抗菌材料的研究進(jìn)展

陳美梅，郭榮輝

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川成都610065)

0 引言

細(xì)菌充斥在人類生活的方方面面，其感染的途徑眾多。例如帶有病菌的氣體被人體吸入，受傷后傷口病菌感染，就醫(yī)時(shí)無可避免地接觸被病菌污染的醫(yī)療設(shè)備，誤食病菌污染過的腐敗變質(zhì)食物等等[1]。面對(duì)細(xì)菌的侵害，古往今來人類從來沒有放棄過抵抗，陸續(xù)研究出了許多種類的抗菌劑和抗菌材料?？咕鷦┦侵改軌蛞种颇承┪⑸?，比如細(xì)菌、真菌和病毒等的生長繁殖甚至殺滅這些微生物的物質(zhì)[2]。而抗菌材料則是指以抗菌劑作為有效抗菌成分的材料[3]。

1 抗菌材料的分類

獲得普遍認(rèn)可的分類方法是將抗菌材料分為天然抗菌材料、有機(jī)抗菌材料和無機(jī)抗菌材料這三大類[4]。

1.1 天然抗菌材料

天然抗菌材料主要來源于動(dòng)物和植物體，通過提取、分離和純化獲得具有抑菌性能的活性物質(zhì)[5]，是人類最先用來保護(hù)自身免于細(xì)菌侵襲的武器，如古埃及人用植物汁液浸泡過的布匹制作木乃伊。天然抗菌材料生物相容性好，對(duì)環(huán)境的污染程度較輕，毒害性小。但是出于來源有限，提取的成本高，提取物穩(wěn)定性比較差，并且因其抗菌的范圍窄、抗菌效率低、抗菌作用較弱等短板，其應(yīng)用受到了一定的限制。根據(jù)具有抗菌性能的提取物的來源不同，可以分為植物源、動(dòng)物源以及微生物源三個(gè)類別的天然抗菌材料[6]。

植物源天然抗菌材料是最早被人類投入使用的一種抗菌材料。我們的先人們?cè)谏钪欣么笞匀坏馁Y源，憑借著自己的經(jīng)驗(yàn)和智慧，從植物體中攝取得到抗菌物質(zhì)。植物源天然抗菌材料主要是萜類化合物及其衍生物、生物堿類、甾體、皂甙、木脂素、氨基酸等。

動(dòng)物源抗菌材料則主要有糖類、氨基酸類以及肽類等，其中殼聚糖和肽類在目前研究應(yīng)用較為廣泛[7-9]。大多數(shù)科研工作者傾向于以殼聚糖等作基質(zhì)，把其他具有較強(qiáng)抗菌能力的抗菌材料例如納米銀和天然抗菌材料復(fù)合，增強(qiáng)了抗菌能力，拓寬了應(yīng)用范圍。

微生物源抗菌材料的存在主要是由于某些微生物自身具有抗菌性，或者其代謝產(chǎn)物具有抗菌能力。噬菌體和益生菌就是自身抗菌的典型，代謝產(chǎn)物最常見的有抗生素、細(xì)菌素。如今廣泛應(yīng)用的微生物源抗菌材料主要還是抗生素，并且隨著菌體對(duì)抗生素產(chǎn)生抗性，人類需要不斷開發(fā)出新的抗菌材料。

