大分子抗菌材料（精选七篇）
大分子抗菌材料 篇1
1 天然高分子基抗菌复合膜的研究进展
多糖类纳米可食性保鲜膜是在复合膜的基础上添加一定浓度的抗菌剂而制成的,安全可降解,且具有保鲜功能[5]。目前,在抗菌复合膜中常用抗菌剂主要是天然类抗菌剂和无机类抗菌剂[6],天然抗菌剂如:Nisin[7]、溶菌酶[8]、精油类[9](牛至精油、大蒜油等)、多酚类(茶多酚[10]、石榴多酚、香芹酚等);无机抗菌剂如:纳米ZnO[11]、纳米TiO2[12]、纳米Ag[13]等。
1.1 添加无机抗菌剂的天然高分子基复合膜
吕萌[14]以鱼皮明胶和壳聚糖为成膜材料制备不同含量纳米ZnO可食性复合包装膜。结果表明当纳米ZnO添加量达到0.6%时,抗拉伸强度降低至16.06MPa,断裂伸长率降至5.75%。同时纳米ZnO的引入对单增李斯特氏菌的抑菌效果提高了15%,对金黄色葡萄球菌的抑菌效果提高了108%。冯智莹等[15]利用新型碱脲溶剂溶解纤维素,与纳米银(Ag NPs)结合,制备得到抗菌性纤维素/纳米银复合膜材料。随着膜中纳米银含量的升高,对大肠杆菌的灭菌率明显提高,直到纳米银的质量分数达到0.05%以后,抗菌活性不再有显著差异,灭菌率可达到99.9%以上并趋于稳定。刘超等[16]采用酶解法从玉米淀粉中制备出高直链淀粉后,用直链淀粉、纳米TiO2、聚乙烯醇(PVA)制备了薄膜。研究表明当添加的纳米TiO2的粒径为40nm、用量为0.22g、锐钛型/金红石型的比例为75/25时,膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能最好。Arfat等[17]用分离鱼蛋白和鱼皮明胶以1∶1质量比在pH=3和11的条件下混合后,再加入不同质量分数的纳米ZnO制成抗菌纳米膜,并对其进行性能研究。结果表明,当加入的纳米ZnO含量相同时,分离鱼蛋白/鱼皮明胶-纳米ZnO膜在pH=3时的抗菌性要强于pH=11时的抗菌性。Sanuja等[18]采用溶液流延法制备了纳米ZnO/印楝油/壳聚糖复合膜。结果表明,抑菌性能随着纳米ZnO浓度升高而增强,且加入0.5%的纳米ZnO时,CS/0.5%ZnO/印楝油复合膜的抑菌性最好,抑菌圈直径分别达到35mm(25μg大肠杆菌)和35.9mm(50μg大肠杆菌)。Liu等[19]制备了明胶/壳聚糖/纳米ZnO复合膜。结果表明,加入ZnO浓度为0.6%时,拉伸强度由27.00MPa减少到19.06MPa,水蒸汽透过率减少68.69%。此外膜的抑菌区域增加并分别达到8.50mm(金黄色葡萄球菌)、5.58mm(李斯特菌)、7.91mm(大肠杆菌)、6.97mm(肠炎弧菌)。Nafchi等[20]制备了含有纳米ZnO的西米淀粉膜,ZnO纳米粒子对金黄色葡萄球菌有卓越的抗菌能力,且抑菌区域随纳米ZnO浓度的升高而升高。
1.2 添加天然抗菌剂的天然高分子基复合膜
王利强等[21]以马铃薯淀粉、普鲁兰多糖、明胶为成膜物质,丙酸钙和肉桂醛为抗菌剂,采用流延法制备马铃薯淀粉基抗菌可食膜随着抗菌剂含量的增加,冷却肉表面的菌落总数逐渐减少。Wang等[22]采用流延法制备了马铃薯淀粉基复合膜,其中添加麝香草酚的复合膜(麝香草酚含量0.4%)和添加丁香油的复合膜(丁香油含量0.3%以上)对于金黄色葡萄球菌的抑制作用均强于对大肠杆菌的抑菌作用。席亭亭[23]制备的玉米淀粉/纳米CaCO3/壳聚糖复合膜中的抗菌剂壳聚糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌有明显的抑菌作用,3种细菌抑菌圈的大小随着壳聚糖含量的增加而加大,且对大肠杆菌有较强的抑菌作用,抑菌圈直径增至75.45mm。除此之外,膜的拉伸强度由2.24MPa增加到10.71MPa。李鹏等[24]制备了含肉桂精油的壳聚糖-花生分离蛋白可食性膜,结果表明,随着肉桂精油体积分数的增加,膜的抗拉强度由8.97MPa增加到14.26MPa,水蒸气透过率也由25.34g/(m2·h)降低到13.68g/(m2·h)。对于添加相同浓度的肉桂精油,比如在浓度为2.0%时,大肠杆菌和植物乳杆菌的抑菌圈直径为28.64和27.47mm,金黄色葡萄球菌和荧光假单胞菌的抑菌圈直径为19.64和18.80mm。Hosseini等[25]采用溶液流延法制备了鱼皮明胶/壳聚糖纳米粒子复合膜,金黄色葡萄球菌、李斯特菌、大肠杆菌和肠炎沙门氏菌的抑菌圈直径都随着牛至精油浓度的增加而增大,且当牛至精油的浓度为1.2%时,4个抑菌圈的直径都达到最大,在26.3~33mm之间。Araujo[26]等制备了含蜂胶醇提取物的淀粉基膜,并对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都有很明显的抗菌性能,即使是在蜂胶醇提取物低浓度(0.5%)的条件下。Nouri等[27]研究了含槟榔叶提取物的西米基淀粉膜的抗菌、机械及阻抗性能。结果表明,膜对于所测试的革兰阳性细菌和阴性细菌除绿脓杆菌之外均具有抗菌性,且阴性细菌对抗菌性的敏感性要稍低于阳性细菌。Wu等[28]采用薄膜-超声分散法制备的鱼皮明胶中肉桂精油纳米粒子的加入使得膜的拉伸强度减弱(从8.97MPa到6.50MPa),断裂伸长率增强(65.41%到85.70%),且含肉桂精油纳米粒子的活性膜比含肉桂精油溶液的膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及黑曲霉有更好的抗菌性能和更长的抗菌时间。杜会云等[29]用壳聚糖、溶菌酶、牛至油和大豆分离蛋白做成大豆分离蛋白膜。结果表明,牛至油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用大于壳聚糖和溶菌酶;壳聚糖对酿酒酵母的抑制作用大于牛至油和溶菌酶;牛至油对黑曲霉的抑制作用大于壳聚糖和溶菌酶。Li等[30]制备了添加乳酸链球菌素(Nisin)的壳聚糖淀粉膜。结果表明,Nisin膜液对金黄色葡萄球菌的抑菌效果基本随Nisin添加量的增加而增强,体现在抑菌圈由0依次增大到11.33、14.46和16.60mm。但是,相同Nisin添加量的壳聚糖淀粉膜液对大肠杆菌的抑菌效果不如金黄色葡萄球菌的明显。
2 目前天然高分子基抗菌复合膜发展的不足及解决措施
天然高分子基复合膜虽然已经在抗菌方面取得了一定的成果,但是仍旧存在着一些不足。第一,生产规模小[31]。我国目前研究抗菌复合膜还只局限于实验室,离工业化生产还有一段距离,这种现状大大地影响了抗菌复合膜包装材料的发展以及实际应用。第二,膜本身的机械性能以及抗菌稳定性还有待加强。复合膜的机械性能相比于现在广泛使用的聚乙烯塑料机械性能普遍较差,且抗菌复合膜的抗菌性能并不稳定,使得复合膜并不能维持长时间的抗菌性[32]。第三,抗菌复合膜并不是对所有的细菌都有抑菌作用。很多实验表明,在复合膜中加入抗菌剂虽然可以增强膜的抗菌性,但是并不是对所有的细菌都有作用,而且抗菌剂对每种细菌的抑菌性能强弱也不尽相同。针对目前复合膜发展的不足,我们主要从增加抗菌剂种类和引用新技术两个方面对膜的综合性能进行增强。加入的抗菌剂由单一型变为复合型,使得可食性抗菌复合膜对更多的细菌有抗菌性能,从而更加符合现在人们的需求。而引用新技术,比如说引进纳米技术以制备天然高分子基抗菌复合膜不仅可以改善膜的机械性能,而且将抗菌剂制成纳米粒子后再加入到膜中,可以对抗菌剂的释放起到一定的控制作用,增强抗菌稳定性,延长抗菌时间,从而使得抗菌复合膜包装材料具有更好的实用和商业价值。
3 结语
天然高分子基抗菌复合膜由于安全无毒、可食性等特点,成为近年来研究的热点。抗菌剂的加入使得复合膜具有了抗菌的功能,更加符合现在人们对于食品包装方面的需求。但是,目前的天然高分子基抗菌复合膜的发展仍有很多地方值得研究和探讨。在未来发展趋势中,抗菌复合膜包装材料会向工业化迈进,从而加强它的实用价值,使其能更好的投入使用。同时,膜中添加的抗菌剂种类也会向复合型发展,同时引入纳米技术,增强膜的机械性能,使其更广泛的被应用到实际生活中。
摘要：综述了近年来国内外利用天然高分子、无机纳米抗菌剂和天然抗菌剂制备抗菌复合膜包装材料的方法,着重介绍了抗菌剂的加入对于复合膜的抗菌性能和力学性能方面的影响,并探讨了复合膜包装材料目前存在的问题和未来发展趋势。
大分子抗菌材料 篇2
1.1 抗菌肽抗菌机理
目前人类常用的抗菌药物还是抗生素。抗生素作用机理是与病原体的受体特异性结合, 破环了病原体的正常结构, 或者使病原体内某些必需物质的合成受阻, 是病原体无法正常生长繁殖, 导致死亡。因此, 人类就需要重新找出可以抵抗此类病原体的抗菌药物。经过漫长的研究发现, 昆虫抗菌肽可以担此重任。但是, 科学家们至今还没完全明白抗菌肽的抗菌机理, 尚处于探讨的阶段。不过随着染色技术、显微技术等生物学技术的发展, 人们对于抗菌肽抗菌机理的研究也在逐步深入。目前普遍被人们接受的抗菌肽抗菌机理解释主要有2个, 分别是抗菌肽与病原体的细胞膜直接作用进行杀伤和抗菌肽引起的病原体细胞内杀伤作用。
