抗菌材料的研究进展

2022-01-20刘姝瑞谭艳君张明宇霍倩

纺织科学与工程学报 2022年1期

关键词：抗菌剂壳聚糖葡萄球菌

刘姝瑞,谭艳君,张明宇,霍倩

(1.陕西省功能材料染整创新工程中心,陕西西安 710048；2.东莞德永佳纺织制衣有限公司,广东东莞523138；3.西安工程大学纺织科学与工程学院,陕西西安710048；4.广东绿纺新材料有限公司,广东江门529000)

0 引言

抗菌材料主要指材料本身自带抗菌性或经抗菌处理能够抗菌抑菌的材料,材料中的化学成分,对霉菌、细菌、病毒等微生物高度敏感,通过化学反应、物理作用将表面的微生物杀灭或抑制其生长,从而起到抗菌作用[1]。

1 抗菌材料分类及性能研究

1.1 抗菌材料的分类

抗菌材料主要分为两类:有机类抗菌材料、无机类抗菌材料[2]。具体分类如图1。

图1 抗菌材料的分类及特点

1.2 有机抗菌材料

1.2.1 天然有机抗菌材料

天然有机抗菌材料主要是从动植物中提取得到,例如薄荷的提取物和蟹、虾中提炼的壳聚糖、溶菌酶以及少部分天然矿物,虽然其耐热性差,产量容易受工业条件限制,作用效果时间短,使得其在相当长的一段时间内的应用得到限制,而被其他合成抗菌剂所替代。但由于其他抗菌剂的毒性、抗生素的耐药性等原因,近年来人们又开始重视这种无毒环保、具有较好生物兼容性、来源广泛的天然有机材料,开始在生物医药领域、纺织服装领域进行大量应用研究。

竹纤维的天然抗菌性并不亚于人工添加的化学物质,具有较好的除臭性,还可去除70%的金黄色葡萄球菌[3-4]。具有中空结构、表面存在大量沟槽缝隙的麻纤维,可使水分迅速扩散,破坏细菌生长环境,再加上自带的少量酚类物,可对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌都有一定的抑菌效果[5-6]。

从植物中提取的黄酮类物质、多酚类物质也具有一定的抑菌效果,例如目前火爆的艾草提取物的抗菌物,草珊瑚、板蓝根的提取物,以及一些中药提取物。这些主要应用在纺织品上,生产诸如抗菌黏胶、抗菌棉系列,在服装穿着过程也有一定的抗菌效果[7]。

在天然有机抗菌材料中研究最多应用最广的是甲壳素、壳聚糖及其衍生物。虽然其具有优异的抗菌性、生物兼容性、可生物降解,同时还能促进伤口愈合,但其水溶性差,酸性条件溶解才可抗菌,且抗菌性相对较弱,无法满足临床、食品等更复杂的抗菌要求。

王向阳等人发现由于微生物细胞对壳聚糖的阻隔性,壳聚糖对乳酸菌、酵母菌、大肠杆菌的抑制作用依次减弱,同时壳聚糖进入细菌细胞后,可能通过内质网膜泡移动[8]。采用4倍抑菌浓度壳聚糖处理三种菌,破坏均强烈。1倍抑菌浓度的壳聚糖,处理乳酸菌,可透过细胞壁,但破坏细胞膜速度较慢、强度较大,可强烈抑制细胞膜上脱氢酶；处理酵母菌,可透过细胞壁并迅速破坏细胞膜,可强烈抑制线粒体脱氢酶,较弱抑制溶酶体中的 β-半乳糖苷酶活性；处理大肠杆菌,不易透过细胞壁,对细胞膜脱氢酶的抑制较弱。

许俊聪等人在氮气氛围下,使用等离子体技术,对壳聚糖材料进行改性,得到光斑区和非光斑区表面均粗糙的改性壳聚糖材料,-CONH2占比上升,-NH2占比下降,能显著抑制大肠杆菌,但对金黄色葡萄球菌的抗菌性改善较小[9]。当改性后的壳聚糖材料与细菌接触时,细胞膜的通透性被改变,局部环境不再利于细菌生长,从而达到抑菌。有研究者将聚乙烯醇和壳聚糖采用冻融法制备无生物毒性、有生物兼容性的抗菌水凝胶,该水凝胶处理1小时金黄色葡萄球菌、大肠杆菌后,无细胞存活。

