有机阳离子型电荷杀菌材料研究现状及展望

姜 柳 ，高 琴，王震宇，赵宇蕾 ，张超锋，黄 宇*

1.中国科学院地球环境研究所 中国科学院气溶胶化学与物理重点实验室，西安 710061

2.西安地球环境创新研究院，西安 710061

致病微生物感染引起的公共卫生健康问题严重危害人类的生命安全和经济社会发展，2019年底爆发的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）就是典型的例子。COVID-19疫情一方面危害人类健康，Worldometers 世界实时统计数据（https://www.worldometers.info/cn/）显示：截至北京时间2021年2月2日，已造成超220万人丧生；另一方面造成巨额经济损失，预估对全球经济造成的损失约达30万亿美元，严重阻碍了全球经济发展。致病微生物中细菌对人类生存健康的威胁最为严重。生活中分布较多的细菌主要有葡萄球菌、链球菌、结核杆菌、伤寒杆菌等，常带来如尿路感染、急性腹膜炎、淋巴管炎、阑尾周围脓肿等疾病，这使得抗菌材料成为当今新材料研究和开发的热点之一。最早广泛使用的抗菌剂主要是以Ag+为代表的金属离子抗菌剂。1939年，有研究证明Ag+对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、霉菌均有较强的杀菌能力，主要机制是通过金属离子所带的正电荷吸附于细菌，当金属离子到达细胞膜时，因细胞膜带负电荷而与金属离子发生库伦引力，进一步穿透细胞壁，致使细菌死亡（Zhang et al，2018a；Cui et al，2020）。同时，当金属离子与蛋白类、遗传类物质接触时，会与蛋白质中的巯基结合，干扰巯基酶活性，使微生物的糖代谢等正常生理功能受阻（Hamad et al，2020）。但金属离子这类电荷作用的抗菌材料逐渐表现出了较多劣势，如：释放速率较快；长效抗菌效果欠佳；连续释放的金属离子会引发免疫反应；长期使用会导致细菌产生耐药性并引起组织毒性（Suyal，2003）。因此，开发无耐药性、无组织毒性的抗菌材料对未来抗菌材料的发展意义重大。

有机阳离子型抗菌材料可通过接触式电荷作用，实现细菌的杀灭，是目前研究的热点材料。此类材料由于含正电性的阳离子基团，可与带负电的细菌之间发生静电相互作用。带正电荷的材料与细菌表面电荷参数匹配时，可通过静电吸引创造非特异性但非常强的细菌吸附，利用原子力显微镜和共聚焦显微镜可观察到材料能有效地结合并包裹住细菌细胞，使细菌固定（Ahmed et al，2020），且这种接触式电荷杀菌只会与表面带负电荷的致病微生物发生强的静电相互作用，不会对电中性的哺乳动物细胞造成损伤，这种较强的选择性降低了其对哺乳动物细胞的毒性（Ganewatta and Tang，2015）。对有机阳离子型抗菌材料来说，抗菌性能主要受分子大小，烷基链种类及长度，反离子类型、电荷密度等因素影响。Ikeda et al（1986）研究了带双胍结构的丙烯酸酯均聚物及其与丙烯酰胺共聚物的抗菌活性，发现这类聚胍材料的分子大小与其对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌活性紧密相关，当相对分子质量介于50000 — 120000时其抗菌活性最优。Liu et al（2016）通过自由基聚合合成了不同烷基链长度的季铵盐QAS-C8、QAS-C12和QAS-C18，并用于真丝织物的改性，抗菌结果显示改性丝织物对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌（Escherichia coli）均有较强的抗菌活性，单体烷基链上的碳数为12时，抗菌效果最好。Yoshino et al（2011）合成了14种含、、阴离子基团的季铵盐，测试其对12种不同细菌的最小抑菌浓度，发现含、的季铵盐抗菌性能最好。Ahmed et al（2020）设计合成了一种聚季铵盐（季铵化聚(2-(二甲胺基)甲基丙烯酸乙酯)，PTEMA）修饰的氧化石墨烯（GO）纳米片，修饰后的GO-PTEMA材料相较GO，表面Zeta电位从(−39.5 ± 7) mV提升到了(34 ± 4) mV，通过荧光素染色法测得的表面电荷密度为8.3 × 1014cm−2，说明正电荷密度的提高和抗菌效率呈正相关关系。

与金属离子型的电荷抗菌材料相比，选择开发有机阳离子型电荷接触杀菌材料有以下优点：（1）可以提高和延长抗菌活性；（2）无刺激性，不影响与宿主组织的相互作用或改变宿主的免疫应答；（3）对载体材料的物理力学性能不会产生不利影响；（4）其作用方式是物理接触，利用电荷作用抑制细菌呼吸机能，“接触死亡”；（5）长期与细菌接触不会产生耐药性。

鉴于此，本文系统综述了有机阳离子型电荷杀菌材料的类型、结构特征、杀菌性能及影响因素，阐述和分析了其抗菌机理及应用现状。此外，基于国内外有机阳离子型电荷杀菌材料的研究现状，对其现存问题和未来的发展方向进行了展望。

1 有机阳离子型电荷杀菌材料的制备及结构特征

有机阳离子型电荷杀菌材料通常是带有正电荷阳离子基团的有机化合物，按照相对分子质量的不同，将相对分子质量在5000以下的有机阳离子材料定义为小分子型有机阳离子材料，将相对分子质量在5000以上的定义为大分子型有机阳离子材料。

