抗菌材料的研究进展

郝喜海，孙 淼，邓 靖

（1.湖南工业大学包装新材料与技术重点实验室，湖南 株洲 412007；2.湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007）

抗菌材料的研究进展

郝喜海1，2，孙 淼1，邓 靖1，2

（1.湖南工业大学包装新材料与技术重点实验室，湖南 株洲 412007；2.湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007）

介绍了抗菌材料用抗菌剂的抗菌机理，以及抗菌纤维、抗菌塑料、抗菌陶瓷、抗菌金属等抗菌材料的应用。

抗菌剂；抗菌机理；抗菌材料；应用

抗菌材料是经添加抗菌剂后形成的新型功能材料，具有抑制或杀灭表面细菌能力。这些新型的功能材料已经开始应用于人们的衣食住行各个方面，从日常穿用的纤维服装到家居常用的家用电器等［1～2］。使用抗菌材料可以有效降低或避免细菌的交叉传染和疾病的传播，因此，抗菌制品也越来越受到青睐。近年来，研究工作者们开展了各种抗菌材料及抗菌制品的研究工作，结合抗菌剂各自的特点，进一步开发出有效的抗菌剂，使其在更广阔的领域中得到应用。

1 抗菌剂及抗菌机理

抗菌剂是指一些微生物高度敏感，少量添加到材料中即可赋予材料抗微生物性能的化学物质。也就是说，抗菌剂是能使细菌、真菌等微生物不能发育或抑制微生物生长的物质［3～4］。从形态上抗菌剂可分为气态、液态和固态3种；依化学成分差异可分为有机抗菌剂、无机抗菌剂、天然抗菌剂 3 类［5］。

（1）有机抗菌剂如季铵盐类等。此类抗菌剂杀菌力较强，效果迅速且价格便宜，但因其耐热性差，有一定毒性，在很大程度上限制了其应用。

（2）无机抗菌剂。一种为溶出抗菌，即无机化合物中含有抗菌性离子（如银、铜、锌等金属离子），通过缓释使微生物蛋白质结构遭到破坏，造成微生物死亡或使其产生功能障碍［5～6］。另一种为光触媒抗菌，它是以TiO2为代表的光催化类抗菌剂，此类抗菌剂耐热性较一般无机抗菌剂高，但必须有紫外线照射，并且有氧气或水的存在才能起到杀菌作用。

（3）天然抗菌剂如壳聚糖等。天然抗菌剂安全性高，抗菌范围广，但其耐热性差，且易受生产条件制约，很难大规模生产。

2 抗菌材料在日常生活中的应用

2.1 抗菌纤维

抗菌纤维是指采用物理或化学的方法将具有能够抑制细菌生长的物质引入纤维表面及内部，使其具有抗菌效果。随着人们生活水平的提高和自我保护意识的增强，人们对服装的舒适、保健功能日趋重视，各种抗菌纤维的研究、开发与生产愈来愈得到重视。王淑花等［7］用离子交换法制备具有多孔结构的纳米SiOx抗菌剂，采用紫外光辐射方法制备抗菌羊毛，性能测试结果表明，此抗菌羊毛不但具有优良的抗菌性能，同时具有较好的力学性能。张勇［8］通过银离子与壳聚糖的络合作用制得了稳定的抗菌整理剂并对丙纶非织造布进行整理，可以使该非织造布既有良好的抗菌效果，又能保持基本性能，且耐洗涤性较好。牛梅等［9］运用紫外光辐照的方法先对羊毛纤维表面预处理，再进行二次辐射，最后洗涤干燥，经此工艺制备的抗菌羊毛纤维，接枝吸附率较高，抗菌效果较明显，在洗涤30次后，仍具有良好的抗菌性。Wang等［10］将不同配比的共聚物和聚丙烯腈溶解于硫氰酸钠水溶液中配成纺丝液，采用两步法纺制了聚丙烯腈共混纤维，仅含质量分数10%共聚物的共混纤维经氯漂后，对大肠杆菌的杀灭率可达97.5%。江日金等［11］制备的镀银纤维，不仅具有抗静电、调温和抗菌作用，而且对微波具有强烈的反射作用，用其制成的织物对微波的屏蔽效果可达99.99%。张翌等［12］制备的抗菌防臭纤维织物具有明显的杀细菌及部分敏感真菌的作用。陈军等［13］采用静电纺丝法制备的含纳米Ag颗粒的聚酰胺6（PA6）复合纳米纤维毡，具有优异的抗菌性能。王军等［14］制备了载铜抗菌棉纤维，并对其抗菌性能进行研究，结果表明此种纤维有良好的广谱抑菌性能。盛杰侦等［15］制备的纳米银抗菌针刺鞋材，经试验表明，在不影响其力学、通透等其他使用性能的前提下，具有优异的抗菌除臭功能。

