抗菌材料的應(yīng)用與發(fā)展

郭 亞

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

抗菌材料的應(yīng)用與發(fā)展

郭 亞

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

介紹了抗菌劑的分類、抗菌機理及其應(yīng)用，指出了抗菌材料在發(fā)展中面臨的問題，提出了抗菌材料的未來發(fā)展趨勢。

抗菌材料 抗菌劑 抗菌機理 應(yīng)用

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對微生物的研究和認(rèn)識水平不斷提高，越來越追求健康的生存環(huán)境，在利用微生物有益性的同時，也十分警惕其作為病原菌的危害性，從而促進了各種抗菌材料的研究與開發(fā)。

抗菌材料是指自身具有殺滅或抑制微生物功能的一類新型功能材料。在自然界中有許多物質(zhì)本身就具有良好的殺菌或抑制微生物生長的功能，如一些無機金屬材料及其化合物、部分帶有特定基團的有機化合物、部分礦物質(zhì)和天然物質(zhì)等。但目前來說，抗菌材料更多的是指通過添加一定量的抗菌劑[1]，使材料在使用過程中可以抑制對人體或環(huán)境有害的微生物的生長和繁殖。

1 抗菌劑的分類及抗菌機理

材料的抗菌作用通常是通過抗菌劑來實現(xiàn)的，抗菌劑是指對細(xì)菌、霉菌等微生物高度敏感的化學(xué)成分，它能通過物理或化學(xué)作用殺死附著在材料表面的微生物[1]?？咕牧显趯嶋H使用過程中，并不要求其能迅速殺滅有害微生物，而是側(cè)重于在長期的使用過程中可以抑制它們的生長和繁殖，以達到保護人體健康和環(huán)境衛(wèi)生的目的?？咕鷦┌雌浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)不同可分為有機、無機、復(fù)合型三大類[2]。

1.1 有機抗菌劑

有機抗菌劑發(fā)展的時間較長，種類較多，常用的主要包括天然有機抗菌劑和合成有機抗菌劑兩大類。

1.1.1 天然有機抗菌劑

天然抗菌劑主要是從動植物中提煉精制而成的，目前主要有桂皮油、羅漢柏油、殼聚糖、魚精蛋白等，其中最常用的天然抗菌劑是殼聚糖。殼聚糖是自然界中唯一帶正電的堿性多糖，具有良好的親和性、抗菌性和生物活性。

目前，對于殼聚糖的抗菌機理，主要存在3種推測：一是殼聚糖大分子鏈帶正電，細(xì)菌的細(xì)胞壁帶負(fù)電，兩者相互接觸，產(chǎn)生靜電吸附作用，影響細(xì)菌的正?；顒樱蛊浒l(fā)生絮凝，從而抑制細(xì)菌的生長；二是低分子量的殼聚糖可以穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進入到細(xì)胞內(nèi)，破壞了細(xì)菌體內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA與RNA的相互作用，阻礙細(xì)菌的繁殖；三是殼聚糖表面的自由氨基可以與對細(xì)菌生長起關(guān)鍵作用的金屬離子以及酶的輔助因子進行螯合，抑制細(xì)菌對微量元素的攝取以及與營養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)合，阻礙其生長[3]。

1.1.2 合成有機抗菌劑

合成有機抗菌劑根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)可分為20余類，主要包括季胺鹽類、咪唑類、吡啶類、噻唑類、鹵素類、過氧化物類、雙胍類、醇類、醛類、酯類、醚類、酚類、有機酸類等。

合成有機抗菌劑通過與細(xì)菌和霉菌等微生物細(xì)胞膜表面的陰離子相結(jié)合，或與硫基反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，阻礙細(xì)菌和霉菌的繁殖，從而起到殺菌、防霉的作用[4]。

有機抗菌劑的開發(fā)時間長，技術(shù)相對成熟，同時殺菌力強、毒性低、價格較便宜。但由于多數(shù)有機抗菌劑的化學(xué)穩(wěn)定性差，在遇水、光照、高溫等條件下易被分解，導(dǎo)致其藥效持續(xù)時間短，極大地限制了其應(yīng)用范圍。

