金属抗菌机理的研究进展

孙晓萱，高建新，李 杭，李运刚

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210)

0 引 言

现代生活中，人们不得不时刻面临着微生物的困扰，尽管人们可以通过微生物的有益性进行酿造、细菌发电等，但是其有害性更是时刻威胁着人类的健康。据世界卫生组织统计数字表明：1995年由于细菌感染造成的死亡人数为1 700万人，2003年的SARS病毒、2004年在日本、韩国出现的禽流感、在欧洲出现的“疯牛病”[1-2]以及2020年在湖北武汉刚刚爆发的新型冠状病毒给全球带来了恐慌，也带来了严重的经济负面影响。抑制和消灭有害细菌成为了重要的研究课题，具有广阔的应用前景和指导意义。抗菌材料是具备杀死或抑制有害细菌能力的功能材料，它是受加入抗菌剂的影响。抗菌剂可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂三种类型。由于有机抗菌剂具有耐热性差、毒性大以及易产生耐药性等问题，一直得不到人们的重视。天然抗菌剂因来源有限也得不到广泛的应用。无机抗菌剂主要是金属类抗菌剂，由于金属抗菌具有广谱抗菌且抗菌性能优良、不产生耐药性的特点而受到人们的青睐，并成为目前研究的主要方向。抗菌不锈钢就是指在不锈钢材料当中添加抗菌金属元素并进行一定的工艺处理，使其具备抗菌的能力。它具有良好的耐磨、耐蚀、抗菌及力学性能，可以应用于食品餐具，医疗器械等各行各业，具有较高的经济价值。目前医学的研究方向为靶向性研究，即研究材料为目的性服务，只有更好的了解金属的抗菌机理，我们才能正确的选择抗菌材料。

1 国内外抗菌金属的研究进展

金属离子对细菌具有良好的抑制和杀灭效果，并且有些金属离子对人体不会有其他的危害性。普遍认为金属离子抗菌性的优良排序：Ag+>Co2+≥Ni2+≥Al3+≥Zn2+≥Cu3+=Fe3+>Mn2+≥Sn2+≥Ba2+≥Mg2+≥Ca2+[3-4]。从生物学性能角度分析，有些金属生物性能良好，对人体有很好的兼容性，人体对这些元素形成的合金并不排斥，对身体亦无害处，但其并不具备抗菌的能力，比如钴基金，钛基金，这些金属都是用于替代人体骨骼的金属元素，在医疗器具层面有较广泛的应用，目前有团队在研制含有抗菌元素的钴基金和钛基金，并准备在医学领域进行实践实验[5-6]。还有一些金属虽然抗菌能力较强，但毒性较大比如汞。汞有较大的毒性，虽然能够杀死细菌，但对人体的伤害也比较大，并不适合用于生活中。

抗菌金属的使用已有悠久的历史，在很早之前人们已经懂得使用金属制作的器具更加安全，比如使用铜制作的器皿，用银制作筷子等等。20世纪90年代，日本首次研制出具有抗菌性的铁素体、奥氏体和马氏体系的抗菌不锈钢。它是在传统钢的基础上添加了0.5%～1.0% Cu，再经特殊热处理，使Cu离子溶出并均匀分布在不锈钢内部及表面，其抗菌效果显著。随后，日本川崎公司研发了向不锈钢中添加银的方法，成功生产了含银抗菌不锈钢，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有优良的抗菌效果。其化学成分如表1所示[7-8]。

表1 日本川崎含银抗菌不锈钢的化学成分

虽然我国对抗菌金属的研究起步较晚，但在抗菌不锈钢的研发应用上发展迅猛，近年来，随着研究的不断深入，在金属抗菌领域也取得了重大的突破。

中国科学院金属研究所采用真空感应炉成功冶炼含铜抗菌不锈钢，以0Cr18Ni9和0Cr17不锈钢为基体，分别添加3.8%和1.8%的铜，采用覆膜法评估了抗菌不锈钢的杀菌能力，研究结果表明，抗菌不锈钢对革兰氏阴性菌的杀灭作用会更大，其杀菌率在99.9%以上[9]。

向红亮[10]等对含Ag的抗菌双相不锈钢进行了研究，通过添加纯Ag和Cu-Ag合金的方法，采用中频感应炉进行熔炼制备，对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到99%以上。抗菌不锈钢的化学成分如表2所示。