1.2 抗菌肽与病原体的细胞膜直接作用机制
当抗菌肽与病原体的细胞膜接触后会破坏细胞膜的稳定性, 使细胞穿孔或裂解, 引起细胞内容物外泄, 从而杀死病原体细胞。具体的作用机理则是因为抗菌肽是两亲性的物质, 当病原体入侵机体时, 其带正电荷的分子端就会与病原体细胞膜磷脂分子上的负电荷产生静电作用而被吸附, 此时抗菌肽就成功结合到病原体细胞的磷脂膜上了。接着抗菌肽分子的疏水端会插入到细菌细胞膜中, 牵引整个抗菌肽分子进入细胞体内, 这就打乱了质膜上原有的蛋白质和脂质的排列顺序, 使细菌重要的生命活动功能遇阻, 抗菌肽分子间的相互位移而聚合会在细菌细胞膜上形成一个跨膜离子通道, 使细菌细胞内的胞质外流, 因而裂解死亡。
2 分子生物学研究
20世纪80年代末期以来, 随着分子生物学技术的不断发展和其在生物医学上的广泛应用, 昆虫抗菌肽的分子生物学研究也越来越受到人们的关注。陆续有抗菌肽的基因或c DNA被克隆与分离测序鉴定, 这也会有助于人们更加全面的对抗菌肽性质和特征进行的研究。人们通过对抗菌肽的c DNA克隆序列分析发现, 昆虫体内产生的抗菌肽是由前体加工的。当没有病原体入侵时, 抗菌肽是以无生物活性前体形式存在的, 一旦病原体入侵, 前体可以在信号肽的刺激下迅速转变为具有抗菌活性的抗菌肽。前体是一条含有2~64个氨基酸的无生物活性的多肽链, 羧基端有甘氨酸, 含有信号肽、成熟肽以及信号肽与成熟肽之间的一段序列。前体4个步骤、分别在信号酶、二酶、酰胺化3种酶催化才转变为具有抗菌活性的成熟抗菌肽[5]。
2.1 昆虫抗菌肽的基因工程研究
现实科研与生产中天然的昆虫抗菌肽的来源是很少的, 而且提取的成本很高, 根本无法满足人类基础科研和临床试验的需求。因此利用基因工程技术大批量生产抗菌肽就成为人们现阶段研究的重点。同时, 将抗菌肽独特的抗菌特性导入动植物中生产转基因植物和转基因动物的也成为抗菌肽研究的热点问题。
目前为止研究的成就有成功地构建多种天蚕素的前体, 以及防御素的c DNA的构建。构建的典型前体模式都是信号肽、双肽间的序列、成熟抗菌肽、A-酰胺前体。此外, 在不同的表达体系中多种抗菌肽已经成功表达出来, 如天然抗菌肽天蚕素A、B在昆虫系统中得到成功表达;柞蚕抗菌肽D、绿蝇抗菌肽在酵母系统中得到常规表达;天蚕抗菌肽A在真核系统中得到成功表达等等。
2.2 基因工程中的应用
了解抗菌肽的基因结构, 就可以利用基因工程获取大量的抗菌肽, 以此开展基因工作方面的。根据抗菌肽的分子质小, 广谱抗菌特点, 将抗菌肽基因导入植物体基因组内, 改造后获得具有抗病性能的转基因;还可以对天然抗菌肽CMIV的基因片段进行人工修饰, 让它可以在大肠杆菌中成功表达, 由此得到与天然抗菌肽具有相同生物活性基因表达;研究掌握抗菌肽结构与功能关系, 可以为今后设计新抗生素类药物提供理论支持, 也可以为今后研究生物分子结构与功能的关系提供了很好的。
在如今抗生素滥用的情形下, 越来越多的病原菌对原有抗生素产生一定耐药性, 超级细菌的报道时有耳闻。但是研制新的抗生素药物进展又十分缓慢, 因此研究者们就把目光集中到了抗菌肽身上, 期望将抗菌肽开发为新的抗菌药物, 并且现有的基因克隆与表达的研究也为将来抗菌肽的大批量生产提供了技术支持手段。
综上所述, 利用基因工程技术来制备抗菌肽具有重要的意义, 目前已在部分原核与真核基因表达体系中取得成功, 但这只是刚刚开始, 距离大规模的生产还有很长一段路。如何进一步提高基因表达的水平, 怎样提高表达产物的稳定性, 优化抗菌肽抗菌性能等, 都是值得科研工作者们今后在分子生物学领域深入研究的问题。
摘要：昆虫体内经抗原诱导会产生一类具有抗菌活性的多肽, 称之为抗菌肽。具有分子质量小、强碱性、热稳定水溶好、无免疫性、广谱抗菌的特点, 不但可以杀死多种细菌, 并且可以抑杀某些真菌、病毒及原虫, 可以在不破坏健康细胞的前提下杀伤癌细胞, 近年来, 研究昆虫抗菌肽的人越来越多, 已经发展成一个分子生物学的新型领域。
关键词：昆虫抗菌肽,分子生物学,作用机理,研究
参考文献
抗菌材料及其抗菌机理 篇3
关键词：抗菌剂,抗菌材料,抗菌机理
0引言
人类生活环境中存在大量微生物,从日常用的纤维服装、家用电器、卫生陶瓷制品、塑料薄膜,到建筑用的钢材、涂料以及饮用水的消毒处理等方面,它们在适宜温度及养分下会迅速繁殖,导致物质的变质、腐败、发霉以及伤口化脓感染等现象,严重威胁人类的健康。这就使得抗菌材料成为当今新材料研究和开发的热点之一。
抗菌材料是一类具有杀菌、抑菌性能的新型功能材料, 其核心成分是抗菌剂,将极少量的抗菌剂添加至普通材料中制成抗菌材料,用它们制成的制品也就具有卫生自洁功能[1]。抗菌剂分为无机抗菌剂和有机抗菌剂两类。其中无机抗菌剂包括金属离子(Ag、Cu、Zn等)型(如银-沸石、银-活性炭、银-硅胶、银-磷酸盐等)和氧化物光催化型(如TiO2、 ZnO、MgO等)[2],将其制成纳米级后,由于比表面积增大,可以更好地吸附微生物,所以有更好的抗菌效果[3]。有机抗菌剂分为天然、低分子和高分子有机抗菌剂。天然抗菌剂来自于天然提取物(如壳聚糖、甲壳质等),还包括桧柏、艾蒿、芦荟等的提炼产物,其耐热性差,应用范围窄[4];低分子有机抗菌剂主要有季铵(鏻)类、吡啶、胍类、卤代胺等,往往因受热或溶出而丧失抗菌性能,毒性大、对环境污染大、不易加工且使用寿命较短[5],研究者将这些有机抗菌剂抗菌活性基团的单体直接聚合或通过无机金属离子、有机抗菌基团改性或无机/有机抗菌基团共同修饰得到高分子有机抗菌剂,其抗菌活性更高[6],而且性能稳定、易加工、抗菌长效,被广泛应用于树脂、纤维、纸张、医疗、水处理及塑料等领域。本文主要对以上抗菌材料及其抗菌机理做一综述。
1无机抗菌材料
无机抗菌剂是利用Ag、Cu、Zn、Ti等金属或其离子的杀菌、抑菌能力制备得到。目前应用最广泛的是以Ag+等为活性组分的金属离子型和以TiO2为代表的光催化型。由于Ag+的抗菌效果受光和热的影响较大,长期使用易被还原而降低抗菌效果,因此,一般选用能使银离子缓释的载体来制备载银抗菌剂。
无机抗菌材料的抗菌机理及特点见表1。
1.1含金属离子的抗菌剂
银系抗菌剂中的有效抗菌成分Ag+有两种反应[7]:(1) 接触反应。抗菌剂缓释出的微量Ag+靠库仑引力牢固吸附于细胞膜上,然后击穿细胞壁进入细胞内使细菌蛋白质凝固,细胞就会丧失分裂增殖能力而死亡。此外,Ag+也能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统、物质传输系统,当菌体失去活性后,Ag+又从菌体中游离出来,重复杀菌,因此其抗菌效果持久。(2)光催化反应。在光作用下,Ag+会激活吸附在粉体表面的水和空气中的O2,产生·OH和O-2,它们在短时间内能破坏细菌的增殖能力,抑制或杀灭细菌。
由于抗菌剂的大量和长期使用,可造成抗药性细菌种类和数量的迅速增加,因此,国内外相继开展对载银抗菌金属材料的研究[19],目前已有多种各具优势的制备工艺被应用于此类材料的开发。可以预见,载银抗菌金属材料凭借结构材料和功能材料的双重功效,将在抗菌材料的应用中占据重要的地位。
1.2氧化物光催化型抗菌剂
TiO2的光催化抗菌机理[14]是指在光作用下其表面产生的大量的·OH和·O具有很强的化学活性,当这些自由基接触到微生物时,能与微生物内有机物反应,将其氧化成CO2和H2O,从而在较短时间内就能杀灭微生物。TiO2只有在近紫外光下才具有抗菌活性,可以通过引入贵金属或过渡金属离子来拓展其光响应范围,如TiO2/Ag+复合材料就具有双重抗菌效果。ZnO的抗菌机理[17]有3种假设:(1)光催化机理。在光照射下,ZnO价带上的电子(e-)受激发跃迁到导带,留下带正电荷的空穴(H+),e-和H+会与吸附在材料表面的O2、-OH及水等反应产生OH-、O-2和H2O2等。 其中具有极强氧化活性的OH-能够将组成微生物的各种成分分解,达到杀菌的目的;O-2的较强还原性也起到抗菌作用。(2)Zn2+溶出机理。游离出来的Zn2+与蛋白质反应,破坏细菌细胞的生理活性。在杀灭细菌后,Zn2+从细胞中游离出来,重复上述过程。(3)活性氧抗菌机理。H2O2被推测为ZnO产生抗菌性能的主要活性物质。目前,ZnO抗菌被认为可能是几种机理共同作用的结果。
2有机抗菌材料
有机抗菌材料的抗菌机理及特点见表2。
2.1低分子有机抗菌剂
在溶液中,季铵盐的季氮原子所带的正电荷可破坏微生物细胞膜,使蛋白质变性或破坏细胞结构。由于P元素电负性比N元素弱,所以季鏻盐比季铵盐能更好地吸附细菌细胞,抗菌性更高[20]。而胍及其衍生物具有强碱性,能与带负电荷的细菌相互吸引,束缚细菌的自由活动,造成 “接触死亡”。另外,在电场力下,细胞壁和细胞膜上的负电荷由于分布不均而变形,造成物理性破裂,使细胞中的水、蛋白质等物质溢出,发生“细菌溶体”现象而死亡[25]。吡啶盐具有优异的抗菌性,单体经聚合后,可得到具有抗菌性能的聚合物,被用作抗菌牙科修复材料[26]。低分子抗菌剂的抗菌活性成分都是阳离子基团,但耐热性差、毒性大等是其应用受限的重要原因。