1.2 無機抗菌劑

利用Ag、Cu、Zn等金屬本身的抗菌能力，通過物理吸附或離子交換等方法，將Ag、Cu、Zn等金屬(或其離子)或二氧化鈦等光觸媒材料固定在氟石、硅膠等多孔材料的表面制成抗菌劑，然后將其加入到相應(yīng)的制品中即獲得具有抗菌能力的材料[1,5]。無機抗菌劑分類見圖1。

圖1 無機抗菌劑的分類

1.2.1 金屬類抗菌劑

重金屬類抗菌劑主要為Ag+、Cu2+、Zn2+、Sn2+、Hg2+、Fe3+、Pb2+、Co2+等金屬離子及其化合物，不同金屬離子的殺菌活性不同，對人體毒性大小也有較大差異。研究表明,不同金屬離子殺菌作用順序為：Hg2+>Ag+>Cu2+>Pb2+>Co2+>Zn2+>Fe3+>Sn2+，由于Hg、Pb、Co、Sn等金屬的毒性較大，因此，以Ag、Cu、Zn、Fe等金屬離子負(fù)載于無機物載體上的抗菌劑應(yīng)用較廣泛[6]。

1.2.2 光催化類抗菌劑

光催化類抗菌劑是指TiO2、ZrO2、SiC、V2O3、SeO2等能被光子激活的材料。其抗菌機理為：當(dāng)TiO2等受到小于387.5nm的光照射時，會形成電子空穴對，與吸附在其表面的O2和OH-生成活性較強的原子氧與氫氧自由基，能夠分解細(xì)菌體內(nèi)的有機物，從而達到殺菌的效果[7]。光催化類抗菌劑無毒、安全性好、性能穩(wěn)定、成本低，但必須在紫外光照射下，才能發(fā)揮抗菌作用。因此，適用范圍受到一定限制。

1.3 復(fù)合抗菌劑

由于有機抗菌劑的化學(xué)穩(wěn)定性差、易分解，無機抗菌劑毒性較強，為了改善抗菌劑的性能，研制出具有長效、緩釋、穩(wěn)定、低毒功效的抗菌劑，降低其對人體及環(huán)境的危害，開發(fā)出了有機、無機及親水性物質(zhì)復(fù)配形式的抗菌劑，相互協(xié)同，取長補短，以提高抗菌劑的綜合性能。在復(fù)合體系中，有機抗菌劑可以與親水性物質(zhì)形成共聚物，其抗菌活性會顯著提高，同時在抗菌劑的經(jīng)濟性和抗菌性方面得到互補。因此，綜合多方考慮，復(fù)合型抗菌劑逐漸成為近年來抗菌劑的研究熱點[8]。

美國杜邦公司通過采用抗菌微粒組裝技術(shù)研制出AMPs抗菌粉末，該粉末是以氧化鋅、硫酸鋇、二氧化鈦作為核微粒，外層包覆含有銀、氧化銅等成分的抗菌涂層以及專門的保護涂層，可以控制抗菌成分的釋放速率。

2 納米抗菌材料

納米抗菌材料是指采用納米技術(shù)對無機抗菌劑進行處理，使其具有更為優(yōu)異、廣泛的殺菌作用，并且通過緩釋作用，可以提高其抗菌的時效性。納米抗菌材料按抗菌的有效成分可以分為金屬離子型和光催化型兩大類[9]。

金屬離子型納米抗菌材料是指以天然或人工合成礦物材料為載體，添加具有抗菌功能的Ag、Cu、Zn、Fe、Co等金屬離子，當(dāng)金屬離子與細(xì)菌接觸后，由于靜電吸附作用，金屬離子穿透細(xì)胞壁進入細(xì)胞內(nèi)，并與細(xì)菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)、胺基(-NH)、巰基(-SH)等反應(yīng)，阻止微生物的生物化學(xué)過程，細(xì)胞喪失分裂能力而死亡。

光催化型納米抗菌材料是指二氧化鈦等N型半導(dǎo)體材料在光催化劑的作用下，能激活水和空氣中的氧，形成具有強氧化能力的羥基自由基和活性氧離子，能在短時間內(nèi)抑制細(xì)菌等的繁殖，從而達到抗菌的目的。

