抗菌材料的研究進(jìn)展

郝喜海，孫 淼，鄧 靖

（1.湖南工業(yè)大學(xué)包裝新材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

抗菌材料的研究進(jìn)展

郝喜海1，2，孫 淼1，鄧 靖1，2

（1.湖南工業(yè)大學(xué)包裝新材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

介紹了抗菌材料用抗菌劑的抗菌機(jī)理，以及抗菌纖維、抗菌塑料、抗菌陶瓷、抗菌金屬等抗菌材料的應(yīng)用。

抗菌劑；抗菌機(jī)理；抗菌材料；應(yīng)用

抗菌材料是經(jīng)添加抗菌劑后形成的新型功能材料，具有抑制或殺滅表面細(xì)菌能力。這些新型的功能材料已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于人們的衣食住行各個(gè)方面，從日常穿用的纖維服裝到家居常用的家用電器等［1～2］。使用抗菌材料可以有效降低或避免細(xì)菌的交叉?zhèn)魅竞图膊〉膫鞑?，因此，抗菌制品也越?lái)越受到青睞。近年來(lái)，研究工作者們開(kāi)展了各種抗菌材料及抗菌制品的研究工作，結(jié)合抗菌劑各自的特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出有效的抗菌劑，使其在更廣闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

1 抗菌劑及抗菌機(jī)理

抗菌劑是指一些微生物高度敏感，少量添加到材料中即可賦予材料抗微生物性能的化學(xué)物質(zhì)。也就是說(shuō)，抗菌劑是能使細(xì)菌、真菌等微生物不能發(fā)育或抑制微生物生長(zhǎng)的物質(zhì)［3～4］。從形態(tài)上抗菌劑可分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種；依化學(xué)成分差異可分為有機(jī)抗菌劑、無(wú)機(jī)抗菌劑、天然抗菌劑 3 類(lèi)［5］。

（1）有機(jī)抗菌劑如季銨鹽類(lèi)等。此類(lèi)抗菌劑殺菌力較強(qiáng)，效果迅速且價(jià)格便宜，但因其耐熱性差，有一定毒性，在很大程度上限制了其應(yīng)用。

（2）無(wú)機(jī)抗菌劑。一種為溶出抗菌，即無(wú)機(jī)化合物中含有抗菌性離子（如銀、銅、鋅等金屬離子），通過(guò)緩釋使微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成微生物死亡或使其產(chǎn)生功能障礙［5～6］。另一種為光觸媒抗菌，它是以TiO2為代表的光催化類(lèi)抗菌劑，此類(lèi)抗菌劑耐熱性較一般無(wú)機(jī)抗菌劑高，但必須有紫外線照射，并且有氧氣或水的存在才能起到殺菌作用。

（3）天然抗菌劑如殼聚糖等。天然抗菌劑安全性高，抗菌范圍廣，但其耐熱性差，且易受生產(chǎn)條件制約，很難大規(guī)模生產(chǎn)。

2 抗菌材料在日常生活中的應(yīng)用

2.1 抗菌纖維

抗菌纖維是指采用物理或化學(xué)的方法將具有能夠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的物質(zhì)引入纖維表面及內(nèi)部，使其具有抗菌效果。隨著人們生活水平的提高和自我保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)服裝的舒適、保健功能日趨重視，各種抗菌纖維的研究、開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)愈來(lái)愈得到重視。王淑花等［7］用離子交換法制備具有多孔結(jié)構(gòu)的納米SiOx抗菌劑，采用紫外光輻射方法制備抗菌羊毛，性能測(cè)試結(jié)果表明，此抗菌羊毛不但具有優(yōu)良的抗菌性能，同時(shí)具有較好的力學(xué)性能。張勇［8］通過(guò)銀離子與殼聚糖的絡(luò)合作用制得了穩(wěn)定的抗菌整理劑并對(duì)丙綸非織造布進(jìn)行整理，可以使該非織造布既有良好的抗菌效果，又能保持基本性能，且耐洗滌性較好。牛梅等［9］運(yùn)用紫外光輻照的方法先對(duì)羊毛纖維表面預(yù)處理，再進(jìn)行二次輻射，最后洗滌干燥，經(jīng)此工藝制備的抗菌羊毛纖維，接枝吸附率較高，抗菌效果較明顯，在洗滌30次后，仍具有良好的抗菌性。Wang等［10］將不同配比的共聚物和聚丙烯腈溶解于硫氰酸鈉水溶液中配成紡絲液，采用兩步法紡制了聚丙烯腈共混纖維，僅含質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%共聚物的共混纖維經(jīng)氯漂后，對(duì)大腸桿菌的殺滅率可達(dá)97.5%。江日金等［11］制備的鍍銀纖維，不僅具有抗靜電、調(diào)溫和抗菌作用，而且對(duì)微波具有強(qiáng)烈的反射作用，用其制成的織物對(duì)微波的屏蔽效果可達(dá)99.99%。張翌等［12］制備的抗菌防臭纖維織物具有明顯的殺細(xì)菌及部分敏感真菌的作用。陳軍等［13］采用靜電紡絲法制備的含納米Ag顆粒的聚酰胺6（PA6）復(fù)合納米纖維氈，具有優(yōu)異的抗菌性能。王軍等［14］制備了載銅抗菌棉纖維，并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明此種纖維有良好的廣譜抑菌性能。盛杰偵等［15］制備的納米銀抗菌針刺鞋材，經(jīng)試驗(yàn)表明，在不影響其力學(xué)、通透等其他使用性能的前提下，具有優(yōu)異的抗菌除臭功能。