1.1 小分子型

根据抗菌基团的不同，小分子型有机阳离子抗菌材料主要分为季铵盐类、季鏻盐类、胍盐类（Mahltig et al，2010；Mahltig and Fischer，2010；Lacombe et al，2010）。各种不同类型抗菌材料通用分子结构如图1所示。小分子型有机阳离子抗菌材料普遍杀菌速度较快，抗菌效能高且制备过程简单，但也存在耐热性差等缺陷。近年来报道的代表性小分子型有机阳离子及其复合材料的抗菌活性如表1所示。

图1 小分子型有机阳离子抗菌材料结构通式（a）（b）（c），单链季铵盐（3-甲氧基硅丙基二甲基十八烷基氯化铵）结构式（d），双链季铵盐（双十烷基二甲基氯化铵）结构式（e），双季铵盐（1,5-二(十四烷基二甲基碘化铵)-3-戊醇）结构式（f）Fig.1 General structure formula of small molecular organic cationic antibacterial material (a) (b) (c), structure formula of singlechain quaternary ammonium salt (3-methoxysilyl propyl dimethyloctadecyl ammonium chloride) (d), structure formula of doublechain quaternary ammonium salt (didecyl dimethyl ammonium chloride) (e), and structure formula of bis-quaternary ammonium salt(1,5-bis(tetradecyl dimethyl ammonium iodide)-3-pentanol) (f)

表1 小分子型有机阳离子及其复合抗菌材料Tab.1 Summary of small molecular organic cationic and their composite antibacterial materials

（续表1 Continued Tab.1）

1.1.1 季铵盐类

季铵盐（quaternary ammonium salt，QAS）是有机阳离子接触型抗菌材料中研究最为广泛的。QAS作为抗菌剂的使用可以追溯到20世纪30年代（Jennings et al，2015）。QAS是由含氮（N+）的化合物组成，其中N原子通过共价键连接4个不同的基团，结构通式见图1a，代表式为N+R1R2R3R4X−，其中R可以是氢原子、普通烷基或被其他官能团取代的烷基，X表示阴离子，通常是卤化物阴离子。季铵盐根据分子结构不同可分为单链季铵盐、双链季铵盐和双季铵盐（Diz et al，1994）。典型的单链季铵盐、双链季铵盐和双季铵盐具体结构如图1d — 图1f所示。单链季铵盐结构中只有单个阳离子头和单个疏水长链烷基尾；双链季铵盐具有双长链的疏水尾；双季铵盐结构特点是具有2个阳离子头和2个长链疏水尾。双链季铵盐和双季铵盐，由于分子中具有两个长链的疏水基团或分子中有2个带正电荷的N+，分子电荷强度和分子极性都大于单链季铵盐，更容易和细胞膜表面的负电荷进行吸附作用，所以具有更强的杀菌性能。

季铵盐的抗菌活性主要受烷基链种类、长度及阴离子基团类型的影响。不饱和烷基有利于季铵盐抗菌效果的提高，可以达到高效广谱抗菌的目的（马小玲，2010）。季铵盐的抗菌活性主要受长链烷基影响，烷基链过长或过短对细菌的杀伤力均不大，烷基链长和抗菌活性呈抛物线关系，即当所含碳原子数低于8个或高于18个时，抗菌效果不明显，而碳原子数为14时，抗菌效果最佳（Kanazawa et al，1993a；郭志强，2004；孙洪等，2006）。阴离子基团的不同也会影响季铵盐的抗菌性能，含、的季铵盐抗菌性能较的好（Yoshino et al，2011）。单独的小分子季铵盐抗菌材料易溶出，随溶出量增加材料的抗菌性能会逐渐衰减。为减弱其溶出性，可在季铵盐中引入硅氧烷基团，其中最具代表的是美国道康宁公司研发的AEM5700有机硅季铵盐类抗菌剂（结构式见图1d），其硅氧基可与纤维上的羟基形成共价键，从而持久牢固地附着于各种纺织物表面（Song and Baney，2011）。Chen et al（2013a）利用2-(二甲氨基)丙烯酸乙酯和1-溴己烷的季铵化反应制备了有机硅季铵盐抗菌剂，利用超临界吸附方式对棉织物进行整理，使其获得持久高效的抗菌效果。

近年来文献报道的季铵盐型抗菌材料多为季铵盐与其他无机或有机材料复合，如TiO2、ZnO、石墨烯、聚酯等。通过与其他功能材料复合，来改善季铵盐类抗菌材料的溶出性、抗菌性、生物相容性等。如Chen et al（2013b）报道了一种基于季铵盐（3-三甲氧基-丙基二甲基十八烷基铵）的长效抗菌钛合金体内植入材料，通过阳极氧化法在钛基底上生成TiO2纳米管，然后在管中原位生成AgNPs，进一步固定QAS于纳米管上。TiO2纳米管-Ag-QAS改性的钛合金具有长期抗菌性能，30 d内杀菌率还保持在99.9%。Gao et al（2020）报道了基于二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）的有机无机杂化QAS / (Ag-ZnO)纳米复合材料（图2a），采用不同浓度的QAS / (Ag-ZnO)纳米复合材料对棉织物进行处理，处理后的棉织物抗菌率可达90%以上，经10次循环洗涤后抗菌率均保持在85%以上。QAS / (Ag-ZnO)复合材料的抗菌机制一方面是由于正电荷季铵盐吸附在带负电的细胞表面，导致细胞膜破裂，细胞内容物泄露，细胞死亡；另一方面是纳米复合材料中存在一些有机硅链，可以吸附在纺织品表面，引发水化作用，使纺织品表面形成紧密结合的水层，防止细菌黏附。

