纳米抗菌材料的研究进展

孔秋晨，佘慧明，杨粤军

（湖南师范大学 医学院 临床医学系，湖南长沙 410006）

耐药菌是指具有耐药性的病原菌，在长期的抗生素选择之后出现的对相应抗生素产生耐受能力的微生物。细菌的耐药性是指细菌多次与药物接触后，对药物的敏感性减小甚至消失，致使药物对耐药菌的疗效降低甚至无效。而长时间抗生素的滥用促进了耐药菌的产生，这增加了感染性疾病治愈的难度，并迫使人类寻找新的对抗微生物感染的方法。由于抗菌纳米材料具有更高的膜通透性，具有充当外排泵抑制剂的能力且具有多种抗菌作用，与传统抗生素相比，不易诱导细菌耐药性，成为学术界广泛关注的新型抗菌物质。

1 抗菌多肽（Antimicrobial Peptide，AMPs）纳米材料

AMPs的作用机制可分为孔隙形成机制和地毯形成机制[1]。由于其本身的性质，AMPs存在高毒性、低生物利用度、易被蛋白酶降解、低靶点效率等缺点，限制了其作为抗菌药物的应用。但可以用聚合物、纳米颗粒、胶束、碳纳米管、树枝状大分子和其他类型的系统等作为载体来递送AMPs，此法使得AMPs替代抗生素进行相关治疗成为可能[2]。已经证明，AMPs在纳米颗粒中的自组装可以增加细菌表面正电荷的局部密度和肽质量，从而增强AMPs的抗菌活性。值得注意的是，将AMPs直接共轭到合成粒子上不仅方便，而且可以提高性能，如RUDEN等[3]通过AMPs固定化Ag纳米颗粒，并证明该法可显著增强材料的抗菌活性；偶联AMPs到Au纳米颗粒上可以增强肽的稳定性和对所需病原体的输送效力[4]。

2 金属基纳米颗粒

2.1 单金属氧化物纳米材料

金属氧化物纳米颗粒因对细菌具有明显的毒性且诱导耐药性的倾向远低于抗生素而受到广泛关注。以单一金属组成的多种纳米氧化物（Fe3O4、TiO2、CuO、ZnO）作为新型抗菌药物，对人体细胞的毒性相对较低，制备成本低，可通过调节微粒大小有效抑制多种细菌，具有阻止生物膜形成的能力，甚至可以消除孢子，适合应用在织物抗菌药物、护肤产品、生物医学和食品添加剂行业[5]。

2.2 多金属氧化物纳米材料

多金属氧化物纳米材料可有效消除各种细菌菌株，包括对现有治疗方案具有高度抗药性的菌株。VIDIC等[6]发现，燃烧技术制备的ZnMgO具有两种纯组分的优势：纳米ZnO的高抗菌活性和纳米MgO的低细胞毒性。使用这种混合金属氧化物处理24 h后，革兰氏阳性菌（B. subtils）被完全抑制，革兰氏阴性菌（E.coli）被部分抑制。ZAWADZKA等[7]发现，与纯TiO2相比，包覆Ag纳米粒子的TiO2纳米粒子对金黄色葡萄球菌的抗菌效果更强，耐久性更高。作者认为纳米颗粒与细菌细胞表面结合时可以直接机械破坏细菌细胞，而粒子表面释放的银离子则进一步增强了杀菌活性。

2.3 贵金属纳米材料

银纳米粒子（Ag NPs）是目前研究最多的抗菌贵金属纳米材料之一，对包括耐药菌在内的多种病原体都显示出较高的抗菌活性。Ag NPs主要通过对细胞膜造成物理损伤、产生活性氧（ROS）和自由基、在释放银离子后引起关键成分的功能异常等途径发挥作用。但也有研究表明，Ag NPs本身及释放的Ag离子对宿主具有潜在毒性[8]。

