锌基抗菌材料研究进展

王思博

（河海大学 力学与材料学院，江苏南京 211100）

锌是人体必需元素，作为人体内的辅助因子、信号传导分子和结构元素，其涉及多种生物学途径和活动[1]。由于其具有免疫调节特性，目前被认为是一种潜在的机体保护性物质，锌元素通过参与清除附着于呼吸道黏液纤毛的病毒而抑制病毒复制，发挥抗病毒的免疫功能，抑制炎症反应并调节共生的肺炎球菌菌落，有报道甚至表明其可预防新型冠状病毒（SARSCoV-2）感染（图1）[2]。虽然元素锌(游离离子)的杀菌效果与银、铜等其他金属相比属于中等水平，但已有锌离子与银离子联合杀菌效果更优异的报道[3]。

图1 感染COVID-19后锌可能的机体保护机制

锌基抗菌材料通常包括锌复合物和氧化锌纳米粒子（ZnO NPs）。（1）锌复合物。如吡啶硫铜锌（ZPT）及其衍生物是一类众所周知的抗真菌化合物，在医药、化妆品及其他产业领域有着广泛的应用（图2）。此外，业界合成了许多新的含有席夫碱或其他配体的锌化合物，并对其抗菌性能进行了评价，如锌掺杂介孔羟磷灰石[4]。（2）氧化锌纳米粒子具有高发光效率、宽带隙、大的激子束缚能的特征，引发了研究者对使用不同合成方法制备氧化锌纳米粒子及拓展其应用前景的研究。近年来，人们利用物理、化学和生物等多种方法制备了不同形貌的氧化锌纳米复合材料，所得到的纳米颗粒可以用多种分析方法进行表征，包括动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、X射线衍射（Diffraction of X-Rays，XRD）及电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）等，通过这些方法可以获得有关纳米粒子的大小、形状和光学性质等信息。

氧化锌纳米粒子具有引人注目的抗菌性能，其生物杀灭效应有两种不同的机制：一种是通过光催化过程释放活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）；另一种是通过氧化锌纳米粒子诱导细胞内产生活性氧[5]。本文重点介绍以锌为基础的抗菌材料的研究和发展，并对这类材料抗菌机理的拓展进行讨论。

1 光催化抗菌锌基金属-有机骨架材料——ZIF-8

近年来，以铜、钴、银和锌为基础的具有抗菌性能的光催化抗菌金属-有机骨架材料（MOFs）的报道引起了人们的广泛关注[6]。这些金属-有机骨架材料作为金属成分的储存库，提供金属离子的慢释放和以金属离子为基础的抗菌作用。LI等[7]报道了一组具有光催化杀菌性能的金属-有机骨架材料——锌基咪唑盐（ZIF-8），其机理与以前报道的抗菌性金属-有机骨架材料不同[8]。研究发现，ZIF-8在模拟太阳光照射条件下具有优异的抗菌效能，2 h内可致高达99.999 9%的大肠杆菌在盐水中失活。对其杀灭细菌能力的机理研究表明，其不是由于Zn2+的沥滤或2-甲基咪唑前体的作用，而是以ZIF-8释放活性氧为主。在ZIF-8中的居于Zn离子中心的光电子在通过配体向金属进行电荷转移（Ligand-to-Metal Charge Transfer，LMCT）时被俘获，从而产生活性氧。这种ZIF-8材料的光催化性能优于常用的生物杀灭光催化剂ZnO和锐钛矿TiO2，具有良好的杀菌性能和细菌失活率。根据其优异的抗菌效果和ROS产生机理，众多学者研究了光催化机理，发现ZIF-8具有半导体特性和能带结构。考虑到ZIF-8的n型半导体性质，估计其带隙能量为3.3 eV，ZIF-8的平带电位（以标准氢电极为参考）为-1.2 V，价带电位（以标准氢电极为参考）在2.1 V。通过LMCT过程，光照射产生的光电子被捕获在ZIF-8顺磁性Zn离子位的表面[9]。这些被激发的电子随后可以将氧分子还原成超氧自由基和过氧化氢，这两者是造成细菌损伤的主要抗菌活性物质。研究者随后将含有ZIF-8的功能化纤维整合到MOF抗菌过滤膜中作为新型抗菌材料，展示了潜在的下游应用。这些成果可以促进新MOF材料的设计和合成，使其具有更好的选择性、更高的抗菌效率和更低的毒性。

