病毒的“克星”抗病毒材料

供稿|楊麗萍 / YANG Li-ping

內(nèi)容導(dǎo) 讀

新型冠狀病毒的爆發(fā)和流行給人類的健康造成嚴(yán)重的危害，已成為全球醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的公共問題。使用抗病毒材料作為一種有效抑制和消滅病毒保護(hù)人體健康的強(qiáng)有力措施，受到廣泛關(guān)注。具有高效抗病毒功能的材料是如何有效地殺滅、消除病毒的？目前有哪些能有效殺滅病毒的消毒劑？本文梳理了現(xiàn)階段常見的幾種抗病毒材料，重點(diǎn)介紹了材料的抗病毒機(jī)理，分析了其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足，并指出：考慮人體安全性、環(huán)境友好性等因素和要求，高效、無毒/低毒、長效、無副作用、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的抗病毒材料是科學(xué)家們不懈努力的研究方向。

2020年是極不平凡的一年。新年伊始，2019新型冠狀病毒(2019-novel coronavirus，2019-nCoV)感染導(dǎo)致的新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)。這種病毒感染性強(qiáng)，潛伏周期長且潛伏期具有感染性，極易造成大面積的感染。使用抗病毒材料作為一種有效抑制和消滅病毒保護(hù)人體健康的強(qiáng)有力措施，受到廣泛關(guān)注?？共《静牧鲜侨绾斡行У貧?、消除病毒的？目前有哪些能起到有效殺滅病毒作用的消毒劑？本文簡明扼要地介紹了幾種抗病毒材料的作用機(jī)理。

醫(yī)用酒精

酒精，又稱乙醇，分子式為CH3CH2OH。殺滅病毒效果比較好的醫(yī)用酒精一般是指體積分?jǐn)?shù)為75%的乙醇溶液，即75%酒精。病毒一般由專門攜帶遺傳物質(zhì)的RNA 或 DNA和一些功能性蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成，是一種在細(xì)胞內(nèi)寄生的生物，且僅在生物體的活細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，之后導(dǎo)致宿主細(xì)胞死亡。研究表明，75%酒精的濃度與病毒的內(nèi)部環(huán)境相適宜，75%酒精作用于病毒時(shí)，一方面可以使病毒外殼表面的蛋白質(zhì)膜脫水變性；另一方面，可以滲入病毒內(nèi)部，降解病毒的遺傳物質(zhì)，從而使病毒失去活性。但乙醇極易揮發(fā)，故而時(shí)效比較短，容易造成浪費(fèi)，且乙醇作為易燃物質(zhì)，在使用過程中一定要注意避免同時(shí)使用明火。

含氯消毒劑

含氯消毒劑是指溶于水后產(chǎn)生具有殺滅微生物活性的次氯酸的消毒劑，包括84消毒液、漂白粉、含氯消毒粉、含氯泡騰片等。含氯消毒劑可殺滅各種微生物，包括病毒、細(xì)菌、真菌等。次氯酸作為含氯消毒劑的主要成分，因其具有的強(qiáng)氧化性與病毒蛋白質(zhì)外殼發(fā)生氧化還原反應(yīng)使其變性失活；同時(shí)還可以滲入病毒內(nèi)部使其喪失活性而死亡。由于氯元素的存在，含氯消毒劑使用時(shí)有刺激性氣味且易腐蝕物體表面。

醫(yī)用口罩

醫(yī)用口罩是當(dāng)前新型冠狀病毒疫情中最常用的防病毒物資，它以物理隔離的方式有效阻止病毒隨飛沫等的傳播。醫(yī)用口罩一般由內(nèi)、外紡粘層、熔噴過濾層構(gòu)成，其中起關(guān)鍵作用的是熔噴過濾 層[1]。熔噴過濾層的主要生產(chǎn)原料是聚丙烯。聚丙烯超細(xì)纖維直徑可以達(dá)到0.5～1.0 μm，這些聚丙烯超細(xì)纖維隨機(jī)分布形成的獨(dú)特毛細(xì)結(jié)構(gòu)提供了纖維間更多的熱粘合機(jī)會(huì)，增加了單位面積纖維的數(shù)量和表面積，使醫(yī)用口罩的熔噴氣體過濾材料比表面積更大，孔隙率(≥75%)更高，再加上熔噴靜電駐極工藝提高材料過濾效率[知識(shí)小貼士]，從而使熔噴過濾層具有很好的空氣過濾性和病毒屏蔽性，使產(chǎn)品具有低阻、高效、高容塵等特點(diǎn)[2]。

納米消毒材料

納米材料是指在三維維度中至少有一個(gè)維度在納米尺寸范圍內(nèi)(1～100 nm)的材料，因其具有的獨(dú)特性能，如尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、可控的疏水性/親油性以及可修飾性等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(生物傳感、生物成像、藥物靶向運(yùn)輸、腫瘤診療、抗病毒等)具有巨大的應(yīng)用潛力。