隨著人們衛(wèi)生和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們不僅對(duì)具有抗菌防臭功效的紡織品的需求量加大，而且對(duì)安全性和耐久性提出了更高的要求。近年來(lái)的研究已逐漸獲取了具有持久抗菌效果的纖維，此種紡織品投入市場(chǎng)也使得高技術(shù)含量的新型抗菌纖維產(chǎn)品獲得很大的發(fā)展。同時(shí)，人們也日益關(guān)注紡織品的舒適及保健功能問(wèn)題。

2.2 抗菌塑料

在日常生活中存在著多種多樣的塑料制品：廚房用具、衛(wèi)生間設(shè)施、垃圾箱、家用電器的塑料外殼、壁紙、食品包裝袋等等。由于溫度、濕度合適，非常容易感染細(xì)菌，因此對(duì)此類(lèi)材料進(jìn)行抗菌加工是極其必要的。

毛健康等［16］研究制備了一種由季銨鹽類(lèi)高聚物PQA與聚醚砜PES共混的抗菌膜，抗菌性能測(cè)試顯示，共混膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性大于PES膜，并且隨PQA含量的增加而增強(qiáng)。Weng等［17］將形成酸酐后的有機(jī)酸抗菌劑均勻混合到低密度聚乙烯膜中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膜處于潮濕環(huán)境時(shí)，由于內(nèi)部酸酐水解，自由酸從膜表面釋放，從而起到抗菌作用。譚紹早［18］采用載銀無(wú)機(jī)抗菌劑制得PP－R管材專(zhuān)用抗菌母料，屬實(shí)際無(wú)毒級(jí)物質(zhì)，此管材的抗菌性與母料的添加量成正比。當(dāng)添加4%抗菌母料時(shí)，PP-R抗菌管材具有良好的光老化性能，性價(jià)比達(dá)到最佳，且其衛(wèi)生安全性能也符合國(guó)家有關(guān)食品衛(wèi)生檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。李連春等［19］采用抗菌母料YK-3、WK-11、WK-B及其復(fù)合物，用機(jī)械共混法制備了以PE、PP、PVC、ABS為基體的抗菌功能塑料。結(jié)果表明，所制備的抗菌PE、PP、PVC、ABS表現(xiàn)了出強(qiáng)抗菌性，抗菌率均高達(dá)99%，所制備的抗菌塑料具有穩(wěn)定而持久的抗菌活性。師敏等［20］制備的無(wú)機(jī)納米抗菌飲水桶，既能保持普通飲水桶的原有性能，不影響其透明性，又增加了持久高效的抗菌性能，完全能滿足市場(chǎng)需求。柴福莉等［21］將殼聚糖涂覆在聚丙烯薄膜上，研究發(fā)現(xiàn)此種薄膜具有較好的力學(xué)性能，同時(shí)還具有較為顯著的抗菌性能。

在家電和日用品中得到應(yīng)用后，抗菌塑料將越來(lái)越多地應(yīng)用在建材和室內(nèi)裝飾材料中。高檔轎車(chē)的內(nèi)飾也將越來(lái)越多采用抗菌材料，如方向盤(pán)、內(nèi)飾絨布、座位、把手等。當(dāng)抗菌塑料制品達(dá)到無(wú)毒、無(wú)異味、對(duì)環(huán)境無(wú)害的要求后，其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將會(huì)為人類(lèi)的健康樹(shù)起一道綠色屏障。