1.2.2 合成有机抗菌材料

合成有机抗菌材料是在所有抗菌材料中,除金属无机抗菌材料外应用最为广泛、研究最为成熟的抗菌材料,根据分子结构可分为20几类,目前使用最多的有季铵盐系、双胍系、醇醛酯醚酚系、咪唑系。

有机抗菌材料中季铵盐类的抗菌材料使用较为广泛。很多季铵盐抗菌材料在纺织服装面料已经有大量应用,可降解的季铵盐类抗菌材料是当下的研究热门。主要有两种,即对可降解的聚合物单体先季铵化再聚合,或先聚合再使用季铵化进行修饰[10-14]。

除此之外,季铵盐类的抗菌材料,还可在凝血过程中使用且有一定抗菌功能,例如,使用季铵盐与多糖发生反应,制备阳离子淀粉(多糖衍生物)[15],淀粉的快速凝血作用,加上因淀粉被季铵盐化后黏度增大、吸附能力提升、溶胀能力提高,同时季铵盐基团可起到一定的协同抗菌作用。有研究者使用季铵基团的超亲水配体对基体材料进行处理,去调控材料的抗菌和亲水性[16-17]。也可以通过引入其他基团或聚合物进行调节,材料表面具有抗菌性、超亲水、超滑等性能[18]。

季铵盐的修饰作用也可在壳聚糖上使用,壳聚糖的抗菌作用加上季铵盐的抗菌作用,强强抗菌,既有天然材料的生物相容性,又可引入抗菌、抗污基团,实现抗菌功能化改性,并有效提高天然抗菌材料的抗菌性[19]。也有研究者对抗菌聚合物表面进行季铵化处理,再经硝酸溶液处理,而后使用聚多巴胺对聚合物表面进行粘合修饰,制备出对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌均有较高抗菌性的广谱抗菌涂层,可用于一些护理产品、医疗器械的表面抗菌涂层整理[20-21]。

因PVA (聚乙烯醇) 可生物降解、抗菌性优异,近几年成为了抗菌材料的研究热点,但其与基体兼容性不佳、负载抗菌剂分散困难,同时与其他抗菌材料配合使用降低力学性能,所以受到了一定的应用限制[22]。

周雯婷使用聚乙烯醇接枝胍盐低聚物 (PHMG),并按比例与明胶混合,制备出可抑制99%的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌水凝胶复合材料敷料AHD,聚乙烯醇和PHMG在抗菌时发生协同作用,促进了抗菌效果[23]。

石玉青合成了对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌有优异杀菌效果的改性聚乙烯醇膜,他是将N,N-亚甲基双丙烯酰胺( MBA)与聚乙烯醇的分子链共价交联,发生氯化反应,不仅有优异的灭菌效果,同时解决了聚乙烯醇膜在水中易溶解的障碍,储存稳定性提高[24]。

1.3 无机抗菌材料

无机抗菌材料是以无机材料为载体,与具有抗菌性的银、铜、锌等过渡金属的离子、氧化物或光催化材料(ZrO2、TiO2)等复合而成的抗菌产品,大多为比表面积大的纳米级材料,以达到优异的抗菌效果[25-26]。其抗菌效果与抗生素、阳离子聚合物相比,效果稳定,抗菌性也更佳,主要有金属及其氧化物抗菌材料、光催化类抗菌材料、复合无机抗菌材料。

无机抗菌材料主要通过三种方式抗菌,第一种是金属元素直接接触细菌,对细菌的细胞膜、细胞壁进行作用,破坏细胞壁、细胞膜结构,使得内部物质溶出,从而达到抑菌；第二种是带有金属元素的抗菌材料在溶液中溶出,一些尺寸较小的金属元素可透过细胞膜渗透进细胞内部,作用于细胞内物质,发生反应,从而失活,以达抗菌；第三种是使用纳米级材料的活性氧杀菌,在光照条件下,催化激活自身的氧气、水,发生反应,产生具有高化学活性的和·OH,通过催化氧化方式,作用于细胞内物质,破坏细菌繁殖,杀灭细菌,主要使用TiO2、ZnO纳米材料[27]。