1.1.2 季鏻盐类

季鏻盐（quaternary phosphonium salt，QPS）最早由国外于20世纪80年代后期推出，在我国广泛使用是在90年代初期，具有低毒、低发泡性、低剂量、宽pH使用范围（pH 2 — 12）和化学稳定性好等优点，且能够在环境中快速分解，没有生物积累，其作用机制与季铵盐类似。季鏻盐结构见图1b，与季铵盐不同的是磷原子半径大于氮，相应离子半径也大，其极化作用增强，导致磷周围正电性增加，更容易吸附在带负电的细胞膜上，杀菌能力提高（Tan et al，2017；Wang et al，2020）。季鏻盐分子结构相对稳定，但由于生产成本高难以推广，所以其研究和应用不如季铵盐广泛。典型的是日本Kanazawa et al（1993b）于1993年制备出一种长链三丁基季鏻盐，发现当长链碳原子数为12、14、16、18时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有高效的抗菌活性，同时发现相同烷基的季鏻盐比季铵盐抗菌活性高出数十倍。

图2 小分子型有机阳离子季铵盐、季鏻盐、胍盐抗菌材料Fig.2 Small molecule organic cationic quaternary ammonium salt, quaternary phosphonium salt and guanidine salt antibacterial materials

季鏻盐由于水溶性较好，极大限制了其单独作为抗菌材料的应用，因此常对其进行接枝改性或与其他材料复合。常丽（2016）使用不同季鏻盐（甲基三苯基溴化磷、乙基三苯基溴化磷、己基三苯基溴化磷、辛基三苯基溴化磷、十二烷基三苯基溴化磷）对聚丙烯腈纤维进行改性，改性后纤维具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）、白色念珠菌（Candida albicans）的抗菌率在15 min可达100%，且洗涤50次后仍具有优秀的抗菌性能。Chen et al（2018）采用三苯基膦对菊粉进行化学改性，合成了5种不同链长的新型菊粉衍生物，采用体外辐射生长法测定其对黄瓜炭疽病菌（Colletotrichum lagenarium）、芦笋茎枯病菌（Phomopsis asparagi）和西瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）3种植物病原体的抑菌活性，结果显示接枝季鏻盐的烷基链越长或带正电荷的吸电子能力越强，抗菌效果越强。

1.1.3 胍盐类

胍盐类抗菌剂由于含有 NH活性基团，其易接受质子，形成阳离子（ NH+），带负电荷的细菌会被阳离子吸引，进而使细菌无法分裂繁殖，丧失活性，同时抑制其呼吸机能发生死亡。1861年Streeker发现了胍基，其结构见图1c，其中R可以是氢原子、烷基或胍基等。胍是亚胺脲，又称作氨基甲酸脒，其在杀菌方面具有速效、对皮肤黏膜无刺激性、对金属和织物无腐蚀性、受有机物影响轻微、稳定性好等特点。

由ICI泛美公司开发的多亚乙基双胍盐酸盐作为工业广谱杀菌剂，用于医院的表面消毒及食品和酒精饮料工业。1,6-2(4-氯苯基双胍)已烷是广泛使用的消毒剂，常用于皮肤消毒，或用作牙膏、面霜等化妆品的防腐剂。芳基双胍如1-(3-氯-4-庚氧苯基)双胍对部分革兰氏阳性和阴性菌具有较好的杀菌活性。Fong et al（2010）报道了氯己定二乙酸酯（CHX）改性的聚氨酯-蒙脱土（PEUMMT）纳米碳酸盐抗菌材料，CHX（双胍类分子）既作为抗菌剂，又作为有机硅酸盐分散改性剂，CHX改性后的材料刚度增加，同时对葡萄球菌具有较好的抗菌活性，原因是CHX可以吸引带负电荷的细菌，限制其运动，造成“接触死亡”。Mattheis et al（2011）通过三胺结构与盐酸胍的缩合反应，合成了一种新的具有环结构的寡胍，分子间的反应顺序形成了新的结构，其在15 —30 min就能达到很强抗菌效果，该类胍盐的重复结构增加了抗菌单元，抗菌活性有了很大提高。

1.2 大分子型

大分子型有机阳离子抗菌材料分为天然类和人工合成类，天然类主要为壳聚糖及其衍生物，人工合成类的主要是聚季铵盐、聚季鏻盐、聚胍类等（表2）。人工合成类的制备方法包括物理和化学方法，物理方法就是将有效抗菌基团共混加入材料中；化学方法包括两种途径：（1）通过带官能团的单体进行均聚、共聚等（Albert et al，2003）；（2）在高分子基体上接枝引入抗菌官能团（Song et al，2009）。物理方法制备的抗菌材料容易产生脱落或泄漏；化学方法制备的抗菌材料物理化学性质稳定，在低的蒸汽压下不易挥发，不易渗透进入人体皮肤，使用寿命长，且易于加工和储存。抗菌剂经高分子化后，相对分子质量增大，所带阳离子基团增多，正电荷密度提高。高的正电荷密度有助于材料吸附菌体及与细胞膜结合。因此，总体来说，相对分子质量的增大，有利于抗菌材料更好地发挥抗菌性能。同时，小分子抗菌剂经大分子化后稳定性和抗菌持久性均得到大幅度提高。大分子的相对分子质量、相对分子质量分布、交联结构、大分子在溶液中的形态都有可能对抗菌影响产生较大影响。随着研究的深入，大分子型有机抗菌材料正在向高活性、高生物相容性和低毒性的方向发展。