2.3 抗菌涂料

室內(nèi)是人們活動(dòng)最為頻繁的場(chǎng)所，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣和環(huán)境無(wú)菌化直接影響到每個(gè)居民的健康。在居住環(huán)境中使用抗菌涂料，也是一個(gè)行之有效的抵抗感染，殺滅細(xì)菌的辦法。

徐瑞芬等［22］將自制的抗菌納米TiO2添加于苯－丙乳液中，制成抗菌涂料。表面處理后的抗菌納米TiO2在乳液中能夠均勻分散，可充分發(fā)揮納米TiO2的殺菌作用。抗菌涂料殺菌率達(dá)99%以上，并且不受光源條件限制，抗菌作用徹底、持久。郁慧等［23］制備的復(fù)合納米抗菌粉末涂料，其力學(xué)性能、耐酸堿性等方面都符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且具有良好的抗菌效果，能夠滿足涂料行業(yè)的使用要求。陳麗瓊等［24］通過(guò)化學(xué)還原法制備的納米銀抗菌內(nèi)墻涂料，是一種性能優(yōu)異的綠色環(huán)保涂料，其加入的納米銀溶膠粒徑小，分散性好，抗菌效果強(qiáng)，穩(wěn)定性好，使得加入后的涂料具有較好的抗菌效果。Chen等［25］采用溶膠－凝膠法制備了分散性能優(yōu)良，以Na2SiO3為包覆劑的負(fù)離子粉體，進(jìn)而制備了功能涂料，實(shí)驗(yàn)表明該材料具有抗菌性，抗菌效果與涂料的負(fù)離子產(chǎn)生量、負(fù)離子材料粒徑、涂料的距離有關(guān)。鄧躍全等［26］提出鋅抗菌功能材料－抗菌涂料一體化制備技術(shù)，獲得抗菌性能和基本性能都好的功能涂料，實(shí)現(xiàn)了廢物的零排放，生態(tài)化的循環(huán)利用資源材料。

抗菌涂料產(chǎn)品不僅自身環(huán)保，同時(shí)還可以解決裝修后室內(nèi)空氣不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，對(duì)于醫(yī)院環(huán)境來(lái)講還可以降低交叉感染的機(jī)率，起到輔助凈化空氣的作用。可見(jiàn)，抗菌涂料的出現(xiàn)和應(yīng)用不僅改善了人們居住環(huán)境質(zhì)量，而且還減少了微生物及病菌對(duì)人類(lèi)健康的威脅。

2.4 抗菌陶瓷

盥洗室、衛(wèi)生間等場(chǎng)合一般比較潮濕，很容易滋生細(xì)菌，因此開(kāi)發(fā)“衛(wèi)生”陶器是很必要的。在各種抗菌制品中，抗菌陶瓷也是與人們生活密切相關(guān)的，近幾年來(lái)得到了廣泛的重視和研究。

抗菌陶瓷是指在衛(wèi)生陶瓷的釉中或釉面上加入或在其表面上浸染、噴涂或滾印上無(wú)機(jī)抗菌劑，從而使陶瓷制品表面上的致病細(xì)菌控制在必要的水平之下。劉紅華［27］指出TiO2光催化陶瓷是一種生態(tài)陶瓷，其與活性炭等混合，可以具有較好的吸附和除臭作用，當(dāng)紫外線照射時(shí)，具有較強(qiáng)的抗菌作用等。TiO2生態(tài)陶瓷由于其自潔、防污、抗菌等性能越來(lái)越受人們的關(guān)注。陳前林等［28］將 SiO2Zr3（PO4）4改性的 TiO2粉體添加到陶瓷釉料中，制備了TiO2光催化抗菌陶瓷，此抗菌陶瓷對(duì)大腸桿菌的抑菌率達(dá)98%。劉平等［29］和劉曙光等［30］制備了表面鍍有光催化劑薄膜的自清潔陶瓷，該陶瓷具有較強(qiáng)的降解有機(jī)污染物和滅菌能力。李玲［31］制備了混有載銀納米抗菌劑的，表面具有抗菌性的白色高致密度的陶瓷片，抗菌試驗(yàn)結(jié)果表明，在釉料中加入納米抗菌劑后，陶瓷表面形成超親水膜，不滲油。該抗菌陶瓷具有較好的抗菌性，當(dāng)釉料中加入1%的抗菌劑時(shí)，其殺菌率就達(dá)99.3%以上。