2.2高分子有机抗菌剂
高分子抗菌剂的低毒性、稳定性、抗菌持久性、便于改性等优点使其倍受青睐。其抗菌机理比较复杂,故不做介绍。 带抗菌活性官能团的单体经高分子化后,相对分子量增大, 电荷密度提高,而微生物细胞、细胞膜内的磷脂及一些膜蛋白水解均带负电荷,因此,相对分子量增大有助于对细菌表面膜的吸附和结合[27]。而且对聚合物的修饰和改性可以灵活地引入无机、有机抗菌基团,合成各种不同需求的抗菌剂, 制备出高性能、高选择性的高分子有机抗菌材料。但由于大多数高分子抗菌剂相容性较差,限制了其应用,故构筑新型核-壳结构的高分子抗菌剂至关重要。
2.3天然抗菌剂
最常用的天然抗菌剂壳聚糖是一种带正电荷的活性物质[28],推测其抗菌机理有两种[23]:(1)壳聚糖分子中的-NH3+吸附在细胞表面形成一层高分子膜,阻止了营养物质向细胞内运输,也可以使细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均,破坏细胞壁的合成与溶解平衡,起到抑菌杀菌的作用;(2)渗透进入细胞内,吸附细胞体内含阴离子的物质,扰乱细胞正常的生理活动,从而杀灭细菌。壳聚糖作为可降解的天然高分子材料,呈膜性良好,而且水解后会被人体吸收,是一种理想的药物载体,可以与海藻酸钠、纤维素、聚丙烯酸钠等高分子材料形成复合材料,制成复合载药微球,提高药物的载药量、 包埋率及药物稳定性[24]。
3结语
大分子抗菌材料 篇4
关键词：抗菌评价方法,抗菌评价标准,有机抗菌材料
TTC-MIC法是以氯化三苯四氮唑(TTC)作为氧化还原指示剂,进行微量液体稀释法显色改进的一种方法,MIC的定义为阻止颜色变红的最低药物浓度。TTC是作为细菌呼吸的氢受体加入培养基中的,如果有细菌存在,培养后的细菌在脱氢酶的作用下,便由无色的TTC变为红色而不溶于水的三苯甲腙(TTF),从而使细菌着色,培养基中出现红色的颗粒,当有大量细菌存在时,表观现象会出现培养液变红的显现,因此TTC-MIC法可以较为准确地判断细菌生长抑制终点,得到较为确切的结果。但TTC在高浓度时也有抑菌效果,0.03mg/m L的TTC对金黄色葡萄球菌就出现了明显的抑菌效果[16],因此在作抑菌试验时应首先测定其适宜使用浓度,保证在其适宜浓度下不对测试菌产生抑菌作用。
除了TTC,噻唑蓝(MTT)和Alamar blue[17]也有应用。细菌能将黄色的MTT还原成蓝紫色的甲瓒;将蓝色的Alamar blue还原成粉红色产物。与MTT相比,Alamar blue对细胞无损伤,在培养液中性质稳定,不易自发地产生氧化还原反应,可在孵育结束3h前加入指示剂,继续孵育记录颜色变化,是一种性能优异的新型水溶性好的染料。
3.3 浓度梯度法(E-test)
E-test是一种新型简易的检测细菌或真菌对抗菌材料敏感性以及MIC的方法(如图2所示),主要包括一个含有抗菌剂浓度梯度的试条,在试条周围抑菌浓度范围内受试菌的生长被抑制,从而形成透明的抑菌圈。E-test试验综合了稀释法和扩散法的原理和特点,同时还弥补了二者的不足,可以像稀释法一样直接定量测出抗菌药物对受试菌的MIC[18,19]。
华春珍等对纸片扩散法和E-test检测进行了比较,结果发现2种方法的药敏结果基本一致[20]。同时该法与微量稀释法也具有良好的一致性,只是浓度梯度(E-test)法所测MIC值普遍略高于微量稀释法。Amsler等人用E-test、肉汤稀释法、琼脂稀释法测定了多利培南对513种临床分离菌株的MIC进行检测比较,发现:E-test和琼脂稀释法的MIC值,与肉汤稀释法的MIC值在log2稀释度范围内的一致性分别为88%和94%。E-test法测定的MIC值与肉汤稀释法相比在2log2稀释度范围内的一致性为98%[21]。这可能与E-test法所采用的连续抗菌剂梯度以及椭圆抑菌环内有微小菌落存在有关,从而导致终点判读误差所致。
由于E-test法试验的特点,该方法对于探讨耐药机制、准确鉴定耐药性和对新型抗菌材料的评价具有重要意义。
3.4 菌落计数法
菌落计数法是实验室内简单易行的方法,是初期细菌的培养以及细菌菌落数确定常用方法。在抗菌材料评价中,通常是将不同浓度的样品与菌液混合并作用一定时间后,均匀倒入培养基上,于37℃培养24h,观察细菌生长情况,分别数菌落数。通常采用抑菌率作为抗菌材料的评价指标:
抑菌率(%)=(对照菌落数-试验菌落数)×100%/对照菌落数
尽管菌落计数试验较准确且简单易行,但往往因涉及的指示菌株较多而使工作量巨大,耗时较长。
3.5 比色法
3.5.1 浊度OD400-600测定
在一定浓度范围内,菌悬浮液中的微生物细胞浓度与浊度成正比,因而通过测定浊度,间接比较菌液与处理液菌量,可检测抗菌剂杀菌性能。OD400-600的测定即先通过菌落计数和选择400~600nm波长测定的菌液OD值,作出吸光度-菌数标准曲线。测抗菌样品液所处理菌液的吸光度,利用标准曲线算出相应的菌落数。通过添加抗菌材料和对照菌液浓度的变化,即可得到该样品液的抑菌效果[22]。通常采用抑菌率对抗菌材料进行评价:
抑菌率(%)=(对照菌浓度-含样品菌浓度)×100%/对照菌浓度
此方法中,OD400-600的测定值范围应该控制在0.1~1.0之间,否则将有可能超过标准曲线的直线范围,造成较大误差。
3.5.2 吸光度OD260测定
另一种比色方法是测定抗菌药物与细菌之间在不同作用时间时的OD260值。其原理在于,260nm是细胞内液的大量有机物质(如RNA、DNA)的特征紫外吸收,当抗菌材料与菌液相互作用时,造成细胞膜破裂,细胞内液外泄,因此可以通过OD260来反应细菌细胞膜的完整性,从而指示抗菌材料的抗菌活性[23,24]。试验是将经抗菌处理的菌液以5 000r/min离心1min,然后用PBS洗涤2次,重新制成悬浮液,测其OD值。抗菌效果的评价是通过抗菌处理菌液与空白菌液的OD260比值表示:
Rate=抗菌处理菌液的OD260/空白菌液的OD260
OD260间接地反映了死亡细菌数量,适用于抗菌材料致使细菌内液外泄的抗菌性能评价,同时其还可以监测抗菌材料抑制或杀灭细菌的过程。如,Qian等人通过OD260比值监测了改性聚合胍盐对大肠杆菌的抑制过程[25]:当改性聚合胍盐浓度为5×10-6(MIC为8×10-6)时,OD260比率在30min后趋于平缓达到1.05;而当改性聚合胍盐浓度为15×10-6,在10min之内OD260比率就可达到1.35。这说明了增大改性聚合胍盐浓度,可以在短时间内杀灭大量细菌。
与浊度OD400—600测定一样,OD260的测定值范围也应该控制在0.1~1.0之间,否则将有可能造成较大误差。
3.6 形态学观察法
形态学观察法是利用光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜、隧道显微镜,结合染色技术直接对结果进行观察。
共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)被用于研究生物样品的存活/凋亡率,利用各种荧光染料在不同特定波长显示不同颜色。Qian通过双荧光染料区分不同浓度改性聚合胍盐的处理菌液中的活细菌和死细菌,其共聚焦荧光图像表明,改性胍基聚合物的抗菌性能,主要受聚合物浓度以及作用时间的影响[26]。此方法优点是简单快速、直观、易操作,同时还可以用于抗菌材料作用机制的初步探索。
3.7 联合药敏试验
在实际应用中,一种抗菌材料不能完全满足抗菌要求,通常会采用2种或多种材料进行复配。本文主要介绍用于测定2种抗菌材料联合应用时的相互影响。2种抗菌材料联合应用时相互影响作用主要分为3个方面,抗菌作用加强的称为协同作用;抗菌作用减弱的称为拮抗作用;相互无影响的称为无关。常用的联合抗菌试验的方法有棋盘稀释法、纸条或纸片法。
3.7.1 棋盘稀释法
棋盘稀释法是联合药敏中常用的定量方法,首先应分别测定出拟联合的抗菌材料对检测菌的MIC。然后以抗菌材料MIC的2倍为最高浓度,进行对倍稀释。2种药物的稀释分别在方阵的纵列和横列进行,这样在每管(孔)中可得到不同浓度组合的2种药物混合液。随后,在管(孔)中接种菌量为5×105CUF/m L的检测菌,35℃孵育18h后观察结果。通常采用分级抑菌浓度指数(fractional inhibitory concentration index,简称FICI)做为评价指标[27]。
FICI≤5表明2药物为协同作用;0.5
棋盘法的主要优点在于甲、乙2种有机抗菌材料的每个浓度,都有单独的以及与另一样品不同浓度的联合复配,因此能精确测定2种抗菌药物在适当浓度的比例下所产生的相互作用,为有机抗菌材料的联合使用提供理论依据。