1.3.1 金属抗菌材料

金属抗菌材料方面,离子型抗菌目前应用研究及应用最为广泛,应用最广的银系离子抗菌,例如目前常用的杜邦公司生产的纳米银抗菌剂930、纳米银抗菌剂960；其次是铜系抗菌材料。其他金属离子的抗菌有,替代型抗菌铈、镓,其他金属离子镁,也有一定的抗菌性[28]。纳米银抗菌材料主要通过辐射法、多糖法、生物法、Tollens试剂法、多金属氧酸盐法进行合成,具有小尺寸,具有表面效应、宏观量子隧道效应,不仅可以应用于抗菌,也可在光学材料、磁性材料、高强高密材料、电子材料等领域应用[29-30]。

1.3.2 金属氧化物抗菌材料

很多金属氧化物的纳米抗菌材料,不仅可以通过渗透作用进入细胞内部,破坏细胞内部物质,从而实现抗菌效果,也可以通过催化氧化法作用于生物质,实现灭菌杀菌作用。这两种抗菌方式相互连接,故催化氧化抗菌材料也可以是金属氧化物抗菌材料。

樊婷玥等人对PP非织造材料进行硅烷偶联剂KH-560预处理,并将沉积法制备的焦硅酸银-二氧化钛(Ag6Si2O7-TiO2)光催化剂负载到处理后的PP非织造材料表面,所得复合光催化材料Ag6Si2O7-TiO2/PP,在可见光下,发生催化氧化反应,能抑制99.99%以上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌[31]。

时代等人使用金属Li+掺杂TiO2,制备纳米抗菌材料,可抵抗99.5%大肠杆菌的存活,且抑菌环直径达2.6厘米,增进抗菌剂的光催化性能[32]。

1.3.3 复合无机抗菌材料

金峰以Fe3O4磁性纳米粒子为载体,通过层层静电自组装,在表面构建了聚阴电解质海藻酸钠和聚阳电解质季铵化壳聚糖抗菌多层膜,并以此为模板,将银离子还原成纳米银负载在多层膜模板上,得到可回收的双重磁性纳米粒子抗菌材料,对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有快速有效的抗菌性,且5轮循环抗菌后,仍具备较强的抗菌效果,同时银纳米粒子尺寸较小时,复合材料抗菌性最佳[33]。

孙莉通过选择不同种类的溶剂体系及表面活性剂,对反应时间、温度、体系含水量、表面活性剂的加入量、前驱物浓度等条件,进行了探讨研究,得到最佳氧化锌、银纳米粒子及抗菌材料的制备条件,并使用大肠杆菌进行抗菌性评价[34]。纳米银粒子抗菌材料、纳米氧化锌粒子抗菌材料均对大肠杆菌有较好的抗菌性,但均比氧化锌-银复合纳米粒子的抗菌性稍差。纳米粒子抗菌材料的最佳制备方法:前驱物硝酸银、乙酸锌,表面活性剂十二烷基硫酸钠,溶剂乙醇,制备的氧化锌-银复合纳米粒子。

1.4 复合抗菌材料

目前使用较多的是无机纳米粒子的抗菌材料,但无机纳米粒子比表面积大,易聚集,且部分无机纳米材料的潜在的细胞毒性一直被受争议,影响其在各领域的广泛应用。天然有机抗菌材料,其来源于动植物,生物可降解、生物相容、无毒、健康环保,但其也有自身的缺点,例如不耐热,作用效果短,抑菌效果不够强。故将二者相结合的抗菌材料便成为时下研究的重点。此类研究方向一般有两类,一类是均采用抗菌材料,将无机抗菌材料与有机抗菌材料相结合,第二类在纤维素上结合无机抗菌材料,得到纤维素基抗菌材料。