表2 抗菌双相不锈钢的化学成分

随着研究的不断深入，抗菌不锈钢逐渐应用到各行各业当中。由于不同的抗菌材料对细菌的抗菌性能和抑菌范围都不同，因此，想要开发出有针对性的、高效的抗菌材料，对金属抗菌机理的研究十分重要。

2 金属元素抗菌材料的抗菌机理

每一种抗菌金属元素都有其特殊的抗菌机理，有的甚至同时兼有多种抗菌机理，在不同的环境影响下，选择相应的方式来抑菌。本文综述了离子型、降解型、替代型以及氧化型几种常见的金属抗菌机理，对此方向的发展做了铺垫。

2.1 离子型抗菌

离子型抗菌是目前研究较多，并且应用比较广泛的一类抗菌形式， 它可以通过正负电荷相互吸引与细菌紧密接触，也可以通过离子溶出进入细菌细胞内等多种方式进行杀菌，铜和银是应用较为广泛的抗菌金属，属于典型的离子型抗菌。

2.1.1 铜的抗菌机理

陈四红[11]等在铁素体和奥氏体不锈钢中分别加入了1.8%～2.0%和3.0%～3.6%Cu，抗菌处理后制成40mm的板材进行试验，结果显示出优异的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均在99.0%以上。并根据已有的实验结果，对铜的抗菌机理做了几种假设[12-18]：

(1)利用电场吸附的作用进行杀菌。含铜抗菌不锈钢在冶炼过程中通过抗菌热处理，使Cu离子均匀分布在不锈钢内部及表面，当与细菌接触时，带正电荷的铜离子与带负电荷的细菌细胞壁和细胞膜在异性电荷相互吸引的作用下紧紧吸附在一起，使细菌的活动受到了约束，呼吸受到了阻碍，生存环境也发生了改变，阻碍了细菌的生长，最终导致死亡。

(2)直接杀菌。与细菌接触时，铜离子穿透细菌的细胞壁和细胞膜进入细胞内部，与细菌蛋白质的巯基发生反应，从而使得细菌的蛋白质凝固，酶失去活性，DNA合成受到约束，进而使其丧失增殖能力，此外，蛋白质凝固还影响细菌内部物质传输和电子传输，最终起到杀菌的作用。

(3)破坏酶系统杀菌。铜离子与细菌接触时还可以破坏细菌细胞内部酶运输系统，使得细菌固有成分丧失活性进一步引起功能紊乱，导致菌体繁殖能力下降或新陈代谢受到阻碍，从而造成细菌的死亡。

(4)催化作用杀菌。不锈钢表面的铜离子可以起到催化作用，它能够吸收周围环境中的能量并与氧反应生成·OH和O2-，·OH和O2-可以让细菌的增殖能力下降，进而达到抑菌的效果。

虽然含铜抗菌不锈钢具有较高的杀菌率，但在制备过程中，需要经过较长时间的抗菌热处理，待析出足够的富Cu相时才会显示出抗菌的特性。铜离子溶出机理如图1所示。

图1 抗菌不锈钢铜离子析出机理Fig 1 Copper ion precipitation mechanism of antibacterial stainless steel

2.1.2 银的抗菌机理

与铜相比，银的抗菌性要高出许多，添加少量的银就可以大大提高不锈钢的抗菌性能，并且加入银对不锈钢的加工性能和力学性能基本没有影响。轩阳[19]对含银不锈钢中富银相的析出行为进行了研究，在304奥氏体不锈钢中添加了0.27%Ag，经抗菌热处理后，通过光学显微镜和X射线衍射仪对其进行了观察，结果得到了优异的抗菌效果。银离子抗菌剂作用机理有以下几个方面[20-22]：

(1)阻碍细胞壁的合成。肽聚糖是细菌细胞壁重要组分，银离子对细胞壁的合成有阻碍作用，主要抑制多糖链与四肽之间的连接，从而使细胞壁丧失了完整性，渗透压的保护作用减退，最终由于菌体损伤而死亡。