3.7.2 联合药敏试验纸条法
在含菌平板上垂直放2条浸有不同药液的滤纸条,培养后观察2药形成的抑菌区的图形来判断2药联合应用时,是无关、协同还是拮抗作用(如图3所示)。此方法是一种定性测定方法,优点在于可以快速直观的判断2抗菌材料联合应用时对微生物的作用。
4 结束语
合适的有机抗菌材料抗菌性能的检测方法,必将为有机抗菌材料的研制开发提供评价依据。但仍然存在以下问题:
(1)目前的检测方法只能对抗菌性能作定性评价,缺乏准确的定量测定方法和定量评价指标。
抗菌材料的研究进展 篇5
1 抗菌剂及抗菌机理
抗菌剂是指一些微生物高度敏感,少量添加到材料中即可赋予材料抗微生物性能的化学物质。也就是说,抗菌剂是能使细菌、真菌等微生物不能发育或抑制微生物生长的物质[3~4]。从形态上抗菌剂可分为气态、液态和固态3种;依化学成分差异可分为有机抗菌剂、无机抗菌剂、天然抗菌剂3类[5]。
(1)有机抗菌剂如季铵盐类等。此类抗菌剂杀菌力较强,效果迅速且价格便宜,但因其耐热性差,有一定毒性,在很大程度上限制了其应用。
(2)无机抗菌剂。一种为溶出抗菌,即无机化合物中含有抗菌性离子(如银、铜、锌等金属离子),通过缓释使微生物蛋白质结构遭到破坏,造成微生物死亡或使其产生功能障碍[5~6]。另一种为光触媒抗菌,它是以Ti O2为代表的光催化类抗菌剂,此类抗菌剂耐热性较一般无机抗菌剂高,但必须有紫外线照射,并且有氧气或水的存在才能起到杀菌作用。
(3)天然抗菌剂如壳聚糖等。天然抗菌剂安全性高,抗菌范围广,但其耐热性差,且易受生产条件制约,很难大规模生产。
2 抗菌材料在日常生活中的应用
2.1 抗菌纤维
抗菌纤维是指采用物理或化学的方法将具有能够抑制细菌生长的物质引入纤维表面及内部,使其具有抗菌效果。随着人们生活水平的提高和自我保护意识的增强,人们对服装的舒适、保健功能日趋重视,各种抗菌纤维的研究、开发与生产愈来愈得到重视。王淑花等[7]用离子交换法制备具有多孔结构的纳米Si Ox抗菌剂,采用紫外光辐射方法制备抗菌羊毛,性能测试结果表明,此抗菌羊毛不但具有优良的抗菌性能,同时具有较好的力学性能。张勇[8]通过银离子与壳聚糖的络合作用制得了稳定的抗菌整理剂并对丙纶非织造布进行整理,可以使该非织造布既有良好的抗菌效果,又能保持基本性能,且耐洗涤性较好。牛梅等[9]运用紫外光辐照的方法先对羊毛纤维表面预处理,再进行二次辐射,最后洗涤干燥,经此工艺制备的抗菌羊毛纤维,接枝吸附率较高,抗菌效果较明显,在洗涤30次后,仍具有良好的抗菌性。Wang等[10]将不同配比的共聚物和聚丙烯腈溶解于硫氰酸钠水溶液中配成纺丝液,采用两步法纺制了聚丙烯腈共混纤维,仅含质量分数10%共聚物的共混纤维经氯漂后,对大肠杆菌的杀灭率可达97.5%。江日金等[11]制备的镀银纤维,不仅具有抗静电、调温和抗菌作用,而且对微波具有强烈的反射作用,用其制成的织物对微波的屏蔽效果可达99.99%。张翌等[12]制备的抗菌防臭纤维织物具有明显的杀细菌及部分敏感真菌的作用。陈军等[13]采用静电纺丝法制备的含纳米Ag颗粒的聚酰胺6(PA6)复合纳米纤维毡,具有优异的抗菌性能。王军等[14]制备了载铜抗菌棉纤维,并对其抗菌性能进行研究,结果表明此种纤维有良好的广谱抑菌性能。盛杰侦等[15]制备的纳米银抗菌针刺鞋材,经试验表明,在不影响其力学、通透等其他使用性能的前提下,具有优异的抗菌除臭功能。
随着人们卫生和环保意识的增强,人们不仅对具有抗菌防臭功效的纺织品的需求量加大,而且对安全性和耐久性提出了更高的要求。近年来的研究已逐渐获取了具有持久抗菌效果的纤维,此种纺织品投入市场也使得高技术含量的新型抗菌纤维产品获得很大的发展。同时,人们也日益关注纺织品的舒适及保健功能问题。
2.2 抗菌塑料
在日常生活中存在着多种多样的塑料制品:厨房用具、卫生间设施、垃圾箱、家用电器的塑料外壳、壁纸、食品包装袋等等。由于温度、湿度合适,非常容易感染细菌,因此对此类材料进行抗菌加工是极其必要的。
毛健康等[16]研究制备了一种由季铵盐类高聚物PQA与聚醚砜PES共混的抗菌膜,抗菌性能测试显示,共混膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性大于PES膜,并且随PQA含量的增加而增强。Weng等[17]将形成酸酐后的有机酸抗菌剂均匀混合到低密度聚乙烯膜中,实验结果表明,当膜处于潮湿环境时,由于内部酸酐水解,自由酸从膜表面释放,从而起到抗菌作用。谭绍早[18]采用载银无机抗菌剂制得PP-R管材专用抗菌母料,属实际无毒级物质,此管材的抗菌性与母料的添加量成正比。当添加4%抗菌母料时,PP-R抗菌管材具有良好的光老化性能,性价比达到最佳,且其卫生安全性能也符合国家有关食品卫生检验标准。李连春等[19]采用抗菌母料YK-3、WK-11、WK-B及其复合物,用机械共混法制备了以PE、PP、PVC、ABS为基体的抗菌功能塑料。结果表明,所制备的抗菌PE、PP、PVC、ABS表现了出强抗菌性,抗菌率均高达99%,所制备的抗菌塑料具有稳定而持久的抗菌活性。师敏等[20]制备的无机纳米抗菌饮水桶,既能保持普通饮水桶的原有性能,不影响其透明性,又增加了持久高效的抗菌性能,完全能满足市场需求。柴福莉等[21]将壳聚糖涂覆在聚丙烯薄膜上,研究发现此种薄膜具有较好的力学性能,同时还具有较为显著的抗菌性能。
在家电和日用品中得到应用后,抗菌塑料将越来越多地应用在建材和室内装饰材料中。高档轿车的内饰也将越来越多采用抗菌材料,如方向盘、内饰绒布、座位、把手等。当抗菌塑料制品达到无毒、无异味、对环境无害的要求后,其开发和应用将会为人类的健康树起一道绿色屏障。
2.3 抗菌涂料
室内是人们活动最为频繁的场所,室内空气质量的优劣和环境无菌化直接影响到每个居民的健康。在居住环境中使用抗菌涂料,也是一个行之有效的抵抗感染,杀灭细菌的办法。
徐瑞芬等[22]将自制的抗菌纳米Ti O2添加于苯-丙乳液中,制成抗菌涂料。表面处理后的抗菌纳米Ti O2在乳液中能够均匀分散,可充分发挥纳米Ti O2的杀菌作用。抗菌涂料杀菌率达99%以上,并且不受光源条件限制,抗菌作用彻底、持久。郁慧等[23]制备的复合纳米抗菌粉末涂料,其力学性能、耐酸碱性等方面都符合行业标准,而且具有良好的抗菌效果,能够满足涂料行业的使用要求。陈丽琼等[24]通过化学还原法制备的纳米银抗菌内墙涂料,是一种性能优异的绿色环保涂料,其加入的纳米银溶胶粒径小,分散性好,抗菌效果强,稳定性好,使得加入后的涂料具有较好的抗菌效果。Chen等[25]采用溶胶-凝胶法制备了分散性能优良,以Na2Si O3为包覆剂的负离子粉体,进而制备了功能涂料,实验表明该材料具有抗菌性,抗菌效果与涂料的负离子产生量、负离子材料粒径、涂料的距离有关。邓跃全等[26]提出锌抗菌功能材料-抗菌涂料一体化制备技术,获得抗菌性能和基本性能都好的功能涂料,实现了废物的零排放,生态化的循环利用资源材料。
抗菌涂料产品不仅自身环保,同时还可以解决装修后室内空气不达标的问题,对于医院环境来讲还可以降低交叉感染的机率,起到辅助净化空气的作用。可见,抗菌涂料的出现和应用不仅改善了人们居住环境质量,而且还减少了微生物及病菌对人类健康的威胁。
2.4 抗菌陶瓷
盥洗室、卫生间等场合一般比较潮湿,很容易滋生细菌,因此开发“卫生”陶器是很必要的。在各种抗菌制品中,抗菌陶瓷也是与人们生活密切相关的,近几年来得到了广泛的重视和研究。
抗菌陶瓷是指在卫生陶瓷的釉中或釉面上加入或在其表面上浸染、喷涂或滚印上无机抗菌剂,从而使陶瓷制品表面上的致病细菌控制在必要的水平之下。刘红华[27]指出Ti O2光催化陶瓷是一种生态陶瓷,其与活性炭等混合,可以具有较好的吸附和除臭作用,当紫外线照射时,具有较强的抗菌作用等。Ti O2生态陶瓷由于其自洁、防污、抗菌等性能越来越受人们的关注。陈前林等[28]将Si O2Zr3(PO4)4改性的Ti O2粉体添加到陶瓷釉料中,制备了Ti O2光催化抗菌陶瓷,此抗菌陶瓷对大肠杆菌的抑菌率达98%。刘平等[29]和刘曙光等[30]制备了表面镀有光催化剂薄膜的自清洁陶瓷,该陶瓷具有较强的降解有机污染物和灭菌能力。李玲[31]制备了混有载银纳米抗菌剂的,表面具有抗菌性的白色高致密度的陶瓷片,抗菌试验结果表明,在釉料中加入纳米抗菌剂后,陶瓷表面形成超亲水膜,不渗油。该抗菌陶瓷具有较好的抗菌性,当釉料中加入1%的抗菌剂时,其杀菌率就达99.3%以上。
抗菌陶瓷制品不仅可以用在家里,还可以广泛用于医院、公共场所以及潮湿环境等。抗菌陶瓷的应用领域和市场前景将日益扩大。然而,抗菌陶瓷的抗菌功能也是有限的,只是对有限的一些菌种具有杀灭和抑制作用。因此,还需要研究工作者们继续深入研究,寻求新型的抗菌剂,使其制品的抗菌性能更广谱。
2.5 抗菌金属
随着抗菌材料研发的不断发展,其应用范围也日益广泛,功能也更加齐全。抗菌金属材料的也将形成巨大的市场。