2.3.1 Ag NPs的抗菌特性

SONDI和SALOPEK-SONDI[9]首次报道了Ag NPs利用大肠杆菌对革兰氏阴性菌的杀菌能力，他们发现纳米颗粒在细胞壁形成的“凹坑”中积累，然后Ag NPs释放自由基破坏细胞并消灭细菌。此外，有研究证实了Ag NPs释放银离子的氧化还原反应是破坏细菌的因素之一，较小的Ag NPs（＜10 nm）从其表面释放银离子显示出比细菌直接接触该材料表面更高的抗菌活性[10]。KARMALI等[11]的研究阐明了Ag NPs的大小与抗菌效果之间的关系，实验结果显示材料的直径越小，杀菌活性越高。此外，Ag NPs对大肠杆菌O157:H7（易引发食物中毒）具有很高的抗菌活性，其抗菌对象包括化脓性链球菌、肠炎沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌等[8]。而银离子对原核细胞，特别是革兰氏阴性菌，有很强的杀菌活性，但对革兰氏阳性菌的活性较弱，可能与革兰氏阳性菌的厚细胞壁降低了阴离子的作用效果有关。同时，有报道指出Ag NPs有望成为有效的抗生物膜材料，解决医学中有关持续感染的问题[12]。

2.3.2 Ag NPs的抗病毒特性

已有体外研究表明，Ag NPs对HaCaT细胞具有细胞毒性，低浓度（10 μmol/L）的Ag NPs具有剂量依赖的安全特性，而高浓度与较高的细胞死亡率相关[13]。Ag NPs的细胞毒性也在其他人类细胞模型中进行了评估，Ag NPs导致细胞毒性的机制可能是通过诱导ROS的过量产生而导致DNA、脂质和蛋白质的损伤，最终导致细胞死亡和机体的渐进性衰老[14]。

2.4 金属基二维抗菌纳米材料

已经证明，包括Ag、Au、Ti、Cu、Zn、Mg和Ni在内的金属纳米颗粒表现出潜在的抗菌活性。但是，与2D纳米材料相比，由于比表面积小和表面活性位点少，这些金属纳米颗粒的杀菌效率不高。解决此问题并获得高性能抗菌效果的策略之一是用金属纳米颗粒修饰2D纳米片或制备2D金属纳米片[15-17]。

3 光介导的抗菌纳米材料

3.1 光热疗法（Photothermal Therapy，PTT）

在近红外（Near Infrared，NIR）辐射（700～1 100 nm）下，纳米材料具有将光转化为热的能力，因此纳米药剂可通过产生局部热来治疗细菌感染，但表面化学可影响PTT介导的细菌杀灭效率。HU等[18]发现混合带电的两性离子修饰的Au NPs（金纳米颗粒）表现出从负电荷到正电荷的快速pH响应转变，这使Au NPs能够很好地分散在健康组织中（pH 7.4），同时迅速表现出对金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜中带负电荷的细菌表面的强烈吸附（pH 5.5)。Au NPs的聚集增强了NIR光照射下MRSA生物膜的光热消融，由于分散的Au NPs在近红外光下没有光热效应，周围的健康组织没有表现出损伤。

3.2 抗菌光动力疗法（antimicrobial Photo Dynamic Therapy，aPDT）

aPDT是一种利用光敏剂（Photosensitizers，PSs）进行的过程，通常应用于富氧环境中。光子的能量被光敏剂吸收，然后转移到周围的分子上，形成活性氧化物和自由基。这些氧化分子会损害蛋白质、脂质和核酸等细菌大分子，并可能导致细菌死亡。与抗生素不同，aPDT作为一种新技术不会导致突变耐药菌株的选择产生，吸引了该领域研究人员的广泛关注[19]。然而，尽管PSs对革兰氏阳性菌表现出了良好的抗菌活性，但对革兰氏阴性菌的抗菌效率并不高[20]。此外，由于大多数PSs是疏水性的，水溶性差造成PSs的吸收效率有限以及严重聚集，因此可以利用各种纳米载体运载PSs以可提高aPDT效率[21-22]。

