPs与PHMB所带电荷的不同，使二者很好地结合在一起。ACPs表面带有大量的芳环结构及羧基，使其具有两亲性，能够均匀地分散在不同极性溶液中，有利于PHMB的缓慢释放，PHMB释放的胍基与氢离子结合后带正电，与细菌细胞膜相互吸引，结合在细胞膜上，影响物质的运输，从而达到抑菌的目的。林越威等[19]通过将季鏻盐(QPS)接枝到聚乙烯醇(PVA)上来制备抗菌材料。PVA本身不具有抗菌性，通过接枝QPS使其对大肠杆菌具有抑制作用，QPS分子链带正电性，与细胞膜所带电性相反。由于异性相吸作用，可以更好聚集在细胞表面，使细菌无法和外界进行物质交换而死亡。②协同抗菌作用。马占芳等[20]利用化学还原法制备了壳聚糖季铵盐表面修饰纳米银(QCS/nAg)复合抗菌材料，该抗菌材料不仅表面带有正电性，而且在抑菌实验中，对细菌产生了较大的抑菌圈。这是因为纳米银与QCS的协同抗菌作用，一方面纳米银溶出，破坏了细胞的呼吸链，降低了细胞的活性，另一方面季铵盐阳离子会被细菌的细胞壁吸引，黏附在细菌细胞壁上，破坏细胞壁功能的正常运作，使细胞内的蛋白质和离子流出，细菌死亡。高党鸽等[21]通过原位法制备季铵盐聚合物与纳米ZnO的复合抗菌材料，对常见的实验菌株具有抑制作用。其抗菌机理主要是ZnO与N+协同抗菌效果。一方面季铵盐中N+通过静电作用吸附在带负电细菌细胞壁上，使细胞壁的功能受到影响；另一方面Zn2+可以穿过细菌的细胞膜与其体内的蛋白酶反应，导致蛋白酶的含量降低，参与生理反应的蛋白质含量减少，最后使白色念珠菌逐渐失去活性。

1.4 新型抗菌材料

上述抗菌材料均为传统抗菌材料,随着对抗菌材料机理研究的不断深入,出现了许多新型抗菌材料,弥补了传统抗菌材料的缺点,应用领域更加广泛。

1.4.1 稀土抗菌材料 稀土材料因特殊的外电层结构使其具有不同的物理、化学性能,因而被广泛用于抗菌、发光、成像等领域[22]。材料中的稀土可以通过与其他金属氧化物掺杂以提高抗菌效果,还可以通过与有机物配合制备抗菌材料。毛华明等[23]在带有Cu2+的硅胶中加入铽离子，制备出对大肠杆菌具有抑制效果的Cu2+/Tb2O3抗菌硅胶。铽离子的掺杂使硅胶能负载更多的铜离子,晶体表面变得复杂、多孔,在抗菌实验中能促进更多铜离子的流出,进入细胞内破坏细胞的呼吸酶和蛋白质,使细菌失去活性。其抗菌机理如图6所示。

图 6 Cu2+/Tb2O抗菌硅胶抗菌机理[23]

郭韵恬等[24]制备了掺杂稀土镧的复合包装薄膜。掺杂稀土镧使TiO2的晶层更加紧密,抗菌性能提高，对草莓等水果的保鲜有良好的促进作用。

1.4.2 石墨烯抗菌材料 石墨烯不仅具有良好的物理、化学性能,而且被发现具有一定的抗菌效果,通过与金属复合还可以提高其抗菌性能。姜国飞等[25]以还原氧化石墨烯为载体,将Cu与ZnO复合制成的纳米级颗粒附着在石墨烯上,制备出具有抗菌功能的复合抗菌材料。材料中的还原氧化石墨烯会对大肠杆菌的细胞膜造成损伤,导致细胞内的物质不受大肠杆菌的控制而流出,最后使大肠杆菌死亡。蒋佳佳等[26]通过原位法制成的氧化石墨烯抗菌材料，在抑菌实验中随着银离子浓度的提高,大肠杆菌的菌落数减少。这是由于该抗菌材料会使细胞膜的渗透性发生改变,细胞膜内的物质由于浓度差流到细胞体外,使细菌失去活性。