倪红卫等[32]和高海云等[33]介绍了各种抗菌不锈钢制备方法及抗菌机理,并指出抗菌不锈钢将大有前途。倪红卫等[34]将铜离子注入AISI 304不锈钢中,抗菌实验结果表明,铜离子的注入使试样具有良好的抗大肠杆菌的效果;GXRD和TEM结果表明铜离子注入不锈钢经特殊抗菌处理后,试样具有优良的抗菌效果。张安峰等[35]采用覆膜法研究了经特殊处理析出ε-Cu相的含Cu马氏体抗菌不锈钢的抗菌性能,实验结果表明马氏体抗菌不锈钢的抗菌特性来自抗菌热处理过程中析出的ε-Cu相,具有良好的抗菌功能,不会因表面打磨或磨损而丧失抗菌性能。廖辉伟等[36]以纳米铁酸铜(Cu Fe2O4)复合氧化物为载体,通过吸附制备载银抗菌剂,并用抑菌圈直径和杀菌率表征抗菌性能,结果表明,载银纳米Cu Fe2O4抗菌剂具有较好的抗菌性能,且其抗菌能力随着抗菌剂载银量的增加而增强。
抗菌金属材料的广泛应用是人类健康安全的屏障,它符合人类追求健康的理念和提升生活质量的愿望。
除了以上所举例子外,抗菌材料还有其他方面的应用。周艳艳等[37]采用离子导入法制备的多孔抗菌玻璃,对大肠杆菌具有良好的抗菌性能。杨飞等[38]将自制的载银沸石抗菌剂添加到纸浆内,并研究添加物对纸张白度、强度等物理性能的影响。试验结果表明,抗菌沸石对纸张性能的负面影响较小,且纸张具有较好的抗菌性能。
3 结语
银系无机抗菌材料研究进展 篇6
人类的生存和健康持续受到各种细菌病毒的威胁。一个由多国卫生专家组成的研究机构日前发现80%家庭厨房中使用的抹布带有多种危害健康的病菌, 14%的厨房水龙头上附着大量大肠杆菌;美国疾病控制中心卫生保健委员会对美国35个家庭里的30个地方进行擦拭细菌检查, 计算每平方英寸的细菌数量, 结果马桶上有320万个细菌、浴缸 (排水管附近) 有12万个细菌、浴室水龙头把手有6267个细菌、厨房排水管有56万个细菌、厨房海绵擦或擦布有13万个细菌;建筑结构中的湿积累及其引发的霉菌生长严重影响建筑结构的使用性能和人居环境。近年欧美多国发生的甲型H1N1流感、大肠杆菌疫情等事件使人们更加认识到与细菌微生物的斗争是长期的, 日常生活中人们越来越离不开抗菌防霉技术和抗菌材料的使用。
抗菌材料目前主要有3大类, 分别是天然抗菌材料、有机抗菌材料和无机抗菌材料。天然抗菌材料和有机抗菌材料的研究较早, 品种繁多, 存在毒性、长效性、不耐高温性等不足使应用受到限制。无机抗菌材料是近20年发展的一类抗菌材料, 主要有半导体光催化型、金属离子金属氧化物型等。这类抗菌材料具有化学稳定性好、热稳定性好、无毒、广谱、不产生耐药性等优点, 在塑料、纤维、涂料、陶瓷等制品的应用中占有很大优势。在无机抗菌材料中, 抗菌活性成分为金属的无机抗菌剂是目前研究最为广泛的抗菌剂, 其中以杀菌活性强且无毒的银系无机抗菌材料研究较多。
国内外研究和应用最多的银系无机抗菌材料主要有两类, 一是纯纳米银抗菌材料, 一是以金属银离子为抗菌成分、各种无机矿物为载体的载银型无机抗菌材料。这两类银系无机抗菌材料在合成方法、抗菌原理及应用方式等方面都有所不同, 本文就当前国内外在这两类银系无机抗菌材料研究方面的进展和实际应用状况进行综述。
1 纳米银抗菌材料
1.1 纳米银的制备
纳米银为零价, 固体, 呈粉末状, 黄褐色, 不易氧化, 加入自来水后为棕黄色, 不产生沉淀, 颗粒直径多在10~30nm之间;可呈球形、立方形、杆状等多种形状, 还可根据不同的需要制成管状、丝状、多面体、薄膜等。纳米银颗粒的制备按原理分为物理法、化学法和生物法。
1.1.1 物理法
物理法原理简单, 所得产品杂质少、质量好, 但对仪器设备要求较高, 生产费用昂贵, 一般适用于对纳米银粒子的尺寸和形状要求都不高的产业化制备, 主要有机械研磨法、激光烧蚀法、等离子法、辐射法等。
C.Baker等[1]在惰性气氛下通过金属蒸发、冷凝成核并共聚合成纳米银颗粒, 实验表明与大肠杆菌作用的银纳米粒子表面浓度在8μg/cm2时, 对大肠杆菌有完全的杀抑作用。Salome Egger等[2]采用工业火焰喷雾热解法制备Ag-Si复合材料, 所制备的纳米银颗粒镶嵌在无定形SiO2表面, SiO2的平均直径为1μm, 表面的银颗粒尺寸为1~10nm, 纳米复合颗粒的比表面积为250m2/g。实验结果发现, Ag-Si复合物对细菌的最小抑菌浓度 (MIC) 值在62.5~500μg/mL (即12.5~100μg纯Ag/mL) 范围, 且对革兰氏阳性菌的抑菌性弱于阴性菌;推测可能与2种菌的细胞壁结构有关。
物理法对生产仪器设备要求较高, 生产费用昂贵, 很难实现大规模生产。目前用这种方法制备纳米银多是小试或中试阶段。
1.1.2 化学法
化学法合成的纳米银粒子主要应用于对纳米粒子性能要求较高的光学、电学和生物医学等领域, 其关键技术是如何控制颗粒的尺寸、较窄的粒度分布和获得特定而均匀的晶型结构。化学方法主要有液相化学还原法、电化学还原法、光化学还原法等。
液相化学还原法一般指在液相条件下, 将Ag+还原为单质银, 还原剂常用硼氢化钠、柠檬酸钠、乙二醇、抗坏血酸、葡萄糖等, 通过控制不同的反应条件得到不同粒径和形貌的纳米银颗粒。例如, Ivan Sondi等[3]在室温900r/min的搅拌条件下, 将10mL的维生素C溶液 (浓度为1mol/L) 以3mL/min的速度倒到90mL的5% (质量分数) 的达哈19 (磺酸的一种铵盐) 和0.33mol/L的AgNO3溶液中, 制成Ag水溶胶, 再通过水洗、冷冻干燥获得纳米尺寸的银颗粒。Sukdeb等[4]采用形成种子和不同条件生长两步骤制备不同形貌的纳米银颗粒, 首先在0.5mL AgNO3 (0.01mol/L) 和20mL柠檬酸钠 (0.001 mol/L) 混合液中在搅拌条件下快速注入0.5mL的NaBH4 (10mmol/L) , 搅拌5min后陈放1.5h形成种子, 然后在100mL AgNO3 (0.001mol/L) 沸腾液中加入3mL Ag种子液和柠檬酸钠水溶液, 使混合液中柠檬酸钠的浓度达到0.001mol/L, 加热混合液直至颜色成青黄色, 再冷却到室温, 通过过滤提纯、漂洗、冷冻干燥得到球状纳米尺寸银粉末。他们还用5mL AgNO3 (0.01mol/L) 、10mL抗坏血酸 (0.1 mol/L) 、146 mL的十六烷基三甲基溴化铵 (0.1mol/L) 、5mL的银种子液和1mL NaOH (1mol/L) 混合搅拌, 溶液颜色几分钟内从明黄到棕、到红再到绿, 再将溶液分别在21℃、35℃和21℃培养12h、5min和24h, 培养液的颜色从绿色变为红色, 通过离心分离提纯, 沉淀物中得到高纵横比的杆状纳米颗粒, 上清液中得到切去顶端的三角形的银纳米颗粒。胡荣等[5]以AgNO3和NaBH4为主要原料, 采用甲苯为溶剂、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂合成纳米银颗粒, 所得到的纳米银颗粒为球形, 粒径均一, 直径约为4.9nm, 单分散性良好, 还可以进一步通过自组装排列得到二维有序结构。孙磊等[6]以单宁酸为还原剂、聚乙烯吡咯烷酮为修饰剂制备了水溶性表面修饰纳米银颗粒;所制备的纳米银颗粒为面心立方晶体结构, 平均粒径为15~17nm, 样品在水相中能长时间稳定分散, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抗菌作用。张莉等[7]采用间接电还原法, 控制磷钨酸的还原电位, 使磷钨酸还原成杂多蓝, 然后加入硝酸银制备出单分散性好、粒径小且粒径范围较窄的立方晶系银纳米颗粒, 其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的抗菌性能。马守栋等[8]采用不添加稳定剂的化学合成法和超滤法将反应体系中的杂质除去制备高纯度的纳米银, 制备出的纳米银平均粒径为18.29nm, 分布窄, 表面带负电荷, 对多种菌抗菌活性强。
化学合成法具有易实现、成品质量易控制、成本低等特点, 目前制备纳米银材料多采用此类方法。
1.1.3 生物法
生物法是利用微生物体系制备纳米银颗粒, 可细分为细菌还原法、真菌还原法、植物还原法等。Hui Wang等[9]研究了在厌氧条件下的沙雷菌减少有毒的Ag (Ⅰ) 形成Ag (0) 纳米颗粒元素, 100μm Ag (Ⅰ) 与沙雷菌作用24h后再对混合液进行离心分离沉淀物变为棕黑色, 用XRD测到沉淀物由AgCl和Ag3PO4混合物变为主要是Ag (0) 。Nicholas Law等[10]研究了在废水中通过地杆菌属把Ag+或银沉淀转变成银纳米颗粒。S.S.Birla等[11]研究了用真菌 (头状茎点霉) 细胞滤液与1mmol/L的AgNO3溶液生物合成银纳米颗粒, 这种包覆的银纳米颗粒可以增强颗粒在胶体溶液中的稳定性, 减少颗粒聚合, 对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌都有很好的抑菌作用, 那些对抗生素有抵制作用的生物体对这种银纳米颗粒有很好的敏感性。
