纳米氧化锌在抗菌材料中的应用

周馨悦，徐井华，刘星雨，潘景宏，范莉莉

（通化师范学院物理学院，吉林 通化 134002)

在当前科技社会，随着纳米技术的不断完善，纳米ZnO 作为一种常见的无机抗菌剂，已广泛应用于抗菌材料中。本文综述了纳米ZnO 的不同制备方法、抗菌机理及影响纳米ZnO 抗菌性能的主要因素，探究了纳米ZnO 在抗菌材料中的应用，总结与纳米ZnO 相关的抗菌材料，主要可分为两种，一种是掺杂复合型纳米氧化锌抗菌材料;另一种是负载载体型纳米ZnO 抗菌材料。

1 抗菌材料

1.1 定义

一些自身具有杀灭或抑制微生物及细菌功能的新型材料叫做抗菌材料。目前对于抗菌材料，更多的是指通过添加抗菌剂到一定的材料中，从而使这些材料具有抑制或杀灭表面细菌的能力。

1.2 抗菌材料分类

1.2.1 无机抗菌剂类

常见的无机抗菌剂有氧化锌、二氧化钛、氧化铜等。无机抗菌剂是通过利用一些金属离子的抗菌能力，如：铜、锌、钛等离子，将这些金属离子制成抗菌剂，然后将其加入到一定的材料中，从而使材料获得抗菌能力。无机抗菌剂的优点较多，如抗菌范围广、抗菌时效长及耐热性好等优点。

1.2.2 有机抗菌剂类

有机抗菌剂的抗菌作用是通过进行一定的化学反应，使微生物的细胞膜被破坏，导致蛋白质变性，进而起到抑制或杀灭细菌等作用。该类抗菌剂抑菌作用速度快，但一般的有机抗菌剂容易水解，抑菌效果不明显且耐热性差。

2 纳米氧化锌及其抗菌机理

2.1 氧化锌概述

锌元素是一种人体必需的微量元素，在生物体生长、发育及保持健康的生理过程中都起到了至关重要的作用。在抗菌材料中，氧化锌是锌的重要来源，被应用于一种常见的无机抗菌材料。

2.2 纳米氧化锌的抗菌机理

人们对纳米氧化锌的抗菌机理已经做了大量的研究，但是目前对以哪种机理为主尚在研究阶段。因此，为了使生活中纳米氧化锌抗菌材料有更广泛的应用，研究纳米氧化锌的抗菌机理是非常必要的。目前对于纳米氧化锌抗菌机理的研究有许多，大致可分为金属离子溶出机理、接触吸附机理和光催化机理三种说法。金属溶出机理和光催化机理是最主要的两种[1]。

接触吸附机理是纳米氧化锌发挥抑制或杀灭细菌的基本条件。Yamamoto 研究了影响纳米氧化锌抗菌性能的主要因素，结果表明，纳米氧化锌的抗菌效果与对细菌表面的吸附性能相关，纳米氧化锌通过进行吸附，使微生物的细胞膜被破坏，导致蛋白质变性、微生物细胞死亡，进而起到抑制或杀灭细菌等作用。

金属离子溶出机理是指纳米氧化锌与细菌接触时，释放的Zn2+透过细胞膜进入细胞，在破坏细胞膜的正常结构和功能的同时与蛋白质上的某些基团反应，对蛋白质的新陈代谢和细菌的遗传功能起到影响，使得细菌在生物体内因不稳定存在而失活，起到抗菌作用[2]。

光催化机理是指纳米氧化锌可受到紫外线或可见光的激活，产生大量的自由基，如OH-、H2O2和O2-等。其中H2O2能直接穿透细胞壁在菌体内聚集并杀灭细菌，而OH-在细菌细胞膜外层表面发生聚集现象，并与其发生反应导致细胞膜被破损，进而达到抗菌的目的。

3 影响纳米氧化锌抗菌性能的因素

3.1 粒径

Williams 等研究发现，纳米粒子的比表面积越大，会增大与细菌接触反应的面积，从而起到了更好的抗菌作用，并且粒径为纳米级时，纳米氧化锌的表面活性也较强。Raghupathi 等研究不同粒径的纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌生长的抑制效果，结果表明，纳米氧化锌的粒径越大，对金黄色葡萄球菌的抑制效果越不明显，而在粒径较小时，不仅抑制该菌的生长，甚至对其有致死作用。