1.2 有機(jī)抗菌材料

有機(jī)抗菌材料根據(jù)抗菌有效成分的分子結(jié)構(gòu)類型可以分為低分子抗菌材料和高分子抗菌材料兩個(gè)類別[10]。有機(jī)低分子抗菌材料主要包括季磷鹽類、季銨鹽類、酚醇酯類、雙胍類、咪唑類等?？咕肿优c菌種的細(xì)胞膜表面陰離子相結(jié)合，或與巰基反應(yīng)使得菌體的蛋白質(zhì)變性，以達(dá)到抑制菌體生命活動(dòng)的目的。季銨鹽類低分子抗菌材料是該類別中應(yīng)用最為廣泛，研究最為深入系統(tǒng)的一種。有機(jī)高分子抗菌材料是抗菌官能團(tuán)單體通過聚合(包括共聚和均聚)或者接枝等形式形成抗菌高分子。有機(jī)抗菌材料種類豐富，運(yùn)用范圍廣，抗菌效果明顯，使用技術(shù)較為成熟。然而，部分毒性強(qiáng)、耐熱性差、易分解易揮發(fā)的有機(jī)抗菌材料的安全問題也值得深思。有機(jī)抗菌材料長期使用容易使得細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。另外，抗菌效果隨時(shí)間推移而逐步減弱甚至完全消失[11]。

1.3 無機(jī)抗菌材料

無機(jī)抗菌材料是較新的抗菌材料[12]，其具有廣譜抑菌且持久抑菌、耐高溫性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)。在使用過程中不會(huì)如同有機(jī)抗菌材料一樣使菌體產(chǎn)生耐藥性。但部分產(chǎn)品工藝復(fù)雜、成本高，有些還存在穩(wěn)定性差、抗菌時(shí)效短等缺點(diǎn)[13]。根據(jù)抑菌抗菌的作用機(jī)理不同，可分為含金屬離子(金屬或金屬氧化物)型和光催化金屬氧化物型抗菌材料兩大類。

金屬離子(金屬或金屬氧化物)型抗菌材料是指金屬離子(主要是銀系離子)，然而金屬分散體的穩(wěn)定性以及納米顆粒的聚集和粒度分布問題常常給科研工作者帶來困擾。單獨(dú)使用金屬納米顆粒還存在與納米尺寸相關(guān)的潛在危險(xiǎn)，可能對(duì)人類和環(huán)境造成不良影響，而且銀系抗菌材料容易氧化變色。為了解決這些問題，科研工作者積極開展負(fù)載型金屬抗菌材料的研究，著力尋求性能更加優(yōu)良的載體[14]，將金屬離子通過離子交換法、吸附法和熔融法等方式負(fù)載到活性炭、硅膠、沸石等基體上。金屬離子的抗菌性能強(qiáng)弱一般有如下順序：Ag+>Hg2+>Cu2+>Cd2+>Cr3+>Ni2+>Pb2+>Co2+>Zn2+>Fe3+。鉛、汞和鎘等金屬離子很少使用，因?yàn)榫哂休^高毒性、致癌性；銅、鈷等金屬離子因?yàn)轭伾^深，限制了其應(yīng)用；鋅離子和三價(jià)鐵離子的抗菌性能有限，貴金屬銀離子殺菌效率高，在無機(jī)抗菌材料的研究中有著舉足輕重的地位。光催化金屬氧化物型抗菌材料則主要有TiO2等，在紫外的作用下，二氧化鈦可以殺滅細(xì)菌[15]。光催化抗菌材料的有效成分是半導(dǎo)體化合物，在半導(dǎo)體光催化抗菌材料中，獲得普遍認(rèn)可的學(xué)說是，有銳鈦型結(jié)構(gòu)的一類因具有抗菌和防霉效應(yīng)，消毒能力強(qiáng)，耐久穩(wěn)定，不會(huì)造成二次污染而具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 抗菌材料的應(yīng)用

2.1 天然抗菌材料的應(yīng)用

國內(nèi)外都有將天然抗菌材料應(yīng)用于食品包裝材料的實(shí)例，Yang W[16]等將纖維素納米晶體以及木質(zhì)素納米晶體與聚乳酸熔融共混，制備出的薄膜具有抗菌能力，可以顯著抑制丁香假單胞菌的生長，有望應(yīng)用于蔬果和其他類食品的包裝材料。