2 锌基咪唑盐MOF（ZIF）纳米阵列抗菌表面

物体表面污染是传染性疾病传播的主要途径之一。一种常用的预防方法是将对微生物具有灭活或抵抗作用的试剂或酶涂抹在物体表面形成抗菌涂层，使其具备自我消毒或杀死微生物的功能，这些涂层通过缓慢释放起到消毒表面的作用，但随后可能导致二次污染和最终耐药微生物的出现。有研究表明，蜻蜓翅膀和蝉翼的表面被密集的纳米柱所覆盖，只通过物理作用即可避免细菌污染[10]。与其他化学或生物化学灭菌机制相比，这些发现为通过物理机制消灭细菌群落提供了一种新颖、简单和安全的仿生策略。类似的合成性纳米样颗粒表面，比如黑色的硅片表面，也已经证明了相同的机械性物理杀菌机制，而不需要额外的化学物质[11]。受到这种杀菌机制的启发，YUAN的团队建立了一个通用而直接的方法，即在广泛的基质表面上合成锌基沸石咪唑酯骨架构造体纳米短刺样阵列(ZIF-L)[12]。

这些纳米短刺样ZIF-L阵列的尖端锋利，呈片状外形，表面负载正电荷，这些特性的累积效果使得纳米短刺样阵列具有优异的微生物杀伤活性。与以前报道的通过释放金属离子或光催化产生活性氧来杀死微生物的MOF不同，ZIF-L纳米短刺样阵列通过导致纳米阵列尖端所附着微生物的细胞膜破裂来杀死细菌。此外，带正电荷的表面可以将带负电荷的细菌细胞吸附到纳米阵列上，在没有化学物质或抗生素的情况下对微生物产生物理杀伤作用。值得注意的是，简单的ZIF-L纳米阵列涂层工艺已成功地应用于包括塑料、金属和陶瓷等各种疏水性和亲水性物质表面。这种多功能性表明该涂层材料有应用于更广泛材料的实践性潜力。YUAN等[13]的工作也证明了这种技术在无抗生素伤口愈合治疗中的应用，通过将纳米短刺阵列包覆在棉质纱布上，使纱布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生了低毒性的抗菌活性。此研究评价了ZIF-L纳米阵列包被的棉纱对于小鼠感染金黄色葡萄球菌的伤口的治疗效果，同时与商用的银敷料产品进行了对比[（图3、图4），图中箭头显示纳米短刺样ZIF-L穿透了金葡菌的细胞]，发现ZIF-L纳米阵列涂层棉纱在微生物群落计数、表皮再上皮化和表皮构建过程中均显示出较好的性能。

图3 棉纱结构（a和b）和ZIF-L纳米阵列涂层棉纱（c和d）

图4 金黄色葡萄球菌在未包被ZIF-L涂层棉纱（a）和Mueller-Hinton肉汤培养基中培养3 h后包被ZIF-L的涂层棉纱（b）

3 氧化锌纳米阵列在各种表面的消毒作用

ZIF纳米阵列具有在各种实质表面优异的吸附强度和其衍生结构的长期应用的耐久性。氧化锌很容易在不同的表面上以针状或棒状形式生长，且其纳米结构通常比ZIF材料更耐用和更强韧。