(2)对细胞膜造成损伤。细胞膜是细菌细胞生命活动结构和功能的基本单位，起着重要作用。因此，若细胞膜受到损伤、破裂，将直接导致细菌的死亡。

(3)对蛋白质的合成有着抑制作用。干扰DNA的正常生物合成过程，使合成的核酸失去功能。

目前，含银抗菌材料仍存在一些问题，由于银的晶格结构与金属相差较大，不管采用何种方式添加都很难将其固溶到基体中，进而导致晶界偏析，分布不均[23]。

2.2 降解型抗菌

随着研究的不断深入，纯镁及镁合金也逐步走入了研究者的视线，Robinson[24]等证实了镁对细菌存在杀灭作用，并且认为其抗菌环境似乎为碱性。此外，中国科学院金属研究在动物实验中对镁基金属的杀菌作用作了进一步的研究，证实了镁基金属的杀菌不同于铜银和锌，它不是依靠离子的作用，镁基金属杀菌是因为在人体或环境中进行自身降解，降解过程中影响了整个环境，使得环境碱度大幅提升，即PH值大幅增大，影响细菌生长环境，从而达到杀菌的作用[25-26]。

可降解镁因其良好的抗菌性能，已逐渐应用到外科手术中，但由于降解速度过快可能会导致细菌感染，并且对生物相容性有不利影响，限制了其在临床上的发展[27]。

2.3 替代型抗菌

所谓替代型抗菌是基于金属离子结构的相似性，细菌对抗菌元素和自身必需的营养元素发生混淆，致使抗菌元素进入细菌细胞内替代了营养元素，损伤了蛋白质和酶，改变了细菌的生存环境，从而显示出杀菌的效果。

2.3.1 镓的抗菌机理

吕毅华[28]等在研究金属抗菌时认为金属镓也具有抗菌性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有较好的抗菌效果。其中大肠杆菌更容易被镓元素损伤，可能是因为革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，镓离子进入细胞内的通道受阻，抗菌效果稍差。并且镓离子已通过FDA认证，具有安全性，可应用于临床。

马超[29]对镓离子的抗菌机理进行了研究，采用硝酸镓为实验对象，将铜绿假单胞菌与铁离子、镓离子置于培养皿中，检测菌体中铁离子含量的变化，发现随着镓离子浓度的增大，菌体中铁离子含量越来越少，证实了镓的抗菌机理：铁元素能给细菌提供营养，也是参与代谢关键酶的重要组成部分，铁能加剧病原菌的感染状况。细菌若离开了铁元素的支持，其生长繁殖将会受到阻碍。由于镓离子和铁离子的离子半径极为相似，使生物体不能准确的判断出镓和铁，外源性的镓进入细胞内代替铁参与必要的蛋白质和酶而干扰铁代谢，对细菌细胞造成多种不利影响，从而起到杀菌的作用。

镓可用于临床，但值得注意的是，长时间使用镓会影响宿主的免疫系统。并且镓在发挥抗菌作用时，对周围的环境要求很高，培养基成分、铁含量和PH等都会影响实验结果。

2.3.2 铈的抗菌机理

敬和民[30]等在00Cr18Ni9不锈钢的基础上添加了0～5%铈元素，采用真空感应炉炼制了含铈抗菌不锈钢，并对铈的添加量进行了分析，结果表明在不锈钢中添加0.11%含量的铈便可取得优异的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率达到了98.9%。此外内蒙古科技大学也在做此研究，均证实了金属铈的抗菌性能，并对抗菌机理进行了探讨，认为铈在离子状态下，与细菌结合，替代细菌里的钙，从而破坏了细菌的结构，最终达到杀死细菌的目的[31-33]。

含铈抗菌不锈钢在制备时不用经过时效处理就可以获得良好的抗菌性能，工艺手段较为简便。但稀土铈在低浓度时反而会刺激细菌的生长，浓度过高时可能会损坏不锈钢的其他性能，在用量上值得深入研究。

2.4 氧化型抗菌

有些金属本身不具备抗菌性能或是抗菌能力稍差，但其金属氧化物在特定的环境下却拥有较强的抗菌能力，比如氧化锌、氧化钛等，在光照的条件下会发生一系列化学反应，从而达到杀菌的目的。

2.4.1 氧化钛的抗菌机理

迟广俊[34]对氧化钛的抗菌机理做了研究，用电沉积的方法，以SUS304不锈钢为基体，制备了Ni/TiO2抗菌复合镀层，通过添加不同含量的TiO2做出了对比试验。实验结果表明，无论有无光照，SUS304不锈钢均无抗菌能力，Ni镀层在光照前后也没有明显的抗菌行为，而Ni/TiO2在光照后显示出极高的抗菌率，尤其是当TiO2含量达到21.98%时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于95%。基本可以确认氧化钛是利用光催化机理进行杀菌的。氧化钛被一定能量的光子激发时分别产生电子(e-)和空穴(h+)。电子(e-)与空气中的氧原子反应生成超氧离子自由基(-O2-)，空穴(h+)与水分子经过离子反应之后生成羟基自由基(-OH)。自由基能够与构成为生物机体的有机物发生反应将其直接氧化成CO2,H2O等无机物，改变有机物的原有状态和性质，从而阻碍了微生物细胞的繁殖，抑制了细菌的滋生，起到了抗菌和杀菌的作用[35]。

