银纳米颗粒的制备﹑抑菌机制及应用的研究进展

房 迅，王嘉伟，吴迎花，屈靖朝，李锦辉，郭少波,2，刘智峰,2

（1.陕西理工大学化学与环境科学学院，陕西 汉中 723000；2.陕西理工大学，秦巴生物资源与生态环境国家重点实验室，陕西 汉中 723000）

纳米材料一般指粒径介于1~100nm 之间，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域的粒子，因具有小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应等独特的性质，被应用于化妆品﹑保健品及建筑材料的生产中。因纳米颗粒可以产生杀菌成分，抑制细菌的正常生长，目前已研究制造出抗菌纳米材料，应用于食品包装材料，医疗卫生以及环境修复等领域。

银纳米颗粒可以释放出20~15000 个银原子，位于材料表面的银原子可以被氧化而游离出银离子，银离子会与细菌细胞膜上的-SH 结合，从而抑制细菌的正常呼吸；银离子还会损伤线粒体产生ROS，引起氧化应激反应，干扰DNA 的正常复制与转录，最终导致细胞凋亡。此外，银离子还可以促进伤口愈合，临床上在处理糖尿病人下肢静脉的溃疡伤口时，使用的银离子泡沫敷料不仅能促进伤口愈合，还能发挥银离子的抗菌作用，降低皮肤的愈合难度，缩短皮肤的修复时间[1]。Haidari 等人[2]首次合成了3种不同尺寸的银纳米颗粒，研究发现其对5 种常见的细菌菌株都有明显的抑菌活性。相较于Ag NPs（6.53nm），较小尺寸的Ag NPs（1.87nm）和Ag NPs（2.93nm）表现出更强的抑菌性。Dong 等人[3]以酪蛋白水解物为还原剂，NaOH 为催化剂，合成了不同粒径的银纳米颗粒，并研究了其对需钠弧菌的抑菌活性。结果表明，粒径尺寸越小，对需钠弧菌的抑菌活性越强。Deshmukh 等人[4]采用超声波辅助葫芦籽提取物还原AgNO3，合成了粒径20nm 的球形银纳米颗粒，并采用抑菌圈法研究了其对E. coli 和S.aureus 的抑菌活性。结果表明，葫芦籽提取物中的氨基酸﹑多肽和蛋白质，可有效阻止Ag NPs 的团聚，使得制备的银纳米颗粒表现出良好的抑菌活性。本文对银纳米颗粒的制备方法和抑菌机制，以及其在食品包装﹑医疗卫生﹑环境修复等领域的应用等进行了综述。

1 制备方法

1.1 化学法

化学还原制备法是银纳米颗粒最常用的制备方法之一，主要是在液相中将银盐与适量的还原剂反应，将Ag＋还原为Ag，再进一步聚集生长为单质银颗粒。该方法制备得到的银纳米颗粒，杂质含量较高，易团聚，粒度分布宽。刘春华等人[5]在一定的条件下通过化学还原法，制备了粒径达到25~30 nm 的银纳米粒子。阳运华等人[6]以硝酸银﹑聚乙烯吡咯烷酮等为原料，制备了尺寸和形貌均一﹑具有碳银纳米核壳结构的复合材料，并以大肠杆菌为代表菌株进行研究，发现其对大肠杆菌表现出良好的抗菌性能。

1.2 物理法

物理法制备银纳米颗粒的一个主要方法，是采用粉碎手段，包括超声﹑机械粉碎﹑电火花冲击等方法，直接粉碎银原料，从而得到所需要的银纳米颗粒。粉碎法虽然成本较低，操作简易，但制备得到的银纳米颗粒的纯度低，且粒径分布不均匀，难以获得较小粒径的银纳米颗粒。

真空冷凝法也是物理法制备银纳米颗粒的常用方法。在真空环境或惰性气体环境中，使用高频电弧或激光激发产生高温，将银原料气化形成等离子态，再急速冷却使之凝结而得到Ag NPs。采用该方法，可得到结晶组织好﹑纯度更高﹑粒度可控的银纳米颗粒，不足之处是真空冷凝法对技术﹑设备和银原料纯度的要求都较高，且制备得到的银纳米粒子容易发生团聚。