随着人们卫生和环保意识的增强，人们不仅对具有抗菌防臭功效的纺织品的需求量加大，而且对安全性和耐久性提出了更高的要求。近年来的研究已逐渐获取了具有持久抗菌效果的纤维，此种纺织品投入市场也使得高技术含量的新型抗菌纤维产品获得很大的发展。同时，人们也日益关注纺织品的舒适及保健功能问题。

2.2 抗菌塑料

在日常生活中存在着多种多样的塑料制品：厨房用具、卫生间设施、垃圾箱、家用电器的塑料外壳、壁纸、食品包装袋等等。由于温度、湿度合适，非常容易感染细菌，因此对此类材料进行抗菌加工是极其必要的。

毛健康等［16］研究制备了一种由季铵盐类高聚物PQA与聚醚砜PES共混的抗菌膜，抗菌性能测试显示，共混膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性大于PES膜，并且随PQA含量的增加而增强。Weng等［17］将形成酸酐后的有机酸抗菌剂均匀混合到低密度聚乙烯膜中，实验结果表明，当膜处于潮湿环境时，由于内部酸酐水解，自由酸从膜表面释放，从而起到抗菌作用。谭绍早［18］采用载银无机抗菌剂制得PP－R管材专用抗菌母料，属实际无毒级物质，此管材的抗菌性与母料的添加量成正比。当添加4%抗菌母料时，PP-R抗菌管材具有良好的光老化性能，性价比达到最佳，且其卫生安全性能也符合国家有关食品卫生检验标准。李连春等［19］采用抗菌母料YK-3、WK-11、WK-B及其复合物，用机械共混法制备了以PE、PP、PVC、ABS为基体的抗菌功能塑料。结果表明，所制备的抗菌PE、PP、PVC、ABS表现了出强抗菌性，抗菌率均高达99%，所制备的抗菌塑料具有稳定而持久的抗菌活性。师敏等［20］制备的无机纳米抗菌饮水桶，既能保持普通饮水桶的原有性能，不影响其透明性，又增加了持久高效的抗菌性能，完全能满足市场需求。柴福莉等［21］将壳聚糖涂覆在聚丙烯薄膜上，研究发现此种薄膜具有较好的力学性能，同时还具有较为显著的抗菌性能。

在家电和日用品中得到应用后，抗菌塑料将越来越多地应用在建材和室内装饰材料中。高档轿车的内饰也将越来越多采用抗菌材料，如方向盘、内饰绒布、座位、把手等。当抗菌塑料制品达到无毒、无异味、对环境无害的要求后，其开发和应用将会为人类的健康树起一道绿色屏障。

2.3 抗菌涂料

室内是人们活动最为频繁的场所，室内空气质量的优劣和环境无菌化直接影响到每个居民的健康。在居住环境中使用抗菌涂料，也是一个行之有效的抵抗感染，杀灭细菌的办法。

徐瑞芬等［22］将自制的抗菌纳米TiO2添加于苯－丙乳液中，制成抗菌涂料。表面处理后的抗菌纳米TiO2在乳液中能够均匀分散，可充分发挥纳米TiO2的杀菌作用。抗菌涂料杀菌率达99%以上，并且不受光源条件限制，抗菌作用彻底、持久。郁慧等［23］制备的复合纳米抗菌粉末涂料，其力学性能、耐酸碱性等方面都符合行业标准，而且具有良好的抗菌效果，能够满足涂料行业的使用要求。陈丽琼等［24］通过化学还原法制备的纳米银抗菌内墙涂料，是一种性能优异的绿色环保涂料，其加入的纳米银溶胶粒径小，分散性好，抗菌效果强，稳定性好，使得加入后的涂料具有较好的抗菌效果。Chen等［25］采用溶胶－凝胶法制备了分散性能优良，以Na2SiO3为包覆剂的负离子粉体，进而制备了功能涂料，实验表明该材料具有抗菌性，抗菌效果与涂料的负离子产生量、负离子材料粒径、涂料的距离有关。邓跃全等［26］提出锌抗菌功能材料－抗菌涂料一体化制备技术，获得抗菌性能和基本性能都好的功能涂料，实现了废物的零排放，生态化的循环利用资源材料。

抗菌涂料产品不仅自身环保，同时还可以解决装修后室内空气不达标的问题，对于医院环境来讲还可以降低交叉感染的机率，起到辅助净化空气的作用。可见，抗菌涂料的出现和应用不仅改善了人们居住环境质量，而且还减少了微生物及病菌对人类健康的威胁。

2.4 抗菌陶瓷

盥洗室、卫生间等场合一般比较潮湿，很容易滋生细菌，因此开发“卫生”陶器是很必要的。在各种抗菌制品中，抗菌陶瓷也是与人们生活密切相关的，近几年来得到了广泛的重视和研究。

