无机抗菌材料的抗菌性能研究与应用

郭一婧，张铭哲，段昶晟，董馨愿

（太原理工大学现代科技学院，山西 太原 030024）

随着现代社会的快速发展，人类的生存环境面临着越来越多的严峻挑战。在经历了如严重急性呼吸综合征 （SARS）冠状病毒、高致病性禽流感病毒 （H5N1）、猪流感病毒 （甲型H1N1）、以及新型冠状病毒 （2019-nCoV）的肆虐与蔓延后，全人类对生存与健康问题变得尤为关注。我们生活在一个被大量微生物充斥的空间，各种有害细菌及病毒的威胁导致了抗菌材料领域的诞生与拓展，而生产与生活方面对抗菌抗病毒功能的要求也变得空前迫切。抗菌材料通常指自身具有杀灭或抑制有害细菌生长繁殖的功能性材料，其对医疗与民生方面的影响最为突出。本文概述了无机抗菌材料的分类，总结了抗菌性能的影响因子、分析了各种抗菌机理并介绍了相关的重点应用领域；最后结合市场需求提出了产业完善与革新的必要性，对具有化学稳定性好、广谱抗菌性强等优良性能的新型无机抗菌材料做出了的展望。

1 无机抗菌材料的分类

无机抗菌材料是抗菌材料的重要组成部分，其安全可靠的性能促使医学、建筑等领域的应用不断拓展。伴随着人们对于无机抗菌材料重视程度的不断加深，更多的社会资源也源源不断地投入到相关产品的生产与研发，无机抗菌材料的发展速度也更加的迅猛。当下，无机抗菌材料的分类包含以下几种。

1.1 金属离子型无机抗菌材料

金属离子型无机抗菌抗菌材料是将Ag、Cu、Zn等具有较强的抗菌能力的离子单载在沸石、硅胶、活性炭等材料上制备所得的一种抗菌材料。如银-沸石抗菌剂材料，这种材料在实际应用的过程中主要利用金属离子的杀菌能力来达到相应的杀菌效果，而这种抗菌材料在实际应用的过程中，由于金属银离子的释放，能够在有氧以及无氧环境中进行杀菌，是一种较为理想的，可应用与医疗等领域中的抗菌材料。

1.2 光催化型无机抗菌材料

这种材料主要指含有TiO2物质的材料，在实际应用的过程中能够通过光照，使其表面产生·OH以及·O-2，利用其化学性质降低微生物的繁殖能力，达到抑菌的目的［1］。如二氧化钛类的抗菌材料，这些材料在使用的过程中能够通过光催化达到抗菌的目的，而其在使用的过程中也存在化学性质稳定、杀菌效果强、原材料来源广泛等优势，受到人们的广泛关注。

1.3 复合型无机抗菌材料

复合型无机抗菌材料是指将不同的抗菌材料结合在一起，制作成抗菌能力更加优质的复合材料，这种材料研究是现阶段我国抗菌材料研究中的重点内容，而其也在使用的过程中取得较好的试验成果。如杨合等课题组通过溶胶-凝胶制备Co／Zn／TiO2共掺杂复合纳米材料，Zn和Co的共掺杂促进了抗菌金属离子Zn和Co的释放量，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白念球菌的抑菌率大大提高［2］。张彬等课题组研究稀土激活型无机抗菌材料，相比于单载锌的抗菌材料，稀土钬的添加，改变了材料的性能，抗菌性能显著增加［3］。由此可见，复合抗菌材料更为广泛应用。