抗菌陶瓷制品不僅可以用在家里，還可以廣泛用于醫(yī)院、公共場(chǎng)所以及潮濕環(huán)境等?？咕沾傻膽?yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景將日益擴(kuò)大。然而，抗菌陶瓷的抗菌功能也是有限的，只是對(duì)有限的一些菌種具有殺滅和抑制作用。因此，還需要研究工作者們繼續(xù)深入研究，尋求新型的抗菌劑，使其制品的抗菌性能更廣譜。

2.5 抗菌金屬

隨著抗菌材料研發(fā)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也日益廣泛，功能也更加齊全?？咕饘俨牧系囊矊⑿纬删薮蟮氖袌?chǎng)。

倪紅衛(wèi)等［32］和高海云等［33］介紹了各種抗菌不銹鋼制備方法及抗菌機(jī)理，并指出抗菌不銹鋼將大有前途。倪紅衛(wèi)等［34］將銅離子注入AISI 304不銹鋼中，抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅離子的注入使試樣具有良好的抗大腸桿菌的效果；GXRD和TEM結(jié)果表明銅離子注入不銹鋼經(jīng)特殊抗菌處理后，試樣具有優(yōu)良的抗菌效果。張安峰等［35］采用覆膜法研究了經(jīng)特殊處理析出ε-Cu相的含Cu馬氏體抗菌不銹鋼的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明馬氏體抗菌不銹鋼的抗菌特性來(lái)自抗菌熱處理過(guò)程中析出的ε-Cu相，具有良好的抗菌功能，不會(huì)因表面打磨或磨損而喪失抗菌性能。廖輝偉等［36］以納米鐵酸銅（CuFe2O4）復(fù)合氧化物為載體，通過(guò)吸附制備載銀抗菌劑，并用抑菌圈直徑和殺菌率表征抗菌性能，結(jié)果表明，載銀納米CuFe2O4抗菌劑具有較好的抗菌性能，且其抗菌能力隨著抗菌劑載銀量的增加而增強(qiáng)。

抗菌金屬材料的廣泛應(yīng)用是人類(lèi)健康安全的屏障，它符合人類(lèi)追求健康的理念和提升生活質(zhì)量的愿望。

除了以上所舉例子外，抗菌材料還有其他方面的應(yīng)用。周艷艷等［37］采用離子導(dǎo)入法制備的多孔抗菌玻璃，對(duì)大腸桿菌具有良好的抗菌性能。楊飛等［38］將自制的載銀沸石抗菌劑添加到紙漿內(nèi)，并研究添加物對(duì)紙張白度、強(qiáng)度等物理性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗菌沸石對(duì)紙張性能的負(fù)面影響較小，且紙張具有較好的抗菌性能。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，人們已經(jīng)普遍接受了抗菌的概念，抗菌制品越來(lái)越顯示出強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前景?？咕牧暇C合運(yùn)用了材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等多門(mén)類(lèi)的技術(shù)，其應(yīng)用范圍廣、領(lǐng)域?qū)挕⑾M(fèi)人群多，必將成為人們?nèi)粘Ｉ钣闷返闹髁?。但此研究還存在一些問(wèn)題，有待深入探討：（1）抗菌劑本身的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題有待進(jìn)一步研究；（2）抗菌材料制品通常暴露在空氣中，所添加抗菌劑也會(huì)逐漸遷移出制品本身，那么要保證抗菌材料的抗菌效果的持久性，控制抗菌劑的遷移速率，同樣也需要深入研究。

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Research Progress of Antibacterial Materials

HAO Xi-hai1，2，SUN Miao1，DENG Jing1，2
（1.Key Laboratory of New Packaging Materials and Technology， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China；2.School of Packaging and Materials Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007 China）

The mechanism of antibacterial agent material was introduced.Developments and applications of antibacterial material， such as antibacterial fiber， antibacterial plastics and antibacterial ceramic and antibacterial metal were described.

antibacterial agent；antibacterial mechanism； antibacterial materials；application

TB 39

A

1671-9905（2011）09-0021-04

湖南省科技廳基金資助項(xiàng)目（2009CK3028）

郝喜海（1962-），男，吉林東豐人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事包裝機(jī)械及包裝材料方面的教學(xué)和科研

孫淼（1986-），女，遼寧阜新人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要從事抗菌性PVA薄膜的研究與應(yīng)用，E-mail：sm5418＠163.com

2011-05-23