1.4.1 有机抗菌无机抗菌结合

金属+有机骨架的抗菌材料,是一种既具有生物相容性,又具有孔隙率高、比表面积大,因融合多种抗菌方式,而使抗菌性能强上加强的一种抗菌材料。材料所含金属离子可以与细胞膜进行接触,使得细胞膜通透性发生变化而破裂,从而使得细胞内物质流出而杀死细胞；材料所含金属元素,可渗透细胞膜,与细胞内的DNA、蛋白酶进行作用,抑制细胞生长或杀死细胞,材料所含有些金属物存在半导体性,可在光照作用下,发生光催化过程,将空气中的O2或H2O氧化成活性氧(ROS),从而产生抗菌效应[35]。同时具有强抗菌活性和生物相容性的有机配体,和能封装和有效运输纳米金属粒子、抗菌活性物质的高孔隙率和高比表面积的抗菌材料特点,加强了金属-有机骨架材料的抗菌性。

将壳聚糖与具有抗菌活性的金属离子相结合,既可发挥二者的抗菌效果,又可降低金属离子的细胞毒性,目前常见的有Ag 纳米粒子/壳聚糖复合材料[36]。有采用静电纺丝技术制备对高达2厘米的布鲁氏菌、牙龈卟啉单胞菌抑菌圈且生物兼容性佳的AgNPs嵌入壳聚糖薄膜[37]。有利用还原剂壳聚糖,加入AgNPs制备的对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌具有优异抗菌性、环保的复合薄膜[38]。有采用电沉积法,合成AgNPs、羧化壳聚糖的纳米复合薄膜,所得薄膜抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌圈直径大于2.4厘米[39]。使用AuNPs对壳聚糖进行修饰,制备抑菌圈增大、不团聚,且可改善皮肤伤口细胞黏附性和增殖的AuNPs/壳聚糖复合膜[40]。有对AuNPs分别使用乙二醇壳聚糖、壳聚糖进行封端处理得到的复合抗菌材料,可有效抑制李斯特菌类的单核细胞的增生,对MRSA、大肠杆菌、肠沙门氏菌和金黄色葡萄球菌有良好抗菌效果[41]。

黄晓飞首先制备了水溶性好的改性壳聚糖,并引入无机抗菌剂纳米银离子,制备复合纳米银抗菌剂,这样既保留了壳聚糖衍生物的低细胞毒性,又改善了其水溶性,同时增强了抗菌性。可应用于生物医学领域[42]。

李平首先运用改良Hummers制备出含大量含氧基团、边缘有褶皱、呈薄片层的氧化石墨烯(GO),对MB和RhB吸附复合准二级动力学方程,吸附性优异,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有较好的抑菌性。后引入磁性壳聚糖(mCs)进行功能化合成,得到吸附性、抗菌性均增强的GO-mCS复合材料。其次使用PHGC(聚六亚甲基盐酸胍)、PEG(聚乙二醇)对氧化石墨烯进行功能化改性,得到抑菌性增强的GO-PEG-PHGC、GO-PHGC两种均保留了片层结构的复合材料,其中前者由于其分散性好,抗菌性更强。而后,再使用了壳聚糖和PHGC的复合物对氧化石墨烯进行功能化,制备出不易团聚、保留片层结构、具有强杀菌能力的GO-CS-PHG复合材料,且其抗菌活性高于任何单一组分,发现其抗菌性能的显著增加是由于各组分间协同作用,而非简单迭加[43]。

1.4.2 纤维素基抗菌材料

陈浩以纳米纤维素为原料,制备双醛纳米纤维素(DANC),以此为基体,还原硝酸银,与聚乙烯胺交联,得到两性化合物纳米纤维素-聚乙烯胺-银抗菌凝胶,与壳聚糖交联纳米纤维素-壳聚糖-银抗菌凝胶[44]。二者均对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌都具有较强的抑菌性。

师云将氧化锌纳米粒子采用配位作用原位负载在纤维上氨基化纤维素纤维上,同时采用醛基还原银离子制备Ag/ZnO@氨基化纤维素纤维协同抗菌材料[45]。ZnO@氨基化纤维素纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均有较佳的抗菌活性,且纳米银粒子的加入,抗菌活性显著增强。