3.2 细菌类型

真菌大致可分为革兰阳性菌和革兰阴性菌，革兰阳性菌对纳米氧化锌更加敏感。Premanathan等研究证明了纳米氧化锌对革兰阳性菌的抗菌作用更强，两类真菌的抗菌效果的不同可能是由于这两类真菌细胞壁结构不同所导致的。LIU Yang等发现纳米氧化锌的抗菌效果与真菌的生长方式有关，也与纳米氧化锌的制备发法不同从而导致纳米氧化锌本身固有的耐受性不同相关。

除以上影响因素外，纳米氧化锌的浓度及作用时间、温度、pH 值、光照强度等也会对纳米氧化锌抗菌性能造成影响。

4 纳米氧化锌在抗菌材料中的应用

纳米ZnO 作为一种常见的无机抗菌剂，现在已广泛应用于抗菌材料中。为进一步增强其性能，将纳米ZnO 进行掺杂或复合改良是一种新型趋势。当前，对于纳米ZnO 应用于抗菌材料中，可分为以下两种[3]。

4.1 掺杂复合型纳米氧化锌抗菌材料

纳米ZnO 改良为掺杂复合型抗菌材料，可以通过将纳米ZnO 与金属离子掺杂，纳米ZnO 与金属氧化物复合或者用有机物来修饰纳米ZnO 等方法。

Rekha K 等将纳米ZnO 与Mn 进行掺杂，结果表明掺杂了Mn 的纳米ZnO 相对于纯的纳米ZnO 的抗菌性能增强；Yamamoto 等将纳米ZnO与金属氧化物MgO 进行复合，但实验显示随着金属氧化物在纳米ZnO 中的掺杂量越高，对细菌的抑制作用越不明显；也有一些研究者用有机物来修饰纳米ZnO，从而对纳米ZnO 的性能进行增强，如：聚苯乙烯等，通过实验验证后发现，进行修饰后的纳米ZnO 对金黄色葡萄菌或是大肠杆菌都有着很强的抑制作用。

综上所述，将纳米ZnO 进行掺杂或复合都会在抗菌性能方面有一定的改善，但由于某些金属氧化物或者金属离子特异的性质，使得改良后的纳米ZnO 的抗菌效果存在一定的优良性，因此为得到抗菌性能最佳的纳米ZnO，尚待研究中。

4.2 负载载体型纳米氧化锌抗菌材料

纳米ZnO 通常会以离子的形式游离到环境中，从而破坏环境，使得自身的性能受到一定的限制，所以研究者通常会采用载体来将纳米ZnO进行固定，从而增强抗菌性能。目前适合作为抗菌材料载体主要有硅胶类以及磷酸盐类等[4]。

Alswat 等用沸石作为载体进行抗菌材料的改良，实验结果发现用载体负载后的抗菌材料有着更强的抗菌性能，这是因为沸石载体可以防止纳米粒子发生聚集的现象。当前所研究出的氧化石墨烯负载纳米氧化锌型抗菌材料己被用作有效的杀灭大肠杆菌的微生物制剂。

5 结语

基于纳米ZnO 作为抗菌剂的优势，现在将纳米ZnO 应用于抗菌材料已成为一种必然趋势。本文对抗菌材料及纳米ZnO 进行概述，将纳米ZnO的抗菌机理主要分为金属离子溶出机理和光催化机理两大类，并且讨论了影响纳米ZnO 抗菌性能的主要因素。但目前纳米ZnO 作为一种常见的无机抗菌剂，现在已广泛应用于抗菌材料中，为进一步增强其性能，将纳米ZnO 进行掺杂或复合改良是一种新型趋势。人们对于纳米ZnO 的抗菌机理已经做了大量的研究，但是以哪种机理为主尚在研究阶段。对此，研究者应加大时间与经历的投入，对抗菌材料的研究应更加深入，将研究各类抗菌剂的抗菌机理与抗菌剂之间的相互协调增强杀菌效果作为接下来主要的研究方向，并为以后纳米氧化锌在抗菌材料中的应用提供更多的理论基础及实验探究。