3 抗菌材料的應(yīng)用

由于抗菌材料特殊的功能性，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。從人們?nèi)粘４┲姆b，到家用電器、塑料薄膜、衛(wèi)生陶瓷制品，以及建筑用的涂料、板材等，都在逐步對其進行抗菌防臭加工處理。目前，抗菌材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：[10-12]

3.1 纖維制品

隨著人們生活水平以及自我保護意識的提高，人們越來越重視服裝的舒適性和功能性，對抗菌纖維的研究和開發(fā)逐漸受到青睞?？咕w維是指采用物理或化學(xué)方法將一定量抗菌劑添加至纖維表面或內(nèi)部，使其具有抗菌功能。

抗菌纖維可廣泛用于內(nèi)衣、運動衫、家紡用品及醫(yī)學(xué)用品等領(lǐng)域。使用抗菌纖維制成的服裝,具有很好的抗菌性能,不僅能夠殺滅衣物上的附著的細(xì)菌、霉菌等有害微生物,使人體遠(yuǎn)離病菌的侵?jǐn)_，預(yù)防感染病，還可保護服裝本身免受有害菌種的侵害，防止服裝在穿著過程中的變色及長期儲藏時發(fā)生霉變；采用抗菌纖維制成的內(nèi)衣褲、鞋襪及嬰兒尿布等，可以抑制腳蘚菌等在襪子上的繁殖，起到抗菌除臭作用，防止嬰兒因接觸尿布而產(chǎn)生紅斑；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，抗菌纖維的應(yīng)用更為廣泛，可制成手術(shù)服、醫(yī)用敷料、繃帶等，極大地減少了醫(yī)院中的細(xì)菌濃度。

3.2 抗菌塑料

人們在日常生活中會接觸到多種多樣的塑料制品，如食品包裝袋、垃圾袋、垃圾箱、廚房及衛(wèi)生間用具等，在環(huán)境溫度和濕度適宜的條件下，塑料制品表面極易感染細(xì)菌，必須對其進行一定的抗菌處理。

抗菌塑料所添加的抗菌劑一般分為有機、無機及天然抗菌劑。抗菌塑料在生產(chǎn)過程中首先要保證塑料作為基體材料使用時所要求的物理、化學(xué)等性能，抗菌塑料要有良好的力學(xué)強度、化學(xué)穩(wěn)定性及可加工性，并具有高效、廣譜、長效的抗菌性。同時達到無毒、無異味、對環(huán)境無害的要求。

抗菌塑料在家電和日用品中已得到廣泛應(yīng)用，家用冰箱的內(nèi)壁、食品盤、果蔬盒等可采用抗菌塑料，以防止細(xì)菌滋生；高檔轎車的內(nèi)飾材料(如方向盤、把手、座位等)也已采用抗菌塑料制作；未來，抗菌材料將會越來越多地應(yīng)用在建材和室內(nèi)裝飾材料中。

3.3 抗菌玻璃

抗菌玻璃亦稱綠色玻璃，是一種新型生態(tài)功能材料，對于改善生態(tài)環(huán)境、保持人類健康、指導(dǎo)相關(guān)功能玻璃材料的研發(fā)具有重要意義。由于玻璃制品主要用于可見光亮度較高處，因此光催化抗菌劑的應(yīng)用較多。向玻璃中添加新型無機抗菌劑，使傳統(tǒng)的玻璃產(chǎn)品增添高新技術(shù)含量，既可以保持玻璃材料自身具有的潔凈、透明、強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，又賦予其殺滅和抑制病菌的新功能，同時兼具紅外輻射性能，是新材料科學(xué)與微生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。

抗菌玻璃可廣泛應(yīng)用于建筑、器皿、包裝等領(lǐng)域。實驗表明，使用具有抗菌涂層的玻璃器皿盛放鮮花，相比普通玻璃器皿來說，可延長鮮花的存活時間。

3.4 抗菌不銹鋼

利用金屬離子的殺菌作用，將其添加入不銹鋼材料內(nèi)，可賦予不銹鋼材料穩(wěn)定的抗菌功效。研究證明，在普通不銹鋼內(nèi)添加一定量的抗菌金屬元素Ag、Cu、Zn等，并對其鑄造、軋制以及熱處理過程進行控制，使Ag、Cu、Zn等金屬元素在不銹鋼基體內(nèi)能夠以一定大小和形態(tài)均勻地析出，并保證析出相的體積百分比，既能使普通不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，又能賦予其一定的抗菌性。目前，具有實用性的抗菌不銹鋼大致有三類：一是添加Ag或Cu等金屬離子的抗菌不銹鋼；二是表面涂敷含有銀系抗菌劑的不銹鋼板或聚酯漆鋼板；三是TiO2系光催化涂層不銹鋼材料。