表2 大分子型有机阳离子及其复合抗菌材料Tab.2 Summary of macromolecular organic cationic and their composite antibacterial materials

1.2.1 壳聚糖类

壳聚糖（chitosan，CS）是聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，是具有特定结构和性质的阳离子大分子，分子式(C6H11NO4)n，CS及其衍生物对真菌、细菌和病毒具有很高的抗菌活性。其抗菌活性是由带正电荷的壳聚糖基团（葡糖胺的胺基团）和细菌细胞表面上带负电基团（如肽聚糖等表面成分）之间的静电相互作用引起的，这种静电相互作用会影响细胞壁的渗透性，从而引起内部渗透不平衡来抑制微生物生长，同时静电相互作用也会诱导微生物细胞壁的肽聚糖水解，促使细胞内电解质泄漏，造成细菌等的死亡（Goy et al，2016）。

天然类型抗菌材料研究最为广泛的是壳聚糖有机电荷抗菌材料。汪涵等（2019）用共沉淀法制备了磁性壳聚糖颗粒，发现随壳聚糖含量增加，壳聚糖产生的带正电 —含量同时增加。由于静电作用，细菌细胞壁与 —长时间结合影响其功能的正常运作，最终抑制细菌生长。壳聚糖具有良好的广谱抗菌性和生物相容性，无毒，对人体免疫抗原小，且具消炎、促进伤口愈合等功效。但是，壳聚糖的抗菌性能受浓度、相对分子质量、酸度、脱乙酰度的影响，使其应用范围受到限制。为进一步提高壳聚糖的抗菌活性，很多研究开始对壳聚糖进行物理或化学修饰。Antunes et al（2015）通过静电纺丝手段制备了由去乙酰化/精氨酸修饰的壳聚糖纺丝薄膜用于伤口敷料（图3a），精氨酸修饰可以增加材料表面可用带正电荷基团数量，从而增强材料与细菌细胞壁的静电相互作用。结果表明：修饰后的壳聚糖具有更高的抗菌活性，并且可改善组织再生和加快创面愈合，具有优异的生物相容性。

1.2.2 聚季铵盐类

聚季铵盐（poly(quaternary ammonium salt)，PQAS）抗菌材料是通过将带有季铵基活性官能团的单体聚合而成，或是通过在高分子聚合物基体上接枝小分子季铵盐获得。其先利用电荷作用吸附到菌体表面，再穿透细胞壁，破坏细胞壁和膜结构，造成胞内物质外泄，影响细胞代谢过程，最后菌体死亡。聚季铵盐的抗菌性能受相对分子质量、阳离子密度、反离子类型、疏水性（烷基取代基、侧/端基、聚合物链结构）及亲-疏水平衡等因素影响。一般相对分子质量增大，材料中阳离子密度增大，会增强材料对微生物细胞的吸附、结合和破坏作用，从而提高抗菌性能。但相对分子质量也存在一个合适的区间，相对分子质量过大的材料就难以进入细胞中发挥作用。烷基链长度也会显著影响材料抗菌性能。材料的吸附能力、亲-疏水平衡发生变化，其在细胞表面的形态及其穿透细胞膜的能力也会发生改变。

Carrasco et al（2015）将阳离子双层碎片和聚电解质通过层层自组装技术组装成新型阳离子纳米颗粒杀菌材料，对四种临床重要性的耐药（MDR）菌株进行测试，结果发现聚季铵盐-聚二烯丙基二甲基氯化铵作为纳米颗粒外层对这些微生物表现出显著的效果，具有广谱抗MDR微生物活性，包括革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和酵母。Zeng et al（2020）报道了一种由C3对称刚性单体2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪和柔性连接剂1,2-二溴乙烷反应生成的抗菌聚合物纳米胶囊，将聚合物纳米胶囊构造成阳离子空心球，其主链由吡啶季铵盐形成，当阳离子纳米胶囊接近大肠杆菌时，细菌膜上带负电荷的磷脂分子被吸引到阳离子表面，导致细胞破裂，此抗菌聚合物纳米胶囊的MIC为0.04 mg ∙ mL−1，MBC为0.1 mg ∙ mL−1。此外，很多关于聚季铵盐与其他抗菌材料的复合材料也在逐渐研究中。Li et al（2017）自组装合成了一种新型的多功能基于ABA型三嵌段共聚物抗菌水凝胶（图3b），该共聚物以邻苯二酚官能化的聚乙二醇作为A嵌段，以聚2-(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基碘化铵（PMETA，聚季铵盐）作为B嵌段，这种自愈性水凝胶不仅克服了植入体内的水凝胶材料易受蛋白质和微生物积累的困扰，还克服了由于日常身体运动恒定的机械力导致的水凝胶变形或损伤。它具有很好的热敏性、自愈性，对大肠杆菌具有明显的抑制作用。Wang et al（2019）制备了一种聚季铵盐封端的银纳米颗粒抗菌材料（PQASAgNPs），与作为阳性对照的聚乙烯吡咯烷酮封端的银纳米颗粒（PVP-AgNPs）相比，PQAS-AgNPs对水中的枯草芽孢杆菌具有出色的抗菌活性，活性来源于PQAS和AgNPs的协同抗菌作用，通过ATP监测发现，PQAS-AgNPs破坏了细胞的呼吸链，降低了ATP的合成，破坏了细胞壁和细胞膜的功能，导致细胞内物质泄漏。