生物法具有原料来源广、价廉易得、绿色环保、反应条件温和等优点, 但其还原能力较弱, 寻找新的具有较强还原能力的生物源是此法的主要突破口。
1.2 纳米银的抗菌性能
1.2.1 纳米颗粒尺寸对抗菌性能的影响
一般认为颗粒的纳米尺寸使材料的比表面积非常大, 从而与细菌接触增多, 增强了对细菌的破坏性。Jose Luis Elechiguerra等[12]研究了1~10nm的纳米银颗粒与HIV-1病毒的作用过程。他们采用高角环形暗场扫描电子显微镜 (HAADF) 观测到纳米银颗粒的尺寸对抗菌性能影响很大, 大于10nm的银纳米颗粒对HIV-1病毒无作用;银纳米颗粒表面存在的胞质基因共振和大量有效的散射截面, 使纳米颗粒不是随便附着在病毒上, 其有规律的空间位置和中心间距, 吸引暴露在硫方向的糖蛋白剩余物, 通过优先捆绑gp120糖蛋白把手而与HIV-1病毒作用。Jose Ruben Morones等[13]研究了纳米银颗粒对革兰氏阴性菌的杀菌效果。该研究采用高角环状暗场扫描电子显微镜观测到纳米颗粒杀抑大肠杆菌和金黄色葡萄球菌要比铜绿假单胞菌和霍乱菌容易, 纳米银颗粒以个体颗粒形式而不是颗粒的团聚体形式与细胞膜作用, 从而证明与细菌作用的纳米颗粒是离开碳矩阵的颗粒, 结果得出纳米颗粒杀菌与尺寸有关, 1~10nm的纳米颗粒与细菌可直接相互作用。国内孔茉莉等[14]用羧甲基纤维素钠为还原剂、聚乙烯吡咯烷酮为保护剂, 采用液相化学还原法制备了纳米银颗粒, 粒径为20~30nm, 无团聚现象, 结构为多晶体系;通过抑菌圈法实验观测到所制备的纳米银颗粒对海洋优势附着菌种芽胞杆菌有良好的抑菌效果。
1.2.2 纳米颗粒形貌对抗菌性能的影响
虽然纳米颗粒的尺寸与抗菌性能成反比的关系, 但并不只是简单的减小材料尺寸增大表面积来实现更好的抗菌作用, 纳米材料的颗粒形貌、合成特性以及新的物理化学性能是实现抗菌的另一关键。韩国学者Sukdeb等[4]研究了不同形状的纳米银颗粒对大肠杆菌的抑菌效果, 制备了球状、杆状和切去顶端的三角形的3种银纳米颗粒, 将105~107CFU/mL浓度的大肠杆菌倒入含有营养琼脂的平板中, 再加入不同质量的纳米银颗粒 (1~100μg) , 平板计数并在显微镜下观察。实验发现:对于100μL (约107CFU/mL) 的菌悬液, 截缩的三角形银颗粒1μg可抑制菌生长90%, 而球形银纳米颗粒需要12.5μg, 50~100μg的粒子可100%抑制细菌生长;棒状纳米颗粒对细菌作用要次一级。当菌的浓度在105CFU/mL时, 6μg球形银纳米颗粒可100%抑制细菌生长, 12.5μg AgNO3溶液可100%抑制细菌生长。用能量过滤透射电子显微镜 (EFTEM) 可以观察到细菌细胞膜表面累积和穿透细胞的纳米颗粒。研究表明, 对比球形、杆状纳米银颗粒和银离子 (以AgNO3形式) , 三角形截断的纳米银颗粒的{111}晶格面作为底面有很强的抑菌效果。他们提出纳米颗粒尺寸和{111}晶格面组合对杀菌性能有促进作用。
1.3 纳米银的抗菌机理
纳米银是一种典型的金属纳米材料, 具有极大的比表面积, 粒子尺寸越小, 其表面原子所占的百分比越大, 表面原子数越多, 周围缺少相邻原子, 则存在许多不饱和键, 表明具有高表面能的不稳定原子。这种结构给各种反应提供了很多的接触吸附位点和反应作用点, 通过化学键很容易与外来原子相结合, 吸附细菌病毒的能力大大提高, 与细菌病毒之间相互产生的化学反应能力也快速增强[15]。也有文献表明, 带阴电荷的细菌细胞和带阳电荷的纳米颗粒之间的静电吸引是纳米颗粒产生活性的重要原因[16,17]。
Sondi I.等[3]通过实验得出纳米银颗粒的杀菌机理是纳米银颗粒与细菌膜成分相互作用, 引起结构改变和膜的破坏, 对膜形态的破坏导致渗透性增加, 从而使向细胞质膜的传递失去控制, 最终导致细胞死亡。
Jose Ruben Morones等[13]通过用强弱酸处理法实验得出, 银与细菌体中磷和硫成分有很好的反应性, 而细菌的细胞膜有很多的硫蛋白成分, 细胞内的硫蛋白和含有磷成分的DNA都会优先与纳米银颗粒反应。可能的作用是纳米颗粒与DNA反应, 影响细菌的呼吸链、分割细胞、破坏细胞膜形貌, 最终引起细菌死亡。
也有研究者认为纳米银颗粒的抑菌作用是银离子的释放, 另外纳米银较大的表面积可增加在液体中银离子的释放量, 纳米银会积聚在细胞质膜表面, 引起细胞渗透性的显著增加, 渗透到细胞内从而使细胞死亡[18]。
1.4 纳米银的潜在毒性
纳米银作为一种新兴的纳米材料, 由于其在生物领域所展示的多种特性, 可以在临床疾病的预防和治疗中发挥重要作用。但纳米银颗粒在加工过程、医疗用品制作过程以及作用于患者的过程中, 作为固体粉末或其他形式, 可以通过呼吸道、消化道、皮肤以及直接包埋等途径进入机体, 对机体产生潜在的危害。
大剂量纳米银暴露的急性毒性反应研究相对已比较透彻, 其毒性机制为通过不同的信号通路诱导细胞凋亡。目前纳米银在医疗上主要以敷料、栓剂、导尿管等材料中重要抗菌成分应用, 是长期或短期低剂量使用。如纳米银抗菌成分的导尿管, 短时间接触尿道, 在发挥抗菌效用的同时, 微量渗入人体内, 至今未有相关的副反应报道。有研究表明[19], 在大鼠皮下注射纳米银微粒, 经过一段时间发现纳米银随血液循环进入肾脏、肝脏、脾脏、大脑、肺脏等多个重要器官, 并在细胞内外沉积, 干扰细胞。目前纳米银的毒性研究主要集中在体外实验, 虽然纳米银在医疗抗菌方面有很好的效果, 但还应关注其毒性的潜在危害, 纳米银对人体各系统的影响以及作用机制等都有待深入研究, 从而为安全使用纳米银材料提供理论指导。
2 载银型无机抗菌材料
2.1 载银型无机抗菌材料的种类和制备
载银型无机抗菌材料主要是指通过离子交换和物理吸附等作用将银离子沉淀到无机材料的表面或介孔材料中, 制成无机抗菌剂使其具有抗菌作用。常见的载体有沸石、蒙脱石、可溶性玻璃、羟基磷灰石和磷酸盐等介孔材料。
2.1.1 沸石载银型
沸石是碱金属或碱土金属的结晶型硅铝酸盐, 其化学组成的通式为MXⅡ·Al2O3·ySiO2·zH2O, 其中M代表Na+、Ca2+等金属离子。沸石具有三维空间骨架结构, 这种骨架结构是由硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子连接而成, 由于铝氧四面体电价不平衡, 为达到静电平衡, 结构中必须结合Na+、Ca2+等金属离子, 这些阳离子与骨架的联系很弱, 可被其他阳离子交换取代而不破坏沸石结构。所以通过交换可将Ag+等无机离子结合到沸石的结构中而制得抗菌剂。
沸石载银抗菌材料中交换担载Ag+的量受多种因素影响。沸石种类不同, 其交换度、交换容量、交换效率和交换选择性等指标各不相同。如沸石中Si、Al物质的量比越高, 置换Si3+的Al3+越少, 为平衡电荷进入孔道中的阳离子越少, 则离子交换量越少。即使同种类型的沸石, 其粒径不同, 孔道中存在的杂质量不同, 都影响交换性能[20]。此外含银溶液浓度、反应固液比、pH值、搅拌温度、搅拌时间等条件都对载银量有很大影响。
近年来国内外很多学者对沸石载银抗菌材料进行了深入研究。其中, 侯文生等[21]研究了热处理对载银4A沸石抗菌性能的影响。结果表明, 这种抗菌材料可耐500℃的高温, 并随温度升高, 载银量减少, 抗菌性能降低, 抗菌剂白度下降。戴晋明等[22]对载银锌4A沸石抗变色性能进行了研究。实验表明增加锌离子的含量, 减少银离子的含量对抗菌性能影响不大, 并可大大改善其抗变色能力, 当银含量为0.41%, 锌含量为3.83%时, 成本、抗变色性和抗菌性能三者均达到最佳。Kelly R.Bright等[23]考察了载金属离子沸石粉末对冠状病毒229E、猫传染性腹膜炎病毒 (FIPV) 和猫杯状病毒F-9的抗病毒性能。结果表明, 载银铜沸石不仅对上述3种病毒有明显的抑制作用, 而且对包膜和非包膜病毒均有效。刘菁等[24]用液相离子交换法制备载银沸石, 具体工艺条件是AgNO3的初始浓度为0.05mol/L, pH值为6~8, 反应温度为60℃, 搅拌时间为4h;采用磷酸钠预处理沸石, 可提高沸石载Ag+量, 银以离子状态取代部分Na+进入沸石孔道内部, 进而提高其抗菌性和抗变色能力。
2.1.2 蒙脱石载银型
蒙脱石是一类层状硅酸盐无机矿物, 其化学通式为Nax- (H2O) 4[Al2 (AlxSi4-xO10) (OH) 2], 晶体结构为铝氧八面体层与硅氧四面体层交替排列结构, 其中八面体层被夹在两层四面体层之间。由于其四面体层中部分Si4+被Al3+代替, 八面体层中部分Al3+被Mg2+、Fe2+等取代而带负电荷, 从而使层间需用阳离子补偿正电荷的不足, 所以在蒙脱石层间常有Na+、K+、Ca2+、H+等离子存在, 这些离子可与其他带正电荷的离子 (如Ag+、Cu2+、Zn2+) 进行离子交换, 具有很大的离子交换容量[25]。