茍瓊友[17]將三個(gè)不同的抗菌液體系——辣椒素液、殼聚糖液以及辣椒素/殼聚糖復(fù)合液浸軋整理到棉織物、尼龍織物和絲織物上，探究所得織物的抗菌性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，辣椒素抗菌液基本不能對(duì)金黃色葡萄球菌起抑制作用。殼聚糖液、辣椒素/殼聚糖復(fù)合液都可以對(duì)該菌種起到明顯抑制作用，而且抑菌效果在棉織物上最好，在絲織物上次之。

殼聚糖對(duì)于枯草桿菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等多種菌體都有抑制功能[18]。Duran M[19]等分別將乳酸鏈球菌素、納他霉素和葡萄籽提取物負(fù)載到殼聚糖涂層，所制得的抗菌材料可以在不影響草莓的亮度以及紅度的前提下抑制嗜溫細(xì)菌、霉菌和酵母的生長繁殖，從而有效延長草莓的貨架壽命[20]。

鏈霉素、青霉素、金霉素、紅霉素等來源于微生物培養(yǎng)液或者代謝產(chǎn)物的抗生素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥方面，造福無數(shù)患者，在人類抗菌歷史上留下了濃墨重彩的一筆。

2.2 有機(jī)抗菌材料的應(yīng)用

有機(jī)抗菌材料中的季銨鹽類低分子在多種領(lǐng)域內(nèi)都扮演著重要角色。在包裝材料上，主要有抗菌包裝紙和抗菌纖維等。張?chǎng)21]將季銨鹽類低分子作為助劑制備了具有抗菌性的紙包裝材料。但隨著季銨鹽大量使用，細(xì)菌產(chǎn)生了抗性，因而科研工作者研發(fā)出新的有機(jī)抗菌材料——季磷鹽。季磷鹽的抗菌性約為季銨鹽的100倍。張昌軍合成的抗菌材料十二烷基三苯基溴化磷，其抗菌效力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗菌材料1227。Chen R等[22]用丙烯酸酯類季銨鹽共價(jià)接枝在PU鏈上，制備了安全性高的接觸型抗菌聚氨酯(PU)薄膜，有望應(yīng)用于食品和醫(yī)藥包裝領(lǐng)域。韓瑞濤等[23]用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法，把功能單體N-羥甲基丙烯酰胺成功接枝在微晶纖維素上，然后鹵化N—H轉(zhuǎn)變?yōu)镹—Cl鍵，從而獲得具有抗菌性的有機(jī)高分子抗菌材料，并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行研究。此為高分子有機(jī)抗菌材料的應(yīng)用實(shí)例。

2.3 無機(jī)抗菌材料的應(yīng)用

金屬離子(金屬或金屬氧化物)型無機(jī)抗菌材料通常整理到載體上進(jìn)而用作抗菌材料，硅酸鹽黏土礦物是常用的載體，基于復(fù)合體獨(dú)特的物理化學(xué)特性和形貌特征，對(duì)無機(jī)納米抗菌材料可起到固定和分散作用[24]，提升無機(jī)抗菌材料的抗菌性能，故而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、污水處理、食品包裝等方面。Shu以埃洛石作載體研究氧化鋅和銀納米顆粒在埃洛石表面的分散特征及抗菌機(jī)理。埃洛石很大的比表面積給氧化鋅和銀納米顆粒提供了負(fù)載點(diǎn)，緩解納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提升了抗菌性能。同時(shí)由于埃洛石親水，其表面氧化鋅及銀納米更多地聚集于大腸桿菌表面，更多的活性氧產(chǎn)生，從而抑制細(xì)菌的正常增殖。將銀離子或者銀金屬單質(zhì)分散在載體中，載體通常為磷灰石、磷酸鈣、沸石等，然后加入到釉料之中，進(jìn)行瓷器制造?？咕⒊煞挚梢蚤L期存在于陶瓷表面的釉層中，從而制得抗菌陶瓷[25-26]。二氧化硅因?yàn)楸缺砻娣e大，容易表面改性，熱穩(wěn)定性高因而常作為載體，國內(nèi)外有許多關(guān)于Ag/SiO2良好抗菌性能的研究以及報(bào)道，它同時(shí)具備了無機(jī)和有機(jī)抗菌材料的優(yōu)點(diǎn)，抗菌作用明顯并且實(shí)驗(yàn)表明其抗菌性能優(yōu)于不載銀的SiO2[27]。不同材料體系之間的混合均勻性以及有效成分在基體之中的遷移性是影響抗菌材料性能的重要因素。