1.3 生物法

植物还原法是生物法制备银纳米颗粒的常用方法之一，是在一定的条件下，以植物体中的活性有效成分为还原剂，将Ag＋还原得到Ag NPs。有研究者以栀子黄为提取物合成银纳米颗粒，并涂层于棉织物，发现涂银织物对E. coli 和S. aureus 的抑菌圈均大于7mm[7]。陈满堂[8]采用超声提取了枸杞水提物作为还原剂，在可见光条件下，以AgNO3为前驱体制备的Ag NPs，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表现出良好的抗菌活性。Abdi 等人[9]用天然红根瘤菌的不同部位，合成了粒径为10~19nm 的银纳米颗粒，其对革兰氏阳性病原菌具有很强的抗菌活性。郭文阳等人[10]在光照条件下，利用黑曲霉HQ-1发酵滤液与AgNO3迅速反应生成了银纳米颗粒，93.4%银纳米颗粒的粒径都集中在10nm 以下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抑菌性。

2 抑菌机制

2.1 破环细胞壁

银纳米颗粒接触细胞后，会破坏细胞壁中的肽聚糖的主链，导致脂磷壁酸分解，并破坏磷脂酰乙醇胺中的磷酸胺和脂肪酸基团[11]。有研究者发现，Ag NPs 与含有硫﹑氧或氮的生物分子中的电子给体基团会发生强烈结合，导致细菌细胞壁出现缺陷，最终造成细菌细胞死亡[12]。此外， Ag NPs 会与带负电的细菌细胞壁发生结合，然后攻击微生物中含有巯基的蛋白，破坏细胞壁的完整性。陈美婉等人[13]也指出，Ag NPs 与细胞壁中的肽聚糖发生反应，形成不可逆复合物，阻塞细胞内外的物质交换，从而导致细胞死亡。

2.2 增加膜的通透性

银纳米颗粒会增加细胞膜的通透性，使病原菌细胞质内的营养物质流失。银纳米颗粒可以与白色念珠菌表面结合，使其细胞壁和细胞膜的结构和功能发生改变，致使菌体内容物发生渗漏[14]。银纳米颗粒作用于阿萨希毛孢子菌后，不但会使其菌丝变得稀疏且皱缩，还会使部分菌丝的细胞壁及细胞膜受到破坏，内容物泄漏而导致菌丝干瘪死亡[15]。具有银纳米颗粒涂层的不锈钢材料与铜绿假单胞菌作用一段时间后，可发现其细胞壁和细胞膜都出现了孔洞，整个细胞开始皱缩，形貌发生了明显变化[16]。

2.3 抑制细菌呼吸

银纳米颗粒进入细胞后，会与细胞内L-半胱氨酸上的巯基（-SH）结合，使脱氢酶失活，进而影响细胞的呼吸作用[17-18]。Kim 等人[19]发现，Ag NPs可以与半胱氨酸的硫基（-SH）发生相互作用而形成-SAg，抑制正常的酶促反应，进而影响大肠杆菌正常的生命活动。同时，Ag NPs 也可以与蛋白质的二硫键反应，使呼吸链上的脱氢酶失活，最终造成细菌死亡。

2.4 产生活性氧

银纳米颗粒进入细菌细胞后，会在各种细胞器内累积，最终造成细胞死亡。银纳米颗粒在线粒体内的积累会诱导产生大量的活性氧（ROS），从而影响细胞膜的稳定性及细胞寿命[20]。Danilczuk 等人[21]研究电子自旋共振光谱后发现，银纳米颗粒可以诱导产生羟基自由基。Zhu 等人[22]研究发现，Ag NPs 诱导产生的ROS 以及MAPK 和AKT 信号转导，对人体肝细胞癌HePG-2 细胞的凋亡有一定的影响。Song 等人[23]制备了银/姜黄素复合纳米颗粒，发现姜黄素不仅增强了Ag 与细菌膜的结合能力，同时也加快了Ag＋的释放速度，产生的ROS 随之增加，最终造成细胞膜损伤。