2.1.3 可溶性玻璃载银型
以硼酸盐、硼硅酸盐或磷酸盐玻璃为基质, 添加适量银盐、铜盐或锌盐, 并添加必要的氧化还原剂, 使金属氧化物保持离子状态, 将其制成粉末即可得到可溶性玻璃载银抗菌剂。这种材料呈层状晶体结构, 性能稳定且具有较好的缓释功能, 抗菌持久性好。
目前日本、欧美等国已成功将载银玻璃系抗菌材料商品化。日本石塚硝子公司开发的IONPURE抗菌玻璃材料通过其组成/粒度/银含量, 控制金属离子的溶出速度, 每克材料在每小时内银的溶出量可以控制在0.0001~100mg的范围内变化, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度 (MIC) 均为100μg/mL。日本东亚合成公司的专利产品Novaron, 其组分大多为Ag0.17Na0.29H0.54Zr2 (PO4) 3, 粒径为0.72~1μm, 含银量为3.6%, 白色粉末, 对多种细菌的MIC值为125~1000μg/L[26]。
Sabeel P.Valappil等[27]研究了含银磷酸盐玻璃, 银离子以0.42~1.22μg·mm-2·h-1的释放速度到达材料表面, 与金黄色葡萄球菌生物膜作用, 有效杀菌;用核磁共振成像和高能X射线衍射分析, 得到磷酸盐网络的结构重新排列, 银以+1价态存在比其他氧化态 (+2或+3) 具有更高的杀菌效率, 银离子的变种释放、材料结构变化对抗菌活性有很大影响。这种含银磷酸盐玻璃材料在整形外科临床应用对预防金葡菌生物膜的感染有潜在价值。
2.1.4 磷酸盐载银型
磷酸盐系包括磷酸钙类和磷酸锆类。磷酸钙类物质又包括羟基磷灰石 (HA) 、磷酸三钙 (α-TCP、β-TCP) 、磷酸四钙 (TECP) 及其混合物, 磷酸钙与生物具有良好的亲和性, 被广泛用作人工骨、人工齿根、食品添加剂和催化剂等领域, 因此是一种对人体很安全的抗菌载体材料。抗菌材料的制备一般是将磷酸钙与Ag+化合物混合, 然后在1000℃以上高温烧结, 再粉碎研磨得到成品, 抗菌有效成分Ag+通过磷酸钙的解析过程进入介质溶液, 产生抗菌作用。Ag+的析出量与磷酸钙载体的结构 (孔隙度、结晶度、晶格缺陷、气孔尺寸、比表面积等) 以及形态 (块状、粉状、颗粒等) 都有很大的关系。
磷酸锆类载体表面为多孔型结构, 比表面积大、吸附能力强, 而且化学稳定性好、耐高温, 载体与金属离子的结合力强且有很好的缓释作用, 使抗菌材料具有耐紫外光照、耐高温、抗菌力持久等优点。西安康旺公司生产的Conval PAg-40型载银磷酸锆抗菌剂银含量为3.6% (质量分数) , 耐热温度高于1300℃, 对大肠杆菌和绿脓菌的MIC值为125×10-6, 广泛应用于塑料、陶瓷、纺织等制品中。厦门晋大纳米公司采用常压水热合成法制备了立方体磷酸锆载银抗菌粉, 对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的最小抑菌浓度分别为120mg/kg、110mg/kg、130mg/kg。
2.2 载银型无机抗菌材料的抗菌性能及抗菌机理
关于载银型无机抗菌材料的抗菌机理主要有接触式抗菌和光催化假说两种观点[28]。
2.2.1 接触式抗菌机理
接触式抗菌机理认为, 抗菌材料通过破坏细菌细胞膜导致细胞内容物的溶出, 阻碍有利于细菌新陈代谢酶的合成, 破坏遗传因子, 从而使细菌丧失其生物活性等而达到抗菌效果[29]。抗菌材料在使用过程中缓慢释放出银离子, 银离子凭借库伦引力被吸附到表面带负电荷的细菌表面, 使细菌细胞壁受损, 导致细菌死亡。Mikihiro Yamanaka等[30]用能量过滤透射电子显微镜法 (EFTEM) 、二维电泳法和质谱分析法研究了银离子对大肠杆菌的杀菌作用。含900×10-9的Ag+溶液与大肠杆菌作用30min后, 细菌总数呈指数衰减;用能谱分析 (EDX) 看到银离子进入大肠杆菌内部, 与细胞质相互作用, 银离子在不破坏细胞膜的情况下通过离子通道渗入细胞中, 使核糖体、酶及产生ATP必要的蛋白质变性, 这个过程使得细胞不能维持膜结构最终导致细胞破裂。
有研究者进一步研究发现, 银离子穿透细胞壁, 取代细胞膜表面阳离子的位置, 与蛋白质或其他阴离子基团结合, 使细胞膜原有的生物功能丧失, 破坏细胞膜的代谢和结构。同时过剩的银离子还能穿透细胞膜渗入到细胞内部, 与细胞内部的作用主要有: (1) 与细菌体内的蛋白质、核酸中存在的巯基 (-SH) 、氨基 (-NH2) 等含硫、氮的官能团反应, 使蛋白质变性, 细胞合成酶丧失活性。生物酶控制着微生物生化反应, 它的失活将引起催化性能丧失, 生化反应无法正常进行, 导致微生物的能量代谢和物质代谢受阻, 抑制细菌的正常繁殖、生长、发育等过程。 (2) 干扰肽聚糖的合成, 阻碍细胞壁的形成, 抑制细胞的繁殖与生长。 (3) 与DNA反应, 破坏细胞中一些功能系统 (如呼吸系统、电子传输系统、物质传输系统) 的正常活动, 妨碍代谢作用的正常进行。抗菌材料接触细菌后, 通过上述种种方式造成细菌死亡或产生功能障碍, 最终实现抗菌目的。
银离子在与细菌作用过程中会有部分消耗, 但当细菌被杀死后, 银离子又会从菌体中游离出来, 再与其他细菌接触, 重复进行上述抗菌活动;又由于接触式抗菌不需要光照, 且银与硫、氮的结合力强, 因此这类抗菌材料具有很高的抗菌活性和抗菌持久性。
2.2.2 光催化假说机理
光催化假说机理认为, 抗菌材料的抗菌性能基于银较强的催化能力, 位于表面的银离子起到催化活性中心的作用, 并不直接与细菌作用, 微量氧化态银在光的作用下激活空气或水中的氧, 产生具有强氧化还原作用的羟基自由基及活性氧离子, 破坏细菌细胞的增殖能力, 产生抗菌性能。按该机理假说, 银离子的自身价态对抗菌剂的抗菌活性影响很大, 银离子价态越高抗菌活性越高, 抗菌活性按下列顺序递减:Ag3+>Ag2+>Ag+。相对于低价态的银, 高价态银的还原势极高, 更易使其周围空间产生活性氧, 而具有高效抗菌作用。
3 银系无机抗菌材料的应用
3.1 纳米银在医疗器械等方面的应用
在医院内感染是导致病人死亡的重要并发症之一, 细菌病毒的耐药性和变异更是医疗界要面临解决的问题。银纳米颗粒属于非抗生素类抗菌剂, 无耐药性, 因而在敷料、导尿管、骨质粘合剂、妇科用药、宫内节育器等医疗器械上, 纳米银抗菌材料得到广泛应用和发展。如Kris N.J.Stevens等[31]研究了医用导管上涂纳米银颗粒涂层对抑菌和凝血的作用。由于纳米银颗粒有很大的面积体积比, 纳米银颗粒可持久释放Ag+, 而且这些银颗粒不容易被氧化。对于一些与细菌接触多的如静脉导管的留置导管, 表面涂抗菌涂层非常重要。他们采用5个不同的志愿捐赠者的新鲜的血小板血浆进行实验。实验得出: (1) 纳米银可加速血浆中凝血酶的形成; (2) 有纳米银的涂层的导管使血小板活化作用增强。最终得出结论, 有纳米银颗粒的涂层有双重效果:表面有很好的抑菌效果, 同时还加速与接触的血的凝固。
纳米银颗粒具有的抗紫外线、吸收可见光、高强度和韧性、良好的导电性、抗菌除臭等优异性能, 使其应用更加广泛。美国生产的纳米银织物 (商品名:ACTI-COAT) 的抗菌性能高于可溶性银离子, 也优于以往的无抗药性的磺胺嘧啶银。陈丽琼等[32]用化学法制备了纳米银溶胶, 并将其添加到涂料中制备了抗菌涂料, 实验得到添加到涂料中的纳米银溶胶的含量为0.01%~0.02%, 制备的涂料各项性能优异, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率达到99%以上。国内市场上还成功推出纳米银创口贴、纳米银口罩、纳米银卫生巾、纳米银纸尿裤等产品。
3.2 载银型抗菌材料在各类抗菌制品上的应用
载银型抗菌材料由于具有良好的抗菌性能、良好的安全性和耐温性能, 已广泛应用于家电、建材、轻纺、日化等领域。日本早在1993年就以银系抗菌剂生产抗菌塑料, 并在电话机、传真机等生活关联家电方面大量使用。2000年到2004年日本家电领域抗菌加工制品的市场年平均增长率达到90%以上[33]。我国海尔集团、美的集团、格力集团等众多家电企业都推出抗菌家电产品, 抗菌组分以银系抗菌材料为主。
