抗微生物作用的纳米材料研究新进展

郑 露， 陈昭斌

(1.重庆医药高等专科学校，重庆 401331；2.四川大学 华西公共卫生学院，四川 成都 610041；3.深圳市南山区疾病预防控制中心，广东 深圳 518054)

随着科学技术的快速发展以及医疗卫生条件的不断改善，人们的健康医疗水平有了很大的提高。但一些变异的细菌病毒和一些新出现的传染病等对人类的威胁也从未停止过，严重威胁着人类健康。因此，研制一种高效安全的抗菌材料具有十分重要的意义。自从德国物理学家Gleiter于1984年研制出纳米金属材料后，人们渐渐地发现其具有许多特性[1],如表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等。纳米材料是指粒子尺寸在1～100 nm之间，达到纳米数量级的材料[2]。纳米材料作为消毒剂使用，具有长时间灭菌、消毒、抑菌、防腐的作用[3]，显示出了很好的开发和应用前景。本文就纳米抗菌材料抗微生物的研究进展进行综述。

1 金属元素型纳米材料

金属纳米材料是目前应用最为广泛的纳米材料之一，可以通过纳米技术直接制备得到纳米金属粉末或纳米金属分散溶液[4]，方法较为简单。常见的有Au、Ag、Cu、Fe、Ni、Pt等形成的纳米材料[5]，广泛应用于医疗、生物传感器、抗菌剂、靶向肿瘤治疗、高效催化剂[6]等领域。也可以将金属纳米颗粒负载到二氧化硅、蒙脱石等化学性质稳定的矿物载体上。虽然大多数的金属纳米材料都具有抗菌性能，但是Pb、Cd、Hg等重金属的毒性较大；Cu、Zn虽然毒性不大且成本较低，但是抗菌性能没有纳米银的效果好[4,7]，目前研究最多的是银基纳米材料，具有抗菌性能优越且制备方法简单的优点[8]。

纳米银的抗菌机理主要有两种：一种是接触反应说，银离子穿透细胞进入细胞内部与-SH反应，使蛋白质凝固，破坏酶的活性，导致细胞丧失分裂活性而死亡；另一种是催化反应说，纳米银能催化产生活性中心，激活空气或水中的O2，产生活性氧及羟基自由基[9]，可破坏微生物的细胞组分，抑制微生物繁殖和生长。可以作为一种新型的医用高分子外用敷料，防止烧伤部位的感染，能够有效抑制和杀灭病菌[10]，促进伤口愈合和感染好转，有效缩短愈合时间[11]。还可以作为抗肿瘤血管生成药物，在中风、类风湿关节炎、心肌梗死的治疗中具有一定的应用价值[12]。纳米金与纳米银相似，但成本较高。对于纳米银/金的合成主要是化学合成法，因此会有一些毒性残留，吉林大学的钱永清[13]研究出了用植物内生真菌生物合成纳米银/金的一种更安全的微生物合成法。

2 金属氧化物型纳米材料

经研究证明的具有抗微生物作用的金属氧化物型纳米材料有ZnO、Ag2O、CuO、Cu2O、SnO2、TiO2等[14-22]，其中研究报道较多的为TiO2、ZnO和CuO/Cu2O。这3种纳米氧化物材料具有相似的结构与性能。研究报告表明，ZnO和CuO/Cu2O纳米材料与人体直接接触时会对人体有一定的损害，而纳米二氧化钛安全性较高，性质稳定，催化活性高，易制备成透明薄膜附着在其他载体上，是最具有代表性的光催化性抗菌材料[7-8，10，23]。根据纳米二氧化钛的特性，将其作为纳米涂层材料，广泛应用于口腔义齿的抗菌、废水中的光催化降解等[24-25]。金属氧化物型纳米材料主要的抗菌机理是光催化作用。当大于其带隙能的光照照在纳米材料上后，通过光催化作用产生化学活性很强的羟基自由基(·OH) 及活性氧离子(O2-),与微生物内的有机物，如细胞膜上的蛋白质等发生作用，从而达到抗微生物的效果[7]。在使用过程中，对于纳米二氧化钛的浓度有一定的要求，抗菌效果并不是随着浓度的升高而一直上升，经本课题组研究发现，纳米二氧化钛作为消毒剂使用时有一个最佳浓度[26],浓度过高时，消毒效果反而有所降低，这种现象的出现与其抗菌机理有一定的关系，浓度过高时，增加电子空穴对的复合几率，同时会阻挡光对纳米二氧化钛的有效激发，从而降低了消毒效果。

3 非金属无机化合物型纳米材料

纳米碳化硅、介孔纳米二氧化硅、纳米碳纳米抗菌材料等无机化合性纳米材料制备方法简单，成本低、稳定性好， 在生物医药方面的应用也受到越来越多的关注，在药物载体、荧光探针、基因治疗、抗菌材料等方面应用广泛[27-30]。