2 无机抗菌材料的抗菌性能研究

无机抗菌材料在当代社会的发展过程中起到十分重要的作用，本章将对无机抗菌材料抗菌性能的影响因素以研究及抗菌机理进行扼要的总结与说明。

2.1 影响无机抗菌材料抗菌性能的因素

影响无机抗菌材料的抗菌性能因素较多，而其中较为常见的有以下几种因素。第一、制备条件。如抗菌剂的单载量不同，制备过程中pH的不同，反应温度不同，抗菌剂添加顺序不同，反应时间不同等，都会影响抗菌材料的粒径、比表面积、抗菌离子的单载量和溶出量，从而使抗菌效果产生差异。第二、抗菌助剂的添加。如Sanjeev Kumar Sharma等课题组通过添加稀土激活抗菌离子的抗菌性能，其通过水热沉淀法制备稀土钇掺杂氧化锌纳米抗菌材料，稀土钇的掺杂增强了抗菌材料的抗菌活性［4］。事实上，通过添加金属氧化物也可增加材料抗菌性能，弥补单一抗菌材料的不足，起到协同抑菌作用。张崇淼等人通过水热合成法制备得到TiO2／ZnO复合材料，不仅弥补了TiO2在无光照条件下无抗菌性能的不足，而且提高了纯二氧化钛材料的抗菌性［5］。第三、有效作用时间。抗菌材料在使用的过程中有一定的时间限制，伴随着时间的增长，其抗菌能力在不断的减弱，而不同抗菌材料减弱的趋势也存在一定的不同。第四、制造工艺。抗菌剂与材料能够完美的结合在一起，其抗菌性能更好，使用的时间也更长；而制造工艺的不佳，会造成其与材料结合不合理影响其抗菌性能。第五、外界因素影响。化学物质、酸雨等各种因素也对材料的使用寿命产生影响，造成无机抗菌材料应用质量低，寿命短问题。

2.2 抗菌机理

抗菌材料能够在较大的程度上抑制微生物的生长，为人们提供更加高质量的生活环境。抗菌剂是保证材料具有抗菌能力的重要成分，其在使用的过程中主要分成天然抗菌剂、无机抗菌剂以及有机抗菌剂三种。不同抗菌材料的抗菌机理不同，应用范围也不同，目前无机抗菌材料所具备的绿色环保、性能稳定、抗菌广谱性强等性价比优势已得到民生市场的普遍认可［6］。各种抗菌材料的作用机理一直不断的研究中，简明扼要的对比便能让我们清晰的得出其应用的可适范围。

2.2.1 天然抗菌剂

天然抗菌剂在使用的过程中是利用其自身表面带有一种正电荷的物质进行抗菌，而根据目前的研究情况来看，其抗菌的机理有两种。第一种，天然抗菌剂中的正电荷离子在抗菌过程中吸附在细胞的表面，形成高分子膜，阻止物质运输到细胞中，达到抗菌目的；并且其能使细胞的表面呈现电荷分布不均匀情况，破坏细胞壁合成溶解之间的平衡，进而达到抑菌的目的。第二种，其渗透进细胞后，吸附细胞中的阴离子物质，扰乱其正常运作，进而达到抑菌的效果。

2.2.2 氧化物光催化型抗菌剂

这种抗菌剂在实际应用的过程中能够在光照的影响下，激活自身表面的水以及氧气，使其进行反应，产生·OH以及·O-2，这两种物质具有较强的化学活性，能够与微生物内的有机物进行反应，快速的消灭微生物，破坏细菌的增殖能力，达到抑菌效果。

2.2.3 含金属离子的抗菌剂

金属离子型抗菌剂的抗菌机理目前主要有两种。第一种，抗菌金属离子的溶出、释放和接触吸附杀菌。抗菌材料与细菌接触时，释放和溶出的金属离子，能够吸附在细胞上，破坏细胞壁，并进入到细胞中使蛋白质产生凝固变性，细胞丧失增殖能力从而死亡，达到杀菌的功效。第二种，金属离子诱导产生活性氧杀菌，抗菌元素激活空气或水中的氧，产生·OH以及·O-2，从而抑制细菌的繁殖，起到杀菌作用。

3 无机抗菌材料的应用

生活环境中存在有大量的微生物，而这些微生物在适宜的温度下，会大量的繁殖，给人们的生活带来一定的麻烦。生活条件的不断提高，使人们对生存环境的要求也在不断提升，无机抗菌材料作为新型绿色健康材料，受到人们的青睐，从而广泛的应用于生活的方方面面［7］。无机抗菌材料产品的应用主要有两种：第一种，将无机抗菌材料添加到其他产品中。第二种，在物品的表面直接喷涂无机抗菌材料，达到抗菌目的。现阶段，无机抗菌材料的应用领域包含以下几个方面。

3.1 抗菌陶瓷的应用

抗菌陶瓷是现阶段无机抗菌材料应用较为广泛的一种，其被更多的应用于厨房、洗手间等潮湿，易于滋生细菌的场所。在使用的过程中将抗菌剂加入到陶瓷的釉料中，通过烧制后，让陶瓷带有一定的抗菌效果。部分抗菌陶瓷是在陶瓷产品的表面涂抹一层抗菌离子的薄膜，如涂抹含有银离子或者是铜离子的TiO2薄膜，使陶瓷具有抗菌效果。这两种方式在使用的过程中都能较好的提升陶瓷的抗菌性能，从而满足现代人们的实际需求。伴随着时代的发展，抗菌陶瓷技术也在不断地发展与完善，一些新型材料企业就把具有除臭等性能的抗菌剂添加到复合陶瓷的生产工艺中，使抗菌陶瓷在民生领域的应用得到拓展。