在建材领域应用的载银型抗菌材料也很广泛。银系抗菌陶瓷制备一般有两种方法, 一是将耐高温载银抗菌剂添加到陶瓷面层釉料中, 经施釉和烧结使抗菌组分均匀分散在釉层表面, 国内大部分陶瓷企业生产的抗菌陶瓷均采用此工艺;二是在陶瓷烧结后期将含银抗菌剂浆体通过离子喷射方法喷在陶瓷釉层表面, 在一定温度下与釉层融合, 达到表面抗菌目的, 日本INAX公司采用此工艺生产抗菌陶瓷。涂料产品方面, 以往多使用有机抗菌防霉材料, 但随着银系无机抗菌材料技术的发展, 以及无机抗菌材料在安全性和持久性方面的优势, 一些国外涂料企业高端抗菌产品也推出银系抗菌涂料产品。如国际知名涂料企业阿克苏诺贝尔推出的多乐士生态抗菌漆采用“氯化银-二氧化钛”复合物抗菌技术, 通过银离子的缓释保证漆膜抗菌效力的长久性, 该涂料在英国上市后被英国Carlilion儿童医院、英国伯明翰中心医院等多家医院采用[34]。近年向中国医院系统推广的德国乐德涂料在德国是专业制造医院用抗菌涂料产品, 也是采用银系抗菌材料实现漆膜表面的抗菌功能。
4 银系无机抗菌材料存在的问题及发展方向
银系无机抗菌材料由于其广谱的抗菌性、安全无毒、耐久性、不产生耐药性、耐热性和加工性好的特点, 在医疗和各种制品行业得到广泛应用。但银系无机抗菌材料也存在一些问题。
4.1 纳米银抗菌材料
虽然先前对纳米银抗菌材料做了大量的研究, 其开发应用前景广阔, 但纳米科学只有十几年的历史, 人们对其认识还不完全, 因其具有宏观物质所不具备的特性, 过去宏观物质的安全性评价结果及评价方法有可能不适用于纳米材料。纳米颗粒的粒径大小、表面的电荷性质、添加的处理剂、分散液及所处的物理化学环境发生变化, 纳米颗粒都会表现出不同的毒性和生物安全性。通过不同途径进入人体的纳米银所产生的生物学效应的研究尚不充分, 还没有完整公认的评价纳米产品生物安全性的标准方法和体系。从纳米银材料制备角度, 对于可控尺寸、多形貌纳米银的合成技术尚待提高。合成方法多使用有毒化学试剂, 纳米颗粒极易发生团聚, 并且粒径小、单一形貌纳米银产量低, 多形貌纳米银的单分散性及其化学和热稳定性还需全面系统的研究[35]。
4.2 载银型抗菌材料
载银型抗菌材料的载体不同、制备工艺的稳定成熟、银含量等都对材料的抗菌效果、光稳定性、耐温性等有影响。因为含有银离子, 其化学性质活泼, 易转变成棕色的氧化银或经紫外还原成黑色的单质银, 变色后不仅降低抗菌性, 而且还将使白色或浅色制品无法应用。载银抗菌剂的成本虽然低于纳米银, 但还是高于有机抗菌材料, 若要在建材产品上更广泛推广应用, 还需要降低成本。另外, 银的安全用量需要进一步限定, 如何有效、科学评价材料抗菌性指标有待建立和完善。
基于以上问题, 各国科研人员不断致力于银系无机抗菌材料的开发和改进。如何提高银系无机抗菌材料的产量, 使生产技术朝成本低、消耗低、污染低的“三低”方向发展, 实现制备过程的“绿色”化, 并合成结构更为精细和所需特定微观结构的银系无机抗菌材料, 全面诠释银系无机抗菌材料对生物体健康的影响因素, 这些都是银系无机抗菌材料研究与发展的重要方向。
5 结语
无机非金属材料的抗菌性能研究 篇7
1 无机非金属材料抗菌的基本原理
一般说材料的抗菌作用, 即是指该材料对细菌等微生物的生命活动所产生的一系列危害作用, 从而引发一些不良的影响和后果。无机非金属材料的抗菌作用与微生物之间的关系可以看作是生态环境与微生物的关系, 而其抗菌性能则主要针对微生物的毒性进行化解并朝着正方向发展。
总体来看, 无机非金属材料抗菌的基本原理有以下几种:一是通过损伤和破坏细胞膜而达到杀死细菌的目的;二是破坏并阻止微生物蛋白质的合成, 从而抑制细菌生长的过程直到其死亡;三是对微生物的细胞壁进行干扰, 抑制其与四肽交联的连结作用, 从而破坏细胞壁的保护作用, 进而使细菌死亡;四是干扰核酸即遗传信息的复制, 包括DNA、RNA的合成以及按DNA模板转录m RNA等。
1.1 离子缓释杀菌
银离子缓释杀菌是指抗菌剂在使用的时候会释放出一些银离子, 这些银离子即使是在浓度较低的状态下, 也能够破坏细菌的细胞膜或者吸引细菌体中酶蛋白的疏基, 从而相结合并降低细胞原有酶的活性, 形成抗菌作用。具体杀菌过程如图1。
需注意的是, 银离子只能杀死细菌, 但不能够进一步分解净化细菌的残骸。
1.2 活性氧抗菌
银在高氧化态时还原能力极强, 在光照条件下, 抗菌剂和水或空气接触反应产生的活性氧拥有很强的氧化还原效用。细胞膜的主要构成成分是磷脂, 其分布于膜的表面, 形成磷脂双分子层, 其中脂肪酸烃链的长短和不饱和度都会影响膜的性质。因此, 当抗菌材料的表面有细菌微生物接近时, 抗菌材料四周所生出的O2-和OH-自由基会攻击细菌的细胞膜, 从而导致出现以下情况:
(1) 表征蛋白质的二级结构发生改变, 其间α-螺旋的含量发生变动;
(2) 其中碳氧双键的IR峰值增强, 甘油基也发生了骨架取向的改变;
(3) 在接近极性的区域, 碳氧双键的基团数目相较于其他区域明显增多;
(4) 整体来讲, 碳氧双键的数量减少, 碳氢链的不饱和度下降;
(5) 细胞膜的蛋白质二级结构产生不可逆损伤。
通过以上几点, 使材料具备良好恒久的抗菌效果。此外, 光的催化不但可以抗菌, 还可以进一步清除细菌的残骸。
2 无机非金属材料的抗菌性能和应用
通常当材料拥有抗菌或者杀菌效能时, 才会被称为抗菌材料。抗菌材料有多种, 其中有机类抗菌材料居多, 主要应用于温度低的一些场合。无机类抗菌材料因具有耐高温、抗菌作用力持久等优越性能, 应用前景十分广阔。无机非金属抗菌材料主要运用于生活领域 (如抗菌陶瓷、抗菌塑料等) 、环境保护领域 (如利用半导体光催化抗菌材料来净化环境) 等。
2.1 含金属离子的抗菌材料
含金属离子的抗菌材料种类很多, 用途十分广泛, 涉及面广, 产量也较高。金属离子杀菌、抑制病原体的活性按如下顺序递减:Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Au>Zn>Fe>Mn>Mo>Sn。
由于其中的汞、铅等几种金属有较强的毒性, 所以在实际应用中, 主要的抗菌剂以银、铜和锌3种金属材料为主。其中银的效果最好, 铜次之, 锌最差, 三者的最小发育阻止浓度如表1所示。
ppm
注:MIC值为30℃培养液中, 培养24 h之后的测定值。
金属离子与细菌之间会产生相互作用, 因此, 杀菌效果与金属离子的浓度和杀菌时间是分不开的。银离子和铜离子在不同的时间里, 杀菌的最小浓度如表2所示。
μg/m L
需要注意的是, 金属离子在光照或加热的条件下, 性质较不稳定, 所以一般不适合单独使用, 因此常常将金属离子加在陶瓷上, 当作缓释型抗菌剂使用。
2.2 半导体光催化抗菌材料
具有光催化功能的半导体材料有很多种, 其中最典型的是二氧化钛和氧化锌。二氧化钛在紫外光照射条件下, 能够显示优良的光催化性能。在与有机物质反应时, 无选择性的氧化剂会发挥巨大的抑制微生物活动的效用, 形成抗菌性能。
2.3 稀土激活保健抗菌材料
稀土激活保健抗菌材料是利用二氧化钛、碳酸盐等多种物质和稀土复合后, 在一定的条件下产生羟基自由基, 使材料显示出优良的抗菌性能。其原理主要是利用微生物细胞膜的离子交换。应用稀土激活保健抗菌材料, 必须要保证无机非金属抗菌材料色变的可能性降到最低;同时, 避免出现无机非金属抗菌材料离子团聚现象, 从而最大程度的提高无机非金属材料的抗菌性能。
在阳光照射下, 稀土激活保健抗菌材料会释放出特殊的羟基自由基, 这些自由基会在自然条件下发挥自身的作用, 对无机非金属材料直接产生抗菌功能, 从而加强无机材料的抗菌作用。由于稀土激活保健抗菌材料的特殊效应, 所以在建筑领域占有一席之地, 人们已经能够在室内装修领域感受到稀土激活保健抗菌材料带来的安全、环保。
2.4 无机抗菌材料制品
利用无机非金属材料的抗菌性能, 将该材料加入到一些传统的产品中, 如普通的卫生瓷、釉面砖、普通的塑料或涂料, 就可以生产出多种多样的抗菌产品, 而这些制品实现抗菌的形式大多数都是通过在产品表面涂上一层膜或涂层, 从而可使产品长期具有一定的抗菌性, 满足人体健康的基本需求。
成功案例有日本TOTO公司开发并推向市场的抗菌陶瓷, 该陶瓷可通过光的催化作用来实现抗菌杀菌目的。另外, 山东淄博华光陶瓷股份有限公司成功开发出华光抗菌日用陶瓷, 经权威检测, 该陶瓷对于部分细菌如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀抑率高达90%以上。
3 结束语
目前, 对于无机非金属材料的抗菌性能研究还处于起步阶段, 但其抗菌性能一直都是该类材料在材料界称雄的重要原因。近年, 抗菌材料由原来的主要用于食品和医疗方面, 开始向建筑材料的无机抗菌、空气净化等生态健康功能方向发展, 尤其是具备抗菌、辐射远红外线、易清洁、多功能的健康陶瓷材料, 有助于推动陶瓷制品向功能化、健康化、生态化方面发展。无机非金属材料的抗菌性能与人类生产生活息息相关, 同时也极大地促进了环境的净化, 提升了人们的健康水平。
参考文献
[1]梁金生, 王静, 金宗哲, 等.无机非金属材料的抗菌性能[J].山东陶瓷, 2003 (4) :16-20.
[2]李殿瑜, 谢广文.浅议无机非金属材料中的抗菌性能[J].化工管理, 2014 (6) :15.