2.5 损伤DNA

银纳米颗粒进入细胞后，会影响DNA 的正常复制，使DNA 的合成量减少[24]。银纳米颗粒也会使部分DNA 缩聚在一起，增加DNA 的降解量[25]。有研究表明，Ag NPs 能使细胞内的染色体发生断裂，损坏DNA 双链，诱导细胞发生癌变，对机体产生基因毒性[26]。Hatcher 等人[27]发现，Ag NPs 对含P﹑S的核酸的亲和作用较强，认为Ag NPs 与细胞的核酸可能存在一定的作用。Feng 等人[28]发现，Ag NPs能与致病菌的碱基发生结合形成交叉链接，置换出嘌呤和嘧啶中相邻氮之间的氢键，使细菌DNA 的复制能力丧失。

3 应用

3.1 食品包装领域

聚乙烯和聚丙烯等有机聚合物是常见的食品包装材料[29]，但这些有机材料在环境中易形成微塑料，对人体和环境造成了一定的危害。基于公众对食品中微生物污染的关注，人们一直在积极寻求具有低毒性和耐药性的高效抗菌剂。有研究者将Ag NPs 掺入用作食品包装材料的玉米醇溶蛋白膜中，制备出的新型涂料具有强大的抗菌活性，对人体细胞却是低毒性的[30]。Yang 等人[31]将Ag NPs 负载在壳聚糖上并掺入聚乙烯醇中，以开发新型的活性食品包装薄膜。研究发现所制备的复合薄膜对大肠杆菌的抑菌圈直径可达到16.07mm。加入Ag NPs后，复合薄膜的水蒸气渗透性和水溶性降低，有利于食品保鲜，在水果储运中显示出巨大的应用潜力。

3.2 医疗卫生领域

银纳米颗粒用于伤口敷料中，可以有效抑制细菌的生长，促进伤口愈合，减少伤口的感染风险，还具有抗氧化﹑抗炎和止血等作用。Sarviya 等人[32]制备了一种含银纳米颗粒的超细纳米纤维网，Ag NPs与细胞内的酶和结构蛋白结合后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抑菌作用，同时因其细胞的相容性好，在伤口敷料方面有一定的应用前景。口腔中含有的大量细菌﹑真菌和病毒等，会使牙体及牙科材料受到污染，特别是种植义齿时，会增加一定的风险。有研究表明，银纳米消毒剂对牙科设备水管（DUWLs）上的细菌具有很强的杀菌作用，可以有效预防DUWLs 污染[33]。Ag NPs 改性的冷热固化义齿基托树脂，具有抑制白色念珠菌和金黄色葡萄球菌生长的能力，可减少因义齿与修复体黏膜接触而引起的感染[34]。

3.3 环境修复领域

随着工业化的快速发展，资源短缺﹑环境污染﹑生态破坏等情况越来越严重，特别是水体和土壤的污染问题备受关注。有研究者基于氧化羧甲基纤维素的自修复荧光水凝胶，依托Ag NPs 优异的传感能力和吸附能力，将此水凝胶应用于重金属离子的检测和吸附，从而为废水处理提供了新的途径[35]。Ag NPs 还可以促进水体中氮的去除，影响NH4-N 的转化，降低氨氧化细菌（AOB）的丰度[36]。Midya 等人[37]制备了TiO2@Ag NPs 光催化剂，发现Ag NPs 的存在增强了催化剂的可见光光催化活性，对水体中的有机污染物甲基橙（MO）的降解，表现出更高的光催化效率。

4 结语

利用银纳米颗粒独特的抑菌活性，可以制作食品包装膜和其他功能性包装材料，也可以用于制作伤口敷料和绷带等。银纳米颗粒还可以应用于牙科材料的制备﹑重金属的检测和有机物的降解中，可对食品包装﹑医疗卫生以及环境修复领域的发展产生很大的推动力。虽然银纳米颗粒在抑菌领域表现出很好的应用前景，但仍存在着许多挑战，还需要不断进行探索和创新。