3.2 抗菌玻璃

与其他的抗菌产品不同，抗菌玻璃在实际应用的过程中与阳光的接触时间较长，故而在设计与制造的过程中使用光催化抗菌剂的几率更高。玻璃与其他材质不同，可以保持金属的离子状态，在制备的过程中将银、铜、锌等多种具有抗菌能力的离子掺杂于玻璃合成，使玻璃具备长效、稳定的抗菌效果。随着产业的迭代升级，抗菌玻璃也在不断的完善与创新，如具有双面反射功效的抗菌帷幕玻璃便极大地满足了人们生活的需要，其不仅可以达到抗菌，抗霉效果，也能抵御双倍的紫外线干扰。抗菌玻璃的性能还在不断的飞速提升，产业技术的革新使其应用领域越来越得到重视。

3.3 抗菌纺织品

抗菌纺织品最早出现于军服等的制造中，主要目的是为降低细菌对伤情的影响，保证伤口更快的恢复。伴随着时代的发展，人们对抗菌纺织品的需求也在不断的提升，如现阶段人们购买婴幼儿产品的过程中，更加喜欢购买部分具有抗菌效果的母婴用品来保证婴幼儿的健康成长。棉织物在潮湿温热的环境下极其容易滋生微生物，引起织物变色及机械性能损失，并会产生难闻的气味，更有害于人们的健康。壳聚糖纳米银抗菌剂具有良好的抗菌持久性.使织物有长久抗菌性能。现阶段，抗菌纺织品在加工的过程中主要有两种方式：第一种，将抗菌剂与纤维直接进行混合，制成混纺织纤维，使其达到抗菌效果，这种方式制造出的衣物抗菌时间较长；第二种，将抗菌剂通过化合键结合在纤维表面，产生抗菌的效果，但在实际应用的过程中其抗菌时间较短，耐洗性较差。

3.4 食品包装

食品健康越来越受到人们的重视，具有抗菌性能的食品包装能够抑制微生物的生长，保证食品的安全性，同时在较大程度上降低人们使用防腐剂的几率，提升饮食的健康指数。现阶段，具有抗菌性能的食品包装有抗菌塑料、抗菌纸等，制备出的相关产品不仅拥有抗菌功效同时也提升了食品保存质量。现阶段，抗菌食品包装的生产主要通过直接抗菌与间接抗菌来进行。直接抗菌要求食品包装中的抗菌剂与食品能够直接接触，达到抗菌的效果；而间接抗菌是在食品包装中添充功能物质，通过改变包装内环境来抑制微生物的生长，达到保存食物的目的。

3.5 医学中应用

新型抗菌材料的开发和应用已成为当今医学研究的重点，以银系抗菌材料为代表的无机抗菌材料具有耐热性好、抗菌谱广、有效期长、不产生耐药性等优点，可以有效阻断细菌的传播。银纳米抗菌剂在医学领域中已经得到广泛应用，如在烧伤外科、妇科、泌尿外科、口腔科、普外科等作为抗菌剂用于患处的抗菌处理和手术器械的消毒作业。尽管银纳米颗粒抗菌剂已得到医学应用，但其抗菌机制特别是生物毒性的研究尚存较大争议，其抗菌药物和抗菌涂层的制备方法及技术尚未成熟，其抗菌效果的稳定性和缓释性均有待提高。随着研究的不断进展，基于银纳米颗粒的新型抗菌材料将在预防和治疗骨科植入物细菌感染方面得到广泛临床应用。

4 结语

伴随着时代的发展与进步，人们对健康的保护意识也在不断的加深，使得抗菌材料的生产与研发在供不应求的市场刺激下得到了强劲的发展，并日趋完善。在琳琅满目的功能性产品中，已经有大量的天然、有机、无机材料应用于抗菌材料的研发，而无机抗菌材料所具有的安全可靠、性能优越的特点，使其在实际应用中的地位无可撼动。无机抗菌材料在家用电器、纺织、食品保鲜、建筑材料、医学等多个领域都发挥着不可替代的作用，极大的提升了人们的生活质量。现阶段，抗菌机理的探究与复合型多功能无机抗菌材料的制备均存在较大的发展空间，前景广阔的抗菌材料领域值得全社会投入更多的资源与关注。