1.2.3 聚季鏻盐类

聚季鏻盐（poly(quaternary phosphonium salt)，PQPS）也是一种典型的聚阳离子抗菌材料，可通过含有季鏻盐的单体进行共聚或在大分子基体上修饰含季鏻基团的物质制备。Kanazawa et al（1993a，1993b，1993c）研发了以季鏻盐为抗菌基团的阳离子大分子抗菌材料，此类大分子抗菌材料对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌具有较好的抗菌性能。此后有关聚季鏻盐抗菌材料的研究也逐渐增多。

图3 大分子型有机阳离子壳聚糖、聚季铵盐、聚季鏻盐、聚胍抗菌材料Fig.3 Macromolecular organic cationic chitosan, poly(quaternary ammonium salt), poly(quaternary phosphonium salt),poly(guanidine salt) antibacterial material

刘宏芳等（2009）采用氯甲基化苯乙烯为载体，通过载体上的氯甲基与三苯基膦进行季鏻化反应，合成了水不溶大分子阳离子抗菌材料，聚三苯基季鏻盐热稳定性好，且对SRB、TGB菌种有很好的抗菌作用。Qiu et al（2014）以氯化橡胶为载体，三苯基膦、三丁基膦、三正丁胺为原料，通过分子亲和取代反应，成功制备了大分子三苯基季鏻盐、三丁基季鏻盐、三正丁基季铵盐抗菌材料，材料热稳定性都有所提高，且季鏻盐的稳定性高于季铵盐，同时具有优良的抗菌性能。1 mg · mL−1浓度充分接触24 h对革兰氏阴/阳性菌的杀菌率达100%。Li et al（2013）采用三苯基膦为原料，通过两步法对环氧橡胶进行开环和季鏻化改性，将季鏻盐抗菌活性基团共价接枝于环氧橡胶主链中制得大分子季鏻盐抗菌材料（图3c），对大肠杆菌抗菌率达82.96%。林越威和敖宁建（2019）使用缩醛反应，常温下将季鏻盐接枝到聚乙烯醇中制得大分子抗菌材料，该材料具有热塑性并具有良好的抗菌效果，且细胞毒性较低，可以通过注塑成型或熔融沉积成型加工，适合于抗菌伤口敷料或3D打印伤口敷料。

1.2.4 聚胍类

聚胍类（poly(guanidine salt)，PGS）抗菌材料中研究最多的是聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB），PHMB是一种新型低聚合阳离子化合物，带正电荷，能够渗透到微生物体内，且容易吸附在带负电荷的微生物表面，破坏微生物体的细胞结构，从而起到杀菌作用。其结构与双胍类抗菌剂类似，耐高温，有助于解决部分抗菌剂不耐高温的问题。

Llorens et al（2015）采用静电纺丝法制备了负载PHMB的聚乳酸纳米纤维，可作为抗菌的三维生物降解支架材料，随PHMB负载量的增加，纳米纤维抑制黏附和细菌生长的抗菌特性增强，并在成纤维细胞和上皮细胞系的黏附和增殖方面表现出生物相容性。Rogalsky et al（2016）采用模压成型法制备了低成本、耐热、耐水的聚六亚甲基胍十二烷基苯磺酸盐（PHMG-DBS）的抗菌聚酰胺-11薄膜，在薄膜中引入PHMG-DBS可使表面正电荷密度增加到5.5 × 10−11C · cm−2，该薄膜对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌均有良好的抗菌活性，且具有很高的抗浸出性。Zhang et al（2019）采用胺化和胍化两步接枝制备了胍基功能化石墨烯纳米片，该纳米片在溶液中具有较高的分散性，与聚合物基体相容性良好，再利用非溶剂诱导相分离法制备了新型协同抗菌胍基功能化石墨烯/聚砜（GFG / PSF）混合基超滤膜（图3d），GFG / PSF膜不仅对牛血清白蛋白具有优越的渗透性和显著的防污性能，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性和长期持续效应。

2 抗菌机理

有机阳离子型材料对细菌的杀灭作用是以材料所带正电荷的抗菌官能团来实现的。有机阳离子型材料与细菌基本不产生靶标-靶点的特异性结合，而是通过材料与细胞表面的静电相互作用来束缚细菌的活动自由，从而抑制其呼吸机能，也会进一步破坏细胞膜的完整性，造成“接触式死亡”。因此，这种物理形式的接触式杀菌，是一种不易产生耐药性的杀菌方式。一般细菌外层表面是带负电的，这是由于大部分情况细菌所处生存环境的pH都大于其等电点，所以细菌表面呈电负性状态；此外，细菌细胞壁的磷壁酸含有大量酸性较强的磷酸基，细胞膜内含有的磷脂及一些膜蛋白水解也带负电，更加导致细菌表面呈负电荷状态。哺乳动物细胞膜外层呈电中性（Gabriel et al，2007），所以带正电的有机阳离子抗菌材料对细菌细胞膜具有很强的选择性。目前对于有机阳离子型电荷杀菌材料抗菌机理的报道，归纳为以下两种作用方式：