综上所述，氧化钛抗菌具有诸多优点，但也有不足之处，主要就是在无光的条件下无法发挥其抗菌作用，并且在弱光环境中，抗菌能力较差。二氧化钛电子、空穴的产生如图2所示。

图2 光照条件下二氧化钛电子、空穴的产生Fig 2 Generation of titanium dioxide electrons and holes under illumination conditions

2.4.2 氧化锌的抗菌机理

段惺[36]在对氧化锌的抗菌性能进行检测时，称取0.1 g氧化锌粉末制成10 mm的圆形试样放在培养皿中，滴入108 cfu/mL菌悬液，在有无光照两种环境中进行观察。结果表明，在无光条件下，氧化锌对大肠杆菌的抑菌圈直径为2.87，光照条件下为5.20，氧化锌光照条件下的抗菌性能明显比无光照时要好。结合实验结果认为氧化锌的抗菌机理主要是由于氧化锌在受光子激发时，会产生许多强氧化物质，这些物质会与细菌发生一系列氧化还原反应，杀死细菌。

此外，关于氧化锌是否存在有毒性的问题，还没有统一的论证，有待进一步的研究，解决安全性的问题，氧化锌将有更好的发展前景[37]。

3 金属抗菌材料存在的问题

(1)目前大部分实验都集中在单一金属进行抗菌的研究，其抗菌能力还有待提高。改进方法：同时添加多种抗菌金属元素。张寒霜[20]研究了同时添加铜和银的不锈钢的抗菌性能，结果表明，铜作为载体协助银穿过钝化膜，二者配合可显著提高抗菌率，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均在99%以上。

(2)金属离子(如铜、银等)在发挥抗菌作用时析出速度过快，会大大缩短抗菌材料的使用寿命，控制析出速度尤为重要，缓释技术作为一种新兴技术可有效解决这个问题。俞波[38]对抗菌沸石的制备进行了研究，以13X沸石作为载体，分别载入铜、银、锌3种金属离子，将沸石置于水中浸泡，直到第40次换水时，Ag+、Cu2+、Zn2+浓度仍然保持在0.01～0.08 ppm之间，证实了抗菌沸石可长时间缓慢释放金属离子，达到长期抗菌的效果。

(3)金属离子化学性质不稳定，容易产生变色、抗菌性能变差等问题，比如银。改进方法：控制载体微孔尺寸或使用可与金属离子形成稳定螯合物的材料可以使银离子更加稳定而减少变色的机会[39]。

(4)随着人们思想水平的提高，环境保护受到很大的重视，金属抗菌剂的使用残留对环境的影响不容小觑。

随着研究的不断深入，金属离子抗菌剂在应用中出现的这些问题定会得到改善，从而不断提高人们的生活质量和卫生水平。

4 结 语

对于抗菌金属材料的发展，一方面是向普适性的广泛抗菌经济型材料的发展，另一方面，从医学的思考角度，是进行“多靶点毒素”的研究，对病毒非常具有针对性，作为医用材料的抗菌产品，精准型有针对性的特殊材料的研究也将是抗菌材料的相对重要的发展方向。由于抗菌材料的研究时间尚短，还没有在此方向上进行研究，本篇论文对抗菌材料机理进行了总结。

目前，离子型抗菌是应用最为广泛的抗菌形式，相比容易造成细菌感染的降解型抗菌和有局限性的氧化型抗菌，有着更好的发展前景。铜、银属于典型的离子型抗菌，并有着多种抗菌方式，但具体是哪种抗菌方式占据主导位置还需进一步的研究。此外，一些稀土元素通过替代相似结构的金属元素也展现了良好的抗菌性能，但在发挥其抗菌作用的同时，是否会对环境造成污染以及是否让细菌产生耐药性等一系列的问题还尚未解决。随着研究的不断深入，可以预见，有更多的抗菌元素将被挖掘出来。降低材料成本，提高抗菌性能，扩大材料的应用范围等一系列的问题是今后需要努力研究的课题。