目前，光照诱导的纳米抗菌材料的功能可分为内在生成活性氧和作为纳米酶催化活性氧生成。研究证明，在模拟光照处理下，自由电子和空穴对多面体二氧化钛纳米晶的活性氧生成和抗菌活性有促进作用；具有适当的能带结构的CuO纳米棒在可见光激发下产生羟基自由基，有助于活性氧化物产生和改善抗菌性能[23]。

4 碳基纳米材料（Carbon-based Nanomaterials，CNMs）

CNMs包括0D富勒烯、纳米金刚石（Nanodiamond，ND）、碳点（Carbon Dots，CDs）、石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）、1D碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNT）、2D石墨烯及其衍生物以及石墨碳氮化物（graphitic Carbon Nitride，g-CN）。由于独特的结构特征和物理化学性质、相对良好的生物相容性以及环境友好性，CNMs具有很高的抗菌活性，且增强碳基抗菌材料抗菌活性可以通过在基于CNM的复合材料中发挥协同作用来实现。[24]

4.1 0D富勒烯

由于富勒烯具有独特的几何形状以及新颖的光物理性质，YANG等总结了其在抗菌方面发挥的重要作用及其机制[25]：PANTAROTTO等和PELLARINI等提取了一组富勒烯肽，具有极强的抑菌活性；MASHINO等进一步研究了富勒烯衍生物的抗菌潜力；由于富勒烯分子在细胞能量代谢链中的相互作用，在较高浓度时可能会增加O2的吸收，最终导致其向H2O2的转化增加，并可能有助于抑制呼吸链；TSAO等发现羧基富勒烯20通过插入细胞壁和破坏膜的完整性来发挥抗菌作用，20及其异构体在特定的环境条件下降低了大肠杆菌对血脑屏障的渗透性，降低了脑膜炎的发生率。

4.2 CDs

由于CDs具有无毒、光稳定性，且具有可用于微生物粘附和相互作用的表面多功能性，可通过大量廉价的前体生产出来，因此用途十分广泛。CDs表现出较强的光动力效应，其抗菌的主要过程可能与活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的产生有关：光激发的CDs能够产生活性氧杀死或抑制细菌，作用机理包括CDs粘附于细菌表面，光诱导产生ROS，破坏和渗透细菌细胞壁/膜，诱导氧化应激及DNA/RNA损伤，从而改变或抑制重要基因的表达。除了对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、耐多药大肠埃希菌和耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）具有抗菌活性外，CDs还对真菌以及病毒具有一定抗性[26]。

4.3 GQDs

由于具有体积极小、量子密闭、边缘效应、生物相容性高、毒性低及水溶性好等优点，GQDs成为了解分子层面上生物系统和细胞过程的最佳材料之一，同时也是替代对生物系统有毒的无机半导体纳米粒子（如 CdS、CdSe、ZnS和 Si）的合适材料[27]。KARAHAN等[28]发现GQDs的杀伤作用可能是几个机制的综合，包括物理穿刺（又称“纳米刀”机制）、氧化应激诱导的细胞/膜组件损伤、膜运输堵塞或生长限制、通过插入和破坏性提取膜组分来破坏膜的稳定性，根据实验条件的不同，这些主要机制的组合效应表现为完全破坏细胞包膜（即杀菌效应）或抑制生长（即抑菌效应）。此外，RISTIC等[29]通过研究提出GQDs具有相对选择性的光动力抗菌活性，悬浮的GQDs能够在光激发时产生ROS。因此，GQDs是光动力疗法的潜在材料，在这种疗法中，光激发化合物通过能量或电子传输到分子氧，从而利用产生的ROS杀死细胞。

4.4 2D石墨烯

具有大表面积和易于表面功能化的2D纳米材料可与细菌膜紧密互动，从而有助于增强抗菌效果。与传统抗生素相比，基于2D纳米材料的抗菌剂的使用剂量低，因此可克服耐药性问题并在一定程度上减少其他不良副作用。2D石墨烯及其衍生物已在催化、光学/电子设备、生物医学（肿瘤诊断和治疗、神经系统疾病的治疗和抗菌治疗）中显示出较高的应用价值[30]。