2 抗菌材料的应用

在物质水平、精神文化水平不断提高的今天,人们对健康问题的关注度也在逐渐上升,而细菌、病毒一直对人们的生命健康产生威胁。为了保障生命健康安全,人们研发了各种各样的抗菌材料,并将抗菌材料应用在各个不同的领域,如抗菌纺织品、抗菌塑料、伤口敷料、抗菌陶瓷、抗菌涂料以及废水处理等。

2.1 抗菌纺织品

日常生活中人们接触最多的就是纺织品,所以对纺织品进行抗菌处理是十分有必要的。为了使抗菌物质更好地与纺织品结合,使抗菌效果持久稳定,研究人员采用微胶囊技术。郑云龙等[27]将壳聚糖-明胶与植物提取物相结合制备了复合抗菌材料。为了使该材料可以更好地依附于棉织物上,使用了微胶囊技术。微胶囊整理后的棉织物对细菌的抑制效果更加明显,抑制时间也更长。尤其是经过了20次水洗后,对大肠杆菌的抑菌率仍然大于70%,说明抗菌微胶囊整理剂可赋予纯棉织物良好、持久的抗菌性能。王亚等[28]以乳化交联法制备了艾蒿油-壳聚糖抗菌微胶囊,制成的微胶囊分散性好,可均匀地将抗菌物质整理到非织造布上。通过对非织造布进行抑菌实验,计算菌落数,证明了该复合抗菌材料对测试菌株有很高的抑菌率,是一种良好的抗菌剂。

2.2 抗菌塑料

抗菌塑料制品主要指日用品、建筑材料、食品包装材料等。传统的塑料制品在自然条件下不易降解,且降解后的产物有毒,与绿色环保的理念相违背。Zahan等[29]将木醋杆菌0416合成的天然聚合物与月桂酸复合,制备了可生物降解的抗菌包装材料。该包装材料对枯草芽孢杆菌的活性有很好的抑制作用,在自然条件下被芽孢杆菌和根霉属分解,不生成有害物质。Karimi等[30]研究在谷氨酸中添加不同含量的赖氨酸制备复合抗菌包装膜,该复合抗菌膜不仅对大肠杆菌有良好的抑制作用,而且不会对益生菌产生影响,可以作为益生菌的载体,并用于食物的抗菌包装。

2.3 伤口敷料

人们受伤后伤口很容易被感染,要求伤口敷料应具有较好的生物相容性以避免伤口进一步发炎,同时还应具有一定的杀菌效果,防止伤口进一步恶化。Vijayakumar等[31]采用具有良好生物相容性的壳聚糖包覆纳米银粒子制备抗菌伤口敷料。制成的壳聚糖-纳米银(Ch-AgNPs)复合材料，不仅对绿脓杆菌有着强烈的抑制作用,而且对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌也表现出很强的抑制作用。这种伤口敷料可以减缓伤口周围细菌的繁殖,加速伤口愈合,而且合成的Ch-AgNPs不会对人体产生危害,说明该复合抗菌材料的生物相容性没有发生改变。Andrea等[32]将壳聚糖与含有儿茶酚基团的咖啡酸进行功能化整理,制备了邻苯二酚功能化壳聚糖(CS-HCAF)。该聚合物具有良好的生物相容性和抗氧化性,对表皮葡萄球菌具有良好的抑制作用,对于伤口的愈合有很好的帮助。

2.4 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是通过物理、化学等手段使陶瓷带有抗菌效果，主要有涂抹、浸渍和混合烧结等方法。其中涂抹和浸渍只是使抗菌材料黏附在陶瓷表面,使其具有抗菌性,但抗菌性不能长久,而且在使用过程中抗菌材料容易流出,影响人类健康。李倩[33]将具有多孔结构的硅藻土与纳米银复合,通过浸渍-烧结法制备了含有大量纳米银的复合抗菌陶瓷。该抗菌陶瓷可以抑制细菌的活性,对真菌的生长也起抑制作用。硅藻土过滤效率很高,与纳米银结合使其具有更高的抗菌功能。纳米银发挥着缓释杀菌的作用,且陶瓷中溶出的纳米银含量远远低于国家标准,不会对人体产生危害。该抗菌陶瓷经水中浸泡270 d后,仍有少量纳米银附着在陶瓷表面,抗菌效果持久。王祖华等[34]将羟基磷灰石中的Ca2+与Ag+交换制备出了载银羟基磷灰石粉体,对实验菌株表现出了强烈的抑制作用。该粉体经酸、碱浸泡6个月后,仍然对细菌表现了一定的抗菌性能。原因是Ag+不是简单地附着在陶瓷表面,而是进入到了陶瓷内部,随着酸、碱对陶瓷的腐蚀,Ag+缓慢释放并继续发挥着杀菌作用。