武昊分别采用乳酸链球菌素、3-氯2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、ε-聚赖氨酸,对高碘酸钠氧化纤维素球为基体进行反应,制备了乳酸链球菌素(Nisin)接枝磁性纤维素球、壳聚糖季铵盐接枝磁性纤维素球、ε-聚赖氨酸接枝纤维素球,均对脂环酸芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌有抑制作用,除壳聚糖季铵盐接枝磁性纤维素球需在高接枝量下才会对大肠杆菌有抑菌作用外,其余均有较好的抑菌作用[46]。

2 抗菌材料的应用研究

2.1 纺织面料的应用研究

抗菌材料在纺织服装上的应用已十分成熟,尤其是近两年,在新冠疫情爆发后,消费者对抗菌抗病毒要求越来越注重。织物上使用抗菌材料已十分常见,所用抗菌剂以纳米银、氧化锌为首,兼有季铵盐、壳聚糖类抗菌剂。除此之外,一些新的抗菌剂的应用也开始出现。

周士馨使用制备出的清澈透亮的Ag-PMANa(银-聚甲基丙烯酸钠)抗菌材料,作用于棉织物,发现较低浓度的银离子就可以通过静电作用与细菌接触,胞内金属离子平衡被破坏,细胞膜的选择透过性受损,蛋白质、还原糖等细菌物流出,达到抑菌效果[47]。同时该抗菌材料可使细菌自身的活性氧平衡被打乱,胞内酶活性受到抑制,细菌产生氧化应激,二种抗菌过程相互作用,从而导致细菌死亡。

陆叶等人,在涤纶针织物上使用纳米银抗菌整理材料通过纳米金负载,所得抗菌面料经50次水洗后仍然具有抗菌性[48]。

刘晓妮等人将针织棉织物在通过络合壳聚糖和纳米银制备出的复合抗菌整理剂中浸轧,得到能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的纳米银壳聚糖复合抗菌针织棉,且保持原有的针织棉风格[49]。

除了在织物面料上通过涂层、浸轧、喷涂等方法使得织物面料具有抗菌效果。也有在纱线上实现抗菌功能的应用,例如抗菌黏胶、抗菌棉、抗菌涤纶。常规化学纤维、再生纤维的抗菌的应用大部分在纺丝过程中加入抗菌剂、纳米抗菌材料,熔融纺丝一般加入纳米抗菌粒子,湿法纺丝一般通过加入抗菌溶剂或者纳米抗菌材料,使得纱线获得抗菌效果；也有通过共混纺丝,将抗菌材料与纱线原料共混纺丝制备皮芯结构的抗菌丝[50]。当然也有一些新的抗菌纤维、抗菌纱线的出现,例如壳聚糖纤维及其混纺纱、聚羟基链烷酸酯共混纤维(禾素纤维)、量子能抗菌聚酯材料等。

随着智能制造、智能生活的不断发展,服装纺织品也开始在智能方向上进行发展,抗菌材料也开始了智能抗菌材料。常见的智能抗菌材料主要有凝胶、微胶囊。智能水凝胶能通过感应外界的环境变化,来释放抗菌银子,主要有无机水凝胶和有机水凝胶,即将无机抗菌材料或有机抗菌材料通过水凝胶方式实现,从而实现智能抗菌[51]。微胶囊抗菌即在芯材中包裹住抗菌材料,这样可以达到缓释的抗菌效果。

2.2 生物医用抗菌材料

生物医用领域对抗菌要求十分严格,无论是医疗环境、医疗设备、医疗用品,还是伤口处理、细菌感染等等都对无菌环境要求甚高,要求能通过对病原微生物的隔断,抑制或杀死细菌,降低机体被传染和得病的风险。早期人们会选择使用抗生素等化学处理手段降低细菌的坏影响,但由于人们对抗生素过度依赖,甚至滥用,细菌耐药性出现,使得抗菌效果变差。因此,生物医药领域对抗菌材料的研究开始趋向于多种方面的研究,不产生耐药性、优异抗菌杀菌能力、广谱抗菌、生物低毒无毒类的抗菌材料得到广泛研究与应用。医用抗菌材料需要对致病微生物有长时持续及显著的抗菌性,应用在人体组织中的抗菌膜型材料还需具有一定的强度、柔韧性,对生命体无毒害、好的生物相容性、环保、可自降解[52]。目前使用较多的有光活性、光催化氧化抗菌材料、金属无机抗菌材料[53]。