（1）电荷作用对细菌细胞壁/细胞膜系统的破坏。有机阳离子型抗菌材料的特征基团带有正电荷，能够借助库仑力的作用吸附表面带有负电荷的细菌，使细菌运动受阻，无法对环境变化做出响应，也可由于静电相互作用使细胞壁和细胞膜上所带负电荷分布不均，改变细胞膜的流动性和通透性，从而破坏细菌的细胞壁以及细胞结构的完整性，最终导致微生物死亡。Ahmed et al（2020）通过带正电荷的季胺化氧化石墨烯纳米片（GO-PTEMA）来研究材料与细菌的相互作用（图4a），对照组和氧化石墨烯（GO）处理的细菌均未发现死亡，只有GO-PTEMA处理的细菌呈红色染色，表明GO-PTEMA薄片破坏了细菌细胞壁结构。同时从染色细菌延时图像叠加位移可看到，当GO与大肠杆菌一起孵育时，大肠杆菌细胞四处移动，而用GO-PTEMA处理后则完全阻止了细菌的移动，GO-PTEMA培养下细菌运动的平均速度远低于对照组，这些数据表明GO-PTEMA与细菌细胞紧密结合，细菌被包裹在聚阳离子GOPTEMA薄片中，这是其抗菌作用的主要部分。小分子季铵盐/季鏻盐的杀菌机制总体上相近，源自分子中季氮或季鏻的阳离子头基与细胞的酸性磷脂双分子层发生静电相互作用，一旦二者结合，季铵盐/季鏻盐的疏水尾基就会倾向于嵌入到细菌细胞膜内部，在一定作用时间下会阻碍细菌对外界的正常离子交换和物质交换，并破坏控制细胞渗透性的原生质膜，使细胞内物质外渗，细胞膜被瓦解（Gao et al，2015）。大分子聚季铵盐/聚季鏻盐的杀菌活性基团依旧为季氮或季鏻的阳离子头基，但季铵盐/季鏻盐经高分子化或接枝于高分子基体后，其相对分子质量增大，具有丰富的正电荷和多个膜结合位点，正电荷密度显著提高，更高的正电荷密度使得大分子季铵盐/季鏻盐相比小分子来说，在菌体表面的吸附更牢固，与细菌细胞膜的结合力更强、破坏性更强，但由于相对分子质量增大会导致分子体积变大，在扩散穿透细胞壁时阻力增大（Wang et al，2019）。Zeng et al（2020）制备了一种吡啶季铵盐聚合物中空球形纳米胶囊（图4b），聚合物纳米胶囊的阳离子表面与细菌膜接触或相互作用，吸附细菌膜中带负电荷的磷脂分子，导致细胞膜破裂并杀死细菌。总的来说，高分子化后比相同结构的小分子单体杀菌性和稳定性有所提高。胍盐类、聚胍类抗菌材料在生理条件下，胍基离子化成一个带正电的、能提供氢键供体的刚性平面，胍基可与细胞膜中带负电的羧酸根、磷酸根及硫酸根形成牢固的双氢键（Onda et al，1996；Wender et al，2008），结合力随着胍基的增多而增强，且胍基聚合物在细胞膜上最大负电荷密度的区域与磷酸根结合，导致细胞膜的破裂（Michl et al，2014），细菌对这种基于静电作用而产生抗菌效果的机制很难产生耐受性。

图4 季铵盐修饰氧化石墨烯材料与大肠杆菌作用死活染色荧光显微镜图（左），染色细菌延时图像叠加位移（中），细菌平均运动速度统计（右）（a）（Ahmed et al，2020）；有机阳离子型季铵盐纳米囊泡接触式杀灭大肠杆菌机制、材料与细菌表面作用示意图（左），未经处理的对照大肠杆菌与季铵盐纳米囊泡混合的大肠杆菌SEM形貌图（右）（b）（Zeng et al，2020）；微生物和哺乳动物细胞膜的横截面示意图（上）及细胞膜与有机阳离子聚合物的选择性相互作用（下）（c）（Ganewatta and Tang，2015）Fig.4 Fluorescence microscopic view of quaternary ammonium salt modified GO material with E.coli (left), stacking displacement of time-lapse image of dyeing bacteria (middle), statistics on the average movement speed of bacteria (right) (a) (Ahmed et al, 2020); the mechanism of organic cationic quaternary ammonium salt nano-vesicle contact killing E.coli, schematic diagram of surface interaction between materials and bacteria (left), SEM morphology of control E.coli and treated with quaternary ammonium salt nano-vesicles ( right) (b) (Zeng et al, 2020); schematic cross-sections of microbial and mammalian cell membranes (top) and selective interactions between cell membranes and organic cationic polymers (bottom) (c) (Ganewatta and Tang, 2015)

（2）对细菌体内蛋白质、遗传物质或其他活性物质的扰乱和破坏。由于细胞膜内含有的磷脂及一些膜蛋白水解也带负电，有机阳离子型抗菌材料进一步会使细胞膜上结构蛋白破坏、酶变性（Zhang et al，2018b；Fukushima et al，2019），或胞内K+、细胞质、DNA、RNA等泄漏，菌体死亡（Ding et al，2018）。如壳聚糖由于分子中的阳离子型氨基带正电，首先可以吸附在细菌表面（肽聚糖等负电基团表面成分），之后通过渗透作用进入致病菌细胞内，与细胞体内带有阴离子物质的蛋白质等吸附结合，通过扰乱细胞正常生理代谢活动从而杀灭病原菌（Chang et al，2015；Atay and Çelik，2017）。壳聚糖还通过渗入作用进入菌体，不仅可以和DNA等核内遗传物质结合，干扰遗传物质的复制与转录，抑制mRNA的合成，也可与细胞器及细胞质结合，干扰微生物细胞内的正常代谢，达到抗菌的作用（朱旭明和郑铁生，2007）。