氧化锌纳米柱在锌箔、玻璃、不锈钢、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、硅片和陶瓷等表面的生成最近得到了证实。根据日本工业标准——Antimicrobial Products-Test for Antimicrobial Activity and Eきcacy（JIS Z 2801:2000），通过荧光存活/死亡试验和活菌落计数测定，氧化锌纳米柱对革兰氏阳性、革兰氏阴性细菌和真菌都具有良好的抗生性能[14]。进一步的研究发现，锌表面的氧化锌纳米柱可以通过锌和氧化锌交互的电化学反应释放出高浓度的活性氧物质，活性氧的产生有助于增强氧化锌纳米柱清除粘附及非粘附性的细菌细胞的能力[15]。对于不同基质上的氧化锌纳米柱，只有附着在其表面上的微生物是通过物理破裂机制被杀死的，基质-纳米柱与其抗菌效果之间的强相关性可以促进这一领域研究的进一步发展。

纳米结构表面的耐久性是决定其是否适合实际应用的关键因素之一。YI等[14]研究了氧化锌纳米柱在锌箔表面抗摩擦和/或磨损的稳定性，观察到重复用干海绵刷1 000次或湿磨10 000次后，表面纳米结构基本保持不变，说明氧化锌纳米柱耐久性良好，应用潜力巨大。

4 氧化还原活性锌复合抗菌剂

氧化锌是一种重要的半导体金属氧化物，具有3.2～3.4 eV能带隙，在紫外光照射下产生活性氧，是光催化抗菌剂的优良候选品。然而，这种特性依赖于外部光源，由于氧化锌具有较低的电荷分离效率，且电荷载流子快速复合，其光能转换效率相对较低。最近，研究报道了一种具有氧化还原活性的锌/氧化锌复合材料，它可以通过自腐蚀过程产生活性氧，而不依赖光或任何外部能量输入[16]。氧化锌电导带（CB）中的电子是由复合材料中心轻微的锌腐蚀提供的，从而减少了基态氧生成活性氧。Zn/ZnO复合材料具有锌芯的核壳结构，ZnO棒/针阵列在表面对齐排列如同壳层，证明了Zn/ZnO复合材料可以将氧和水转化为超氧化自由基和过氧化氢。在黑暗中Zn/ZnO的活性氧释放速率远高于ZnO纳米颗粒在紫外光照射下的活性氧释放速率。表明Zn/ZnO复合材料具有更高的抗菌效能，而且主要的杀菌机理为活性氧的释放，而非锌离子或纳米粒子的作用。

同样，锌/硫化锌复合材料也具有相当的释放活性氧的性能和抗菌效果，这些新型锌基复合材料可自发释放活性氧，克服了光催化抗菌材料的不足。因此，具备氧化还原活性的锌基复合材料会有更广的应用领域，如水体净化、染料降解和抗菌涂料等领域。此外，已有来自物体表面氧空位的氧化锌纳米晶体释放活性氧现象的报导，但其抗菌效果和耐久性与其他材料相去甚远，可能是表面的氧空位有限所致[17]。

5 其他形式的含锌抗菌剂

以磷酸化蛋白为多孔模板，通过氮吸附/脱附实验，形成了具有大孔径和特殊表面积（182 m2/g）的掺锌介孔材料[18]。通过X射线衍射、傅里叶变换光谱、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等分析技术证实了掺锌介孔材料的形成。此研究制备的掺锌介孔生物材料可用作革兰氏阳性(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性(大肠杆菌)细菌的抗菌剂，Zn2+含量为2%的样品对革兰阳性菌和革兰阴性菌的最大抑菌浓度分别为50%±5%和77%±5%，样品的抗菌活性与Zn2+含量显著正相关。

6 结语

过度使用有机消毒剂的恶果包括残留化学毒性、微生物耐药性增强、环境负担和食物链污染等，因此寻找绿色环保的抗菌材料仍然是一个重大的社会挑战。与传统的通过化学机制消除细菌的有机消毒物相比，含锌抗菌材料的优势在于其是通过物理机械性破坏细菌细胞或释放活性氧来起抗菌作用的。这些新材料在无毒、安全的抗菌方法中扮演着重要的角色，可取代部分有机消毒剂、防腐剂和抗生素等传统抗菌剂，以减轻对生态环境的影响。随着锌基材料开发的进一步进展，将有助于实现更有潜力的常规消毒和环境净化解决方案。