2.5 抗菌涂料

抗菌涂料主要用于墙面、顶棚等建筑物表面,通过添加抗菌材料使涂料具有防止霉变、抑制细菌生长的作用。梁光容等[35]为了使水性氟碳漆具有良好的抗菌效果,通过添加少量的二氧化铈赋予其抗菌功能。改性后的涂料不仅会抑制细菌和真菌菌落的形成,而且使涂料的耐老化性能从2 920 h提高到了3 665 h,极大的提升了涂料的性能。Liu等[36]为了减少能源的消耗,制成了一种具有抗菌和热致变色的双功能涂料。这种复合抗菌涂料通过与细菌接触杀死细菌,复合材料中的N,N-二甲基-N-{2-[(2-甲基丙烯-2-烯醇基)氧基]乙基}十一烷-1-溴化胺(dMEMUABr)带有正电荷,随着离子间的吸附作用慢慢聚集到细胞壁上,阻碍了大肠杆菌与外界进行物质交换。同时,较小的季铵化合物(QACs)会进入细胞内,影响细胞内物质的运输，最终使细菌失活。抗菌机理如图7所示。

图 7 合成的VO2/聚(MMA-co-dMEMUABr)双功能涂层杀灭细菌原理图[36]

Zhou等[37]制备了低成本和生态友好的Ca/P/Al复合涂层。该抗菌涂层由于细胞内外ROS的协同作用,不仅破坏了大肠杆菌的细胞壁,而且与细胞内的酶反应,抑制了细胞的呼吸作用,导致细菌失活。

2.6 废水处理

某些工业和医疗领域会产生大量废水，不经处理直接排放的废水会对河流、土地和生物产生巨大的危害,处理废水并回收利用是节约用水的关键[38]。 Liu等[39]以季铵盐为载体，通过聚合法制备了复合聚酰胺-二甲基二烯丙基氯化铵反渗透膜(PA-g-Dadmac RO)。这种复合膜由于具有季铵盐,表面光滑且具有亲水性,对细菌有很强的杀灭能力。复合膜中的二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)可以有效地分离有机物和无机盐,且经过20 d的错流过滤实验,复合膜仍然具有稳定的性能。Wang等[40]以PAN为基体，通过无针静电纺丝制备了PAN/Ag/TiO2纳米纤维。由于银离子本身就具有抗菌性能,与TiO2结合,提高了纳米纤维的抗菌性能,在光催化条件下生成的ROS对有机染料的分解效率高达90%以上。光催化降解示意图如图8所示。

图 8 光催化降解机理示意图[40]

3 结 语

如今,抗菌材料已经被运用到了众多领域,充当着越来越重要的角色。研究人员在选择抗菌材料时,开始注重选择新型、绿色、无毒且生物相容性好的物质。这样一来，当抗菌材料与人体接触并作用于人体时,不会对人体产生危害,同时兼具一定的可降解能力,可以减少自然环境的负担。目前常用的抗菌材料普遍具有优良的抗菌效果和广泛的杀菌性,对不同的细菌、微生物均有一定的抑制作用。但是,随着新型抗菌机理的出现和对原有抗菌机理研究的不断深入,未来一定会出现只针对某种细菌或病毒的抗菌材料,以减少使用过程中耐药菌的产生。现有的研究中出现了无机与无机复合、无机与有机复合、有机与有机复合的抗菌材料,这些抗菌材料在使用过程中发挥着一加一大于二的协同抗菌作用,对细菌活性的抑制作用得到增强。未来或许会出现3种、4种甚至更多种物质复合的抗菌材料,在增强抗菌性能的同时,也提高了抗菌材料的物理、化学性能。随着复合物质的增加,如何简化抗菌材料的合成工序,降低抗菌材料的成本,制备功能多样化的抗菌材料，将在未来受到更加广泛的关注。