除了銀系抗菌材料以外，也有研究者用鋅、鈦、鎂、鈣等其他金屬或者金屬氧化物作為抗菌成分。唐曉寧等[28]制備出具有抗菌性能的鋅-鈰抗菌白炭黑，并將其加入到陶瓷中制成抗菌陶瓷。研究過程中采用SEM、XRD等常規(guī)手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并且通過實(shí)驗(yàn)得出制備的優(yōu)化工藝路線。該鋅-鈰抗菌白炭黑對(duì)受試菌種大腸桿菌有抑制功能。葉俊偉等[29]從抗菌機(jī)理、復(fù)合材料的制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面概括了納米氧化鎂材料的發(fā)展情況，認(rèn)為納米氧化鎂抗菌材料可以彌補(bǔ)銀系抗菌材料和光催化型抗菌材料的缺點(diǎn)，因而成為研究熱點(diǎn)。也有研究者將納米氧化鎂和有機(jī)物復(fù)合，使得材料的抗菌時(shí)間更為持久。在抗菌領(lǐng)域，氧化鋅[30-31]、氧化鎂和氧化鈣等也是金屬氧化物中得到廣泛研究的幾種。納米ZnO來源豐富，它在高溫下也不變色，不分解，經(jīng)濟(jì)成本低，而且可以控制形貌，因此擁有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

張崇淼研究組[5]自行設(shè)計(jì)工藝制備了TiO2/ZnO復(fù)合粉體，并將其與不復(fù)合的純TiO2、ZnO粉體對(duì)比，將大腸桿菌作為受試菌株，分別對(duì)這3種氧化物粉體材料的抗菌性能進(jìn)行測(cè)試。與載銀陶瓷類似，將二氧化鈦薄膜涂在陶瓷表面，也可得到抗菌陶瓷。

無機(jī)抗菌材料單獨(dú)使用往往其抗菌性能有限，故而科研工作者致力于將各種不同類別的抗菌材料復(fù)合使用，以期利用材料之間的協(xié)同效應(yīng)獲得更加優(yōu)良的抗菌性能。王旭等[32]利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法在TiO2納米粒子的表面共價(jià)鍵合接枝丙烯酸酯類聚合物，繼而經(jīng)季銨化處理，得到聚合物季銨鹽，隨后將改性材料負(fù)載于皮革表面。利用多種分析測(cè)試手段研究了改性前后對(duì)于納米TiO2粒子抗菌性能的影響。接枝后的納米粒子均勻分布在皮革纖維表面，使得皮革制品具有優(yōu)異抗菌性，可以極大程度地抑制金黃色葡萄球菌的生長增殖。

3 結(jié)語

隨著人類的健康保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，抗菌材料的研究越來越得到廣泛關(guān)注。因?yàn)榧?xì)菌無處不在，所以抗菌材料的研究進(jìn)程也永不停歇。目前已有大量天然、有機(jī)和無機(jī)抗菌材料以及復(fù)合型抗菌材料在功能紡織品領(lǐng)域、食品保鮮和貯存領(lǐng)域、建材(如建筑涂料)領(lǐng)域和其他如抗菌陶瓷、抗菌塑料等材料工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了可喜的成績。與此同時(shí)，各類抗菌材料的準(zhǔn)確抗菌機(jī)理的研究，抗菌材料的生物兼容性、環(huán)境友好性，納米材料的分散性、穩(wěn)定性、遷移性，以及復(fù)合材料之間的穩(wěn)定性研究，仍有很大的探索空間。未來對(duì)于納米材料性質(zhì)的研究和協(xié)同抗菌材料的研究將成為抗菌領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。