抗菌陶瓷是指在卫生陶瓷的釉中或釉面上加入或在其表面上浸染、喷涂或滚印上无机抗菌剂，从而使陶瓷制品表面上的致病细菌控制在必要的水平之下。刘红华［27］指出TiO2光催化陶瓷是一种生态陶瓷，其与活性炭等混合，可以具有较好的吸附和除臭作用，当紫外线照射时，具有较强的抗菌作用等。TiO2生态陶瓷由于其自洁、防污、抗菌等性能越来越受人们的关注。陈前林等［28］将 SiO2Zr3（PO4）4改性的 TiO2粉体添加到陶瓷釉料中，制备了TiO2光催化抗菌陶瓷，此抗菌陶瓷对大肠杆菌的抑菌率达98%。刘平等［29］和刘曙光等［30］制备了表面镀有光催化剂薄膜的自清洁陶瓷，该陶瓷具有较强的降解有机污染物和灭菌能力。李玲［31］制备了混有载银纳米抗菌剂的，表面具有抗菌性的白色高致密度的陶瓷片，抗菌试验结果表明，在釉料中加入纳米抗菌剂后，陶瓷表面形成超亲水膜，不渗油。该抗菌陶瓷具有较好的抗菌性，当釉料中加入1%的抗菌剂时，其杀菌率就达99.3%以上。

抗菌陶瓷制品不仅可以用在家里，还可以广泛用于医院、公共场所以及潮湿环境等。抗菌陶瓷的应用领域和市场前景将日益扩大。然而，抗菌陶瓷的抗菌功能也是有限的，只是对有限的一些菌种具有杀灭和抑制作用。因此，还需要研究工作者们继续深入研究，寻求新型的抗菌剂，使其制品的抗菌性能更广谱。

2.5 抗菌金属

随着抗菌材料研发的不断发展，其应用范围也日益广泛，功能也更加齐全。抗菌金属材料的也将形成巨大的市场。

倪红卫等［32］和高海云等［33］介绍了各种抗菌不锈钢制备方法及抗菌机理，并指出抗菌不锈钢将大有前途。倪红卫等［34］将铜离子注入AISI 304不锈钢中，抗菌实验结果表明，铜离子的注入使试样具有良好的抗大肠杆菌的效果；GXRD和TEM结果表明铜离子注入不锈钢经特殊抗菌处理后，试样具有优良的抗菌效果。张安峰等［35］采用覆膜法研究了经特殊处理析出ε-Cu相的含Cu马氏体抗菌不锈钢的抗菌性能，实验结果表明马氏体抗菌不锈钢的抗菌特性来自抗菌热处理过程中析出的ε-Cu相，具有良好的抗菌功能，不会因表面打磨或磨损而丧失抗菌性能。廖辉伟等［36］以纳米铁酸铜（CuFe2O4）复合氧化物为载体，通过吸附制备载银抗菌剂，并用抑菌圈直径和杀菌率表征抗菌性能，结果表明，载银纳米CuFe2O4抗菌剂具有较好的抗菌性能，且其抗菌能力随着抗菌剂载银量的增加而增强。

抗菌金属材料的广泛应用是人类健康安全的屏障，它符合人类追求健康的理念和提升生活质量的愿望。

除了以上所举例子外，抗菌材料还有其他方面的应用。周艳艳等［37］采用离子导入法制备的多孔抗菌玻璃，对大肠杆菌具有良好的抗菌性能。杨飞等［38］将自制的载银沸石抗菌剂添加到纸浆内，并研究添加物对纸张白度、强度等物理性能的影响。试验结果表明，抗菌沸石对纸张性能的负面影响较小，且纸张具有较好的抗菌性能。

3 结语

目前，人们已经普遍接受了抗菌的概念，抗菌制品越来越显示出强大的生命力和广阔的发展前景。抗菌材料综合运用了材料科学、医学、化学等多门类的技术，其应用范围广、领域宽、消费人群多，必将成为人们日常生活用品的主流。但此研究还存在一些问题，有待深入探讨：（1）抗菌剂本身的稳定性和安全性问题有待进一步研究；（2）抗菌材料制品通常暴露在空气中，所添加抗菌剂也会逐渐迁移出制品本身，那么要保证抗菌材料的抗菌效果的持久性，控制抗菌剂的迁移速率，同样也需要深入研究。

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Research Progress of Antibacterial Materials

HAO Xi-hai1，2，SUN Miao1，DENG Jing1，2
（1.Key Laboratory of New Packaging Materials and Technology， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China；2.School of Packaging and Materials Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007 China）

The mechanism of antibacterial agent material was introduced.Developments and applications of antibacterial material， such as antibacterial fiber， antibacterial plastics and antibacterial ceramic and antibacterial metal were described.

antibacterial agent；antibacterial mechanism； antibacterial materials；application

TB 39

A

1671-9905（2011）09-0021-04

湖南省科技厅基金资助项目（2009CK3028）

郝喜海（1962-），男，吉林东丰人，湖南工业大学教授，主要从事包装机械及包装材料方面的教学和科研

孙淼（1986-），女，辽宁阜新人，湖南工业大学硕士生，主要从事抗菌性PVA薄膜的研究与应用，E-mail：sm5418＠163.com

2011-05-23