抗菌不銹鋼的廣泛應(yīng)用是人類健康安全的屏障，它符合人類追求健康的理念和提升生活質(zhì)量的愿望。

3.5 抗菌陶瓷

由于衛(wèi)生間、浴室等場所通常比較潮濕，很容易滋生細(xì)菌，因此開發(fā)具有抗菌作用的陶瓷制品十分必要，并得到廣泛重視與研究。

抗菌陶瓷是指在陶瓷制品生產(chǎn)過程中，加入無機抗菌劑，從而使陶瓷表面具有抗菌作用的一種新型功能陶瓷?？咕沾煽蓪佑|到的空氣和水分子產(chǎn)生電離作用，瞬間電離出超氧離子，能夠快速殺死細(xì)菌，能夠有效避免各種傳染疾病對人類的侵害，同時分解掉細(xì)菌殘骸，保持瓷面潔凈。

抗菌陶瓷可以廣泛地應(yīng)用在家用衛(wèi)生間以及醫(yī)院等公共場所或潮濕環(huán)境中。雖然抗菌陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景在不斷擴大，但由于抗菌劑的限制，目前開發(fā)的抗菌陶瓷只對部分菌種有抑制作用，而且國內(nèi)還沒有制訂相應(yīng)的國家及行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。因此，還需要研究人員們繼續(xù)對其進行深入研究，以制備出抗菌效能更好的陶瓷制品。

4 抗菌材料在發(fā)展中面臨的問題

在國內(nèi)外研究學(xué)者的共同努力下，盡管抗菌劑及其制品的研究開發(fā)已得到快速發(fā)展，但在其應(yīng)用過程中仍在存在一些問題[13]：

(1)由于不同抗菌材料的用途與加工方法不同，因此，在對抗菌劑進行開發(fā)和研制時要綜合考慮抗菌劑的安全性、化學(xué)穩(wěn)定性、藥效持久性以及抗菌劑的抗菌能力與載體材料復(fù)合時的兼容性等多方面因素。

(2)抗菌材料制品在使用過程中通常需要暴露在空氣中，所添加的抗菌劑成分會逐漸從載體材料中遷移出來，導(dǎo)致抗菌時效性降低。因此，要保證抗菌制品抗菌效果的持久性，就必須控制抗菌劑的遷移速率，延長抗菌的時效性。

(3)目前，雖然有很多關(guān)于抗菌材料的專利及產(chǎn)品問世，但對于抗菌材料的制備技術(shù)及抗菌機理的認(rèn)識并不全面，開發(fā)出的產(chǎn)品性能指標(biāo)差距較大，并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，嚴(yán)重影響了抗菌材料的開發(fā)和使用。

(4)迄今為止，對抗菌制品性能的測定還沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門，消費者從外觀上難以辨別材料是否具有抗菌性。因此，應(yīng)快速建立相應(yīng)的政府部門以規(guī)范抗菌制品的質(zhì)量體系及市場體系，促進其快速發(fā)展。

5 展望

隨著社會和科研技術(shù)的發(fā)展，抗菌材料越來越受到人們的青睞，作為一種新型的功能材料，抗菌劑及其制品的開發(fā)和使用對改善人類生活環(huán)境、提高生活質(zhì)量具有十分重要的意義，將成為重要的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展空間。因此，如何充分利用有機和無機抗菌劑的優(yōu)勢，開發(fā)出抗菌性能好、性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、成本低的抗菌劑，并優(yōu)化抗菌材料的加工工藝過程，建立相應(yīng)的規(guī)范制度將會成為未來抗菌材料發(fā)展的主題。

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2016-06-20

作者：郭亞(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計。

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