4.5 石墨碳氮化物

近年来，作为一种新兴的氮化物基聚合物半导体材料，类石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片因具有层状结构和窄带隙，表现出高效的光催化性能、较大的表面积、良好的化学稳定性和可调节的电子带结构，在抗菌方面引起了极大的关注[31]。WU等[32]曾使用原位还原法合成了Ag/聚多巴胺/g-C3N4生物光催化剂抗菌剂，通过Ag离子和g-C3N4纳米片之间的协同作用显示出优异的抗菌活性。同时，WANG等[33]用还原氧化石墨烯（rGO）和g-C3N4纳米片涂覆环辛硫（α-S8）设计了一种新型的无金属异质结，用于可见光下的光催化消毒。结果表明，S8（核心）/rGO（内壳）/g-C3N4（外壳）（CNRGOS8）在有氧条件下表现出更高的抗菌作用，而S8（核心）/g-C3N4（内壳）/rGO（外壳）（RGOCNS8）在厌氧条件下具有出色的抗菌能力。此外，LI等[34]制造了功能化的亲水性复合膜g-C3N4纳米片，发现随着g-C3N4纳米片的改性，抗菌能力大大提高。

5 半导体纳米材料

5.1 过渡金属二硫属元素/氧化物（Transition Metal Dichalcogenides/ Oxide，TMDC/O）

MoS2、MoO2、MoSe2、WO3-x和 WS2是研究最广泛的TMDC/O模型，由这些材料制成的纳米片可用作光热/光催化抗菌剂的候选物[35-36]。MA等[37]证明了MoS2纳米片具有较高的光热转化效率，在控制808 nm激光照射后NO的释放，观察到PTT和NO释放的协同作用对大肠杆菌和粪肠球菌具有优异的灭杀效果。此外，LIU等[38]制造了几层垂直排列的MoS2（FLV-MoS2）薄膜，这些薄膜具有收集可见光全光谱的能力，可以有效地进行光催化水消毒；在FLVMoS2膜上额外沉积Cu或Au可以帮助电子-空穴对分离并催化ROS产生，使FLV-MoS2在20 min内即可快速灭活＞99.999%的细菌。

5.2 黑磷（Black Phosphorus，BP）

由于无金属的半导体特性和取决于厚度的带隙特点，BP纳米片在整个可见光区域具有非常宽的光吸收率[39]。因此，二维层状BP纳米片可用于在可见光下产生光热效应，并应用于PDT[40]。此外，HUANG等[41]使用丝素蛋白作为去角质剂制备了具有微弱溶液加工性能的薄层BP@丝素蛋白纳米片，该BP@丝素蛋白纳米片不仅可以制成各种形式，而且显示出优异的PTT消毒和伤口修复能力。

5.3 MXenes

MXenes是2D过渡金属碳化物/氮化物家族中一个非常新的成员，Ti3C2Tx（碳化钛）是其中最具代表性的材料[42]。研究表明，Ti3C2Tx纳米片由于超薄的层状形态和独特的理化特性而具有出色的抗菌性能[42-44]。RASOOL等和SHAMSABADI等在氩气（Ar）中超声处理合成Ti3C2Tx胶体悬浮液，抗大肠杆菌和枯草芽孢杆菌性能优越[45-46]。

6 结语

本文系统地综述了目前研究较多的纳米抗菌材料及其主要的抗菌机制。尽管这些材料具有优秀的抗菌活性，但仍然存在需要关注的重要问题：（1）抗菌多肽已被认为是解决现有抗生素缺乏的潜在替代选择，但由于诸如全身和局部毒性、循环半衰期短（对蛋白水解的敏感性）和高制造成本，其距离大规模应用仍然比较遥远；（2）尽管金属或金属离子具有明显的抗菌性能，但仍需要研究降低其体内长期毒性的方法；（3）聚合物纳米结构本身及与其他抗菌材料（如Ag离子和抗菌多肽）整合在一起时，显示出非常好的抗菌活性，但目前仍缺乏对其生物相容性和对宿主毒性的深入研究。