生物医用的金属无机抗菌材料,主要有银系抗菌材料(包括纳米银抗菌材料、载银型抗菌材料)、铜系抗菌材料[54]、钛系抗菌材料、锌系抗菌材料,主要应用见图2。

图2 生物医用金属材料的应用

肖远鹏通过氧化石墨烯负载银纳米颗粒得到氧化石墨烯-银纳米复合材料,发现此抗菌材料可抑制金黄色葡萄球菌的分类,但细菌的细胞壁、基因组保持完整,无大量死亡细菌出现,去除复合材料后,细菌可恢复分裂生长,且未对金黄色葡萄球菌产生耐药性[55]。再合成了负载光敏分子Ce6的二氧化锰纳米颗粒,改善催化脓肿微环境下的乏氧微环境,增强光动力疗效,能使皮肤愈合程度显著加快。

吴谦使用光催化良好、在可见光下可快速杀菌的可降解安全的红磷纳米粒子,后超声处理后得到RPNPs,经20分钟的模拟太阳光照射,该材料可杀灭99.98%的金黄色葡萄球菌,同时8周后,该材料可发生降解,同时对细胞无毒[56]。

殷茂力制备了5种安全无毒、可降解的壳聚糖基,可在组织工程、伤口愈合、止血凝血用的抗菌保护膜[57]。第1种是可在60分钟内杀灭91%的金黄色葡萄球菌和93.43%的大肠杆菌的可降解的具有良好生物兼容性的三嗪类磺酸甜菜碱改性壳聚糖(CS-SNCC)膜,但其刚性大,力学性能不佳。第2种,CS-SBMA/PVA(磺酸甜菜碱壳聚糖/聚乙烯醇)复合膜,在抗菌性没有降低的情况下,其力学性能得到提高,生物降解率提升。第3种,磺酸甜菜碱-壳聚糖水凝胶(CS-GMA/SBMA),溶胀率和生物降解率得到进一步提升,能杀灭96.65%～98.27%的大肠杆菌、97.76%～99.84%的金黄色葡萄球菌,细胞兼容性好,无细胞毒性,但其易破碎。第4种,精氨酸伪蛋白-壳聚糖抗菌水凝胶材料,能分别抑制85.59%和91.81%金黄色葡萄球菌与大肠杆菌,对活化RAW 264.7巨噬细胞有明显效果,无细胞毒性。第5种,高孔隙率、致密孔结构的、30分种内可杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌100%季铵/卤胺化壳聚糖衍生物聚乙烯醇(CSENDMH/PVA)纳米纤维膜。

张耀成等人合成了C8-6-8双季铵盐(GQAS)与聚氯乙烯粒料共混压片,制成改性聚氯乙烯材料,能抑制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的生长,力学性能在合理范围内,可用于医学PVC手套等耗材中[58]。

2.3 水处理用抗菌材料

抗菌材料可用于水处理杀菌。因此,一个既能杀菌,又能具有吸附效果的抗菌材料便值得研究。

常莺娜用氧化石墨烯对Ag及TiO2进行改性,制备出GO-Ag纳米材料和磁性石墨烯二氧化钛(MGO-TiO2)纳米材料[59]。其中30分钟内,大肠杆菌经MGO-TiO2处理,失活率达99.99%,但其消毒性会因实际水体存在磷酸氢根和碳酸氢根而大大减弱。大肠杆菌、金黄色葡萄球菌与GO-Ag接触25分钟,失活率99.99%。此两种抗菌材料均具有良好的抗菌杀菌效果,且不产生对人体有害的副产物,可作为新型抗菌剂用于饮用水消毒。

李果分别制备了具有良好抗菌效果的n-Ag@AC(载纳米银活性炭)、抗菌聚丙烯(聚丙烯与n-Ag@T-ZnO共混制备)、抗菌复合玻纤过滤膜(复合玻纤过滤膜接枝有机硅季铵盐),他们能抑制超过99.9%的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌,同时可循环处理饮用水,安全无毒,且具有长效抗菌,可循环处理30天,依然具有较好的抗菌效果[60]。