综上发现，有机阳离子型杀菌材料的杀菌机理主要有两个方面，简单分为以下步骤：首先，带有正电荷的有机阳离子材料与细菌表面接触，通过正负电荷的静电相互作用吸附到菌体表面；然后，静电相互作用会阻止细菌移动，使细菌无法对周围环境变化做出反应，从而导致部分细菌发生饥饿死亡；其次，材料会进一步经过渗透和扩散作用穿透细胞壁，破坏细胞壁及其合成；与细胞膜结合，扰乱细胞膜组成，破坏细胞膜形态，改变细胞膜的通透性，离子通路被打开；造成胞内物质如K+、细胞质、DNA、RNA等泄漏，胞内蛋白变性絮凝，阻碍微生物的各项生化反应，干扰微生物生长和维持生命所需物质的产生过程；最后，菌体死亡。此类材料这种接触式电荷杀菌只会与表面负电荷的致病微生物之间发生强的静电相互作用，不会对表面电中性的哺乳动物细胞造成损伤，这种较强选择性降低了其对哺乳动物细胞的毒性（图4c）（Ganewatta and Tang，2015）。

3 应用现状

随着人们对健康、卫生问题的关注度越来越高，有机阳离子型抗菌材料已开始应用在不同领域，主要有抗菌纤维纺织品领域、日用化工产品领域、生物医药领域，部分水处理领域也开始使用有机阳离子型抗菌材料（Li et al，2019；Zhang et al，2019；Liu et al，2020a）。

3.1 纤维纺织品领域

纺织制品在适宜的温湿度下易滋生细菌，在过去20 a里，抗菌纤维纺织制品的市场需求急增，为抗菌材料与纺织品的结合提供了广阔的应用前景。抗菌织物主要是将抗菌材料与纺织制品通过在线处理法或后处理法结合。目前应用较多的是在线处理法，即通过化学结合的方式对纤维纺织品化学分子结构进行改性，或利用物理方法将抗菌材料添加到纤维内部，此方法所得抗菌纤维纺织制品抗菌效果持久，耐洗性较好。后处理法是在纤维纺织品的印染/整理过程中采用涂层、喷涂、浸渍、浸轧等工艺，将抗菌材料固定在纤维纺织品表面，赋予其抗菌功能。常规后处理有四种原理：（1）将抗菌材料吸附在纤维纺织品表面；（2）让抗菌材料的特殊官能团与纺织品表面官能团发生反应或接枝；（3）在生产过程中的整理剂、柔软剂等中添加抗菌材料；（4）利用环氧树脂再通过热固化反应将抗菌材料固定于纤维纺织品表面（丁帅，2010；陆运涛等，2010；夏海民等，2010）。

目前有机阳离子型的电荷杀菌材料已作为一种效果显著、耐久性佳的新型抗菌材料广泛应用在棉纺织领域（Feng et al，2016；Zhang et al，2017），其制成的手术服、手术帽、口罩、卫生包覆材料、医用绷带和医院床品，可极大降低医院的细菌浓度，制成的服装不仅可以让使用者预防疾病传染，还可以使衣物不受发霉等困扰。用抗菌纺织品制成的内衣裤、鞋袜及尿布，可防止衣物产生异味，防止袜子上的脚癣菌繁殖，防止婴儿因接触尿布而产生红斑或过敏。日本富士纺织推出了添加壳聚糖衍生物的CHITOPOLY纤维，与棉混纺后用于婴儿贴身内衣。天然提取的壳聚糖及其衍生物在抗菌织物应用最为广泛，其生物安全性高，织物多次洗涤仍具有优异的耐久性（Onda et al，1996；王亚等，2018；郑云龙等，2020）。如Gadkari et al（2020）将聚阴离子聚苯乙烯磺酸盐和聚阳离子载银壳聚糖纳米粒子通过静电层层自组装技术在棉织物上形成自组装涂层以赋予棉织物优异的抗菌性能（图5a）。

3.2 日用化工产品领域

抗菌制品越来越多的走进日用化工产品领域。生活中常用的塑料制品，如厨房用具、卫生间用品、垃圾箱、食品包装材料等，在合适的温湿度下容易滋生细菌繁殖，因此对此类材料进行抗菌功能化是极其必要的。2003年，日本的抗菌塑料应用广泛；20世纪90年代初，我国中科院化学研究所、清华大学等研究机构也开始了对抗菌塑料的研究。在居住环境中使用抗菌功能涂料，可以抵抗感染杀灭细菌，在人口密集，平均抵抗力较低的学校、医院等场所十分有意义。抗菌涂料一般是直接将抗菌材料与涂料基体进行共混，在不影响涂料本身物理化学性能的情况下再赋予抗菌功能。目前性能最好的是聚阳离子型抗菌材料，其抗菌性好、长效、低毒、安全。生活中的日用品、食品包装材料很多也已经实现了抗菌功能化。