纳米碳化硅兴起于20世纪80年代中后期，被广泛应用于改善纳米材料性能的材料制备中,将其作为增韧剂添加到无纺布中，可以改善材料的物理性能，更好地应用于生物材料，用纳米碳化硅制成的生物材料具有良好的生物相容性，安全无毒[31]。有研究表明纳米碳化硅在400 μg/mL较低浓度时就有较好的杀菌效果,其杀菌机理在于纳米碳化硅具有高表面活性，强效的脂质过氧化物和损伤抗氧化能力能够有效破坏菌体细胞膜的通透性，导致细菌代谢功能紊乱最终死亡[32]。

介孔纳米二氧化硅具有良好的生物相容性，因其具有介孔结构、比表面积大、表面易修饰等特点，在生物医药领域有着很好的应用前景[33]。利用其介孔结构、表面易修饰特点，可以将介孔纳米二氧化硅作为载体，负载一些光谱抗菌的纳米材料，如纳米银等，这样二者协同作用，可以缓慢释放介孔中负载的纳米抗菌材料，降低纳米材料的复合团聚，增强抗菌效果与抗菌的持久性。与传统的纳米二氧化硅载抗菌剂相比，可以提高载入量，放大抗菌效果。在日常应用中，可以引入基团，如氨基和巯基基团对介孔纳米二氧化硅表面修饰，得到更好的介孔孔道，从而发挥更好的协同抗菌效果[34]。

纳米碳材料在抗菌方面应用较为广泛的为石墨烯。Hu等对石墨烯的抗菌应用进行了相关研究，结果表明氧化型石墨烯和还原型石墨烯均具有较好的抑菌效果，其中氧化型石墨烯抑菌效果更好些。其作用机理通过透射电镜分析石墨烯作用后的大肠埃希菌提示为细菌细胞膜破坏严重，胞质外流，最终导致细菌死亡[35]。还有文献报道显示将石墨烯用氨基苯甲酸修饰后装载四环素可以抵御耐药的大肠埃希菌，这就给今后对于耐药菌株的杀灭灭活提供了一个新的研究方向[36]。

4 有机化合物型纳米材料

有机分子具有结构易剪裁和功能多样性的特点，在分子水平上能够灵活组合，可以实现纳米尺度的自组装，改变材料性质。在催化、抗菌、药物载体、生物显影和光电材料方面有很好的应用前景[37]。将纳米材料分散在有机物或聚合物上同时也解决了无机纳米材料易聚集和沉淀这一难题，能够更好地发挥其抗菌等作用[38]。

5 天然纳米材料

天然纳米材料因其安全无毒绿色环保越来越受重视，也是纳米材料发展应用的趋势。目前应用较多的天然纳米材料有膨润土、埃洛石纳米管、凹凸棒土等。在污水处理、重金属的吸附、生物治疗等方面应用较为广泛[39-41]。膨润土具有吸附过滤的作用，可以直接吸附病毒细菌以及细菌产生的毒素[40]，也可用于无机抗菌剂的制备。 Kuw等[42]研究表明膨润土与sodium omadine吡硫钠混合所制成的抗菌剂对铜绿假单胞菌有较好的效果。埃洛石纳米管(HNTs)是由硅酸盐片层在天然条件下卷曲而成的微管状的天然纳米材料,因其特殊的管状结构，使其具有天然物理吸附的作用，用来吸附废水中的氨氮、染料及重金属净化环境[43]。也可以将埃洛石纳米管与抗菌剂结合成为新型抗菌材料，增强抗菌效果、降低细胞毒性以及增强了体内生物相容性，如将季鏻盐抗菌剂负载于埃洛石纳米管上，相对于直接使用季鏻盐抗菌剂具有更低的细胞毒性[44]。

6 小结与展望

纳米材料因其特有的小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应使其具有一些特殊的功用，在生物治疗、传感器、磁效应、抗菌催化材料等都有传统材料无法比拟的优点[11]，越来越受到人们的重视。但是其生物安全性也不容忽视，有些纳米材料可以破坏微生物的蛋白结构从而达到杀灭微生物的效果[45],那么在杀灭微生物的同时，对于人体是否有损害，或如何避免损害等问题将是今后研究的重点。2007年7月，美国FDA发布首份纳米技术相关产品监管调查报告，要求制订针对纳米产品的科学监管方法。2012年9月国家食品药品监督管理局发布通知，明确将纳米银等生物材料类医疗器械按第三类医疗器械管理，相关产品重新注册，全面评价其安全性。近年来关于纳米材料的安全性研究也有了相应的进展，天然纳米材料也因其安全无毒越来越受到重视。总之，研究开发一种新型材料，在新领域推广应用，都要全面了解它的性能，评估它的安全性，这样才能持之以恒地发展。

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