美国ARP（Allied Resinous Products）公司研制的有机系抗菌剂Bacti clean可以在277℃的加工温度下与大部分塑料进行共混，其可将塑料上黏附的细菌在一定时间内杀死或抑制其繁殖，从而减少人和物的细菌交叉感染。壳聚糖基（曾安蓉等，2020）、聚胍基（李杰等，2012）、聚季鏻盐（段婷婷等，2012）抗菌塑料也已广泛应用。Liu et al（2020b）为了解决窗户涂料在自清洁的同时还能控制室温的需求，研发了一种季铵盐双功能抗菌/热致变色涂料（图5b）。Min et al（2020）以季铵盐改性壳聚糖和聚乙烯醇为原料，采用简便环保的水溶液浇铸法制备了一种透明、生物可降解、防雾、抗菌的多功能食品包装复合材料（图5c）。简单的季铵化改性赋予涂层优良的抗菌功能，在日常的食品包装、果蔬包装中具有广阔的应用前景（Belkhir et al，2017）。此外，有机阳离子抗菌材料在牙科洗涤材料或漱口水中也有应用（Antonucci et al，2012）。

图5 有机阳离子型电荷杀菌材料的应用Fig.5 Application of organic cationic charge sterilizing materials

3.3 生物医药领域

微生物感染已成为人类健康的一大杀手，尤其在医疗卫生领域，所有医疗器械的表面都很容易为致病菌等微生物的生长提供合适条件和环境。因此针对生物医药领域的材料，如医疗器械、骨齿科植入材料、伤口敷料等材料的抗菌功能就显得尤为重要。目前，生物医药领域中绝大多数抗菌材料均是在原有表面进行接枝引入抗菌官能团从而赋予其抗菌功能。

Winkel et al（2015）在钛合金表面修饰季鏻盐能大大减少病原菌的附着，减少生物膜的形成，且对人类正常细胞（人体牙龈纤维细胞和人体表皮纤维细胞）几乎无副作用；有机阳离子修饰镁合金（Pei et al，2019）、钛合金和Ti6Al4V合金（Battocchio et al，2019）等体内植入材料具有一定血液相容性和抗菌活性，增加了医疗器械的使用寿命，目前已应用在心血管和骨科领域。伤口敷料是生物医药领域使用最广泛的伤口治疗和包扎用品。多项报道显示：壳聚糖基抗菌凝胶有良好的抗菌性能，可以抑制伤口周围细菌的繁殖，促进伤口愈合，且具有优异的生物相容性。该材料可用于皮肤愈合的创面敷料或绷带，这种敷料不仅具有抗菌作用，还能在伤口界面保持潮湿的环境，起到冷敷和缓解疼痛的作用（Vasile et al，2014；Amato et al，2018；Vijayakumar et al，2020）。此外，还有季铵盐基的交联共混医药包装薄膜（Pour et al，2015）、壳聚糖细胞生长支架材料（图5d）（Wu et al，2021）、壳聚糖季铵盐改性树脂义齿材料（Antonucci et al，2012；Song et al，2016）等。

4 总结与展望

在全球面临新冠疫情的严峻挑战下，在我国政府大力倡导可持续发展的社会背景下，抗菌材料及抗菌产业将在世界传染病防治、环境污染防治、生物医药、大健康产业等多个领域大有作为。有机阳离子型电荷杀菌材料具有优异的抗菌性能，能够为人们的生命健康和生产安全提供强有力的保障。本文通过综述有机阳离子型电荷杀菌材料的本质特性，充分阐述了该类材料的具体类型、结构特征、化学性质、杀菌效果、抗菌机理及应用研究现状。

尽管目前已取得不错进展，但有机阳离子型电荷杀菌材料的开发和应用还存在诸多难点，亟需深化拓展。理想型的抗菌材料应具备抗菌效率高、见效快、不产生耐药性、稳定性优、安全无毒生物相容性好、制备工艺简单、加工性好、使用便捷等特点。预计未来对有机阳离子型抗菌材料的研究主要集中在以下几个方向：（1）深入系统研究材料的抗菌作用机理。材料与微生物作用时对微生物具体生命结构的损伤和破坏，特别是有关阻止生物膜的形成及其相关机制。除了关注材料的正面效应外，还应进行全面的毒性研究，对材料的毒理学研究应包括应用基因组学和蛋白质组学等相关生物学技术，结合相关仪器平台，实时监测材料对机体各器官、组织、细胞及生物大分子的相互作用及损害机理，对作用机理的理解有助于指导设计和研发更加有效的抗菌材料。（2）开发复合型/智能型抗菌材料。现有研究中已出现了无机-无机、无机-有机、有机-有机复合抗菌材料，复合材料在使用过程中发挥着“1 +1＞2”的协同作用，未来应更多关注多种物质复合材料，从各个方面提升材料的综合性能。同时还应开发相关智能杀菌材料，如可以杀死细菌和释放死菌尸体的可切换响应智能材料，赋予多重功能，拓宽其应用范围。（3）应加强研制特异性较强的抗菌材料。其应针对某类致病菌有极强的杀灭能力，但对有益微生物无影响，便于在特定的环境中使用。（4）设计研发合成工序简单、成本低廉、功能多样化、绿色环保的抗菌材料。合成工序、生产成本、功能及环保性等因素将直接决定材料的市场化应用前景，应该从这些方面着手，促进产学研一体化，让最新的科学成果更快地走入人们的生活。