納米材料按抗病毒特性及作用機(jī)理可分為 3類[3-5]：(1)金屬納米材料；(2)碳基納米材料；(3)光催化型納米材料。

金屬納米材料

金屬材料被用作殺菌消毒劑由來已久。公元前338年，馬其頓人采用銀片覆蓋來加速傷口的愈合。在中國古代草原的牧民用銀碗盛放馬奶延長食物的保鮮日期。1893年C. Von Nageli首次報(bào)道了金屬(尤其是銀)對細(xì)菌、病毒等低等生物的致死效應(yīng)，使銀有可能成為一種消毒劑[6]。此外，金、銅、鋅、鐵、鈷、鎳、鋁、錳、鎂等金屬也被證實(shí)具有抗病毒活性[7-8]。但由于大多數(shù)金屬在人體內(nèi)過量富集會(huì)對人體產(chǎn)生危害，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)成本、抗病毒活性等因素，目前殺菌消毒劑使用較多的金屬納米材料是金、銀、銅和鋅，化學(xué)元素符號(hào)分別為Au、Ag、Cu和Zn。

金屬納米材料的消毒過程是如何進(jìn)行的呢？

(1) 蛋白質(zhì)變性

納米材料具有高的比表面積，大大增加了材料與病毒的接觸幾率，從而為抗病毒活性的提高提供了便利。金屬納米材料表面帶有正電荷，病毒表面蛋白質(zhì)外殼中存在羧基(—COOH)、巰基(—SH)等官能團(tuán)帶有負(fù)電荷，金屬納米材料在異性相吸原理的庫侖力作用下直接吸附在病毒表面發(fā)生反應(yīng)使蛋白質(zhì)凝固變性，破壞病毒外殼蛋白質(zhì)的正常結(jié)構(gòu)使其失去活性。

(2) 干擾遺傳物質(zhì)

納米金屬材料進(jìn)入病毒內(nèi)部與遺傳物質(zhì)相結(jié)合，干擾核酸的合成、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等，阻礙病毒正常的繁殖過程，導(dǎo)致病毒活性降低甚至喪失，從而達(dá)到消滅病毒的目的。

(3) 極化細(xì)胞膜

病毒感染是指病毒侵入人體內(nèi)并在靶器官細(xì)胞中增殖，與機(jī)體發(fā)生相互作用的過程。實(shí)際上，與許多生物相互作用類似，病毒侵入宿主細(xì)胞的過程是病毒表面成分和細(xì)胞膜受體之間的多價(jià)互作的結(jié)果。納米金屬材料在溶液中會(huì)有相應(yīng)金屬離子溶出，帶有正電荷的金屬離子在濃度梯度的作用下，與帶有負(fù)電荷的細(xì)胞膜、細(xì)胞壁在庫侖力的作用下相互吸引，從而使得細(xì)胞壁、細(xì)胞膜內(nèi)外形成極化狀態(tài)，使病毒的活動(dòng)范圍受限，生存環(huán)境發(fā)生改變而失去活性。因此，金屬納米材料結(jié)合金屬材料和納米材料二者的特性，可以有針對性地對納米顆粒表面進(jìn)行功能化修飾干擾細(xì)胞膜受體的病毒識(shí)別位點(diǎn)從而阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞，這是行之有效的開發(fā)抗病毒藥物的策略和途徑。

碳基納米材料

碳基納米材料是由碳元素構(gòu)成的一類材料，從維度上主要分為：零維的碳量子點(diǎn)、富勒烯及衍生物；一維的碳納米管；二維的石墨烯及衍生物；三維的介孔碳納米球、金剛石等。

碳基納米材料具有的高比表面積使得材料表面具有大量的活性位點(diǎn)，從而使得表面官能團(tuán)功能化修飾變得更加容易，同時(shí)這類材料具有較好的生物相容性，近年來在抗病毒領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

針對碳納米材料合成復(fù)合材料從而形成多功能納米材料的策略是具有發(fā)展前景的抗病毒方法。研究表明，氧化石墨烯通過對病毒進(jìn)行包裹，與細(xì)胞表面的受體吸附病毒之間形成競爭關(guān)系，抑制病毒在細(xì)胞表面的吸附，被廣泛應(yīng)用于病毒感染抑制。

光催化型納米材料

光催化劑通常是指在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱，主要包括二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)、二氧化硅(SiO2)、二氧化鋯(ZrO2)等n型半導(dǎo)體氧化物。

氧化物半導(dǎo)體的價(jià)帶電子在可見光、紫外光等的照射下，吸收外界的能量發(fā)生躍遷，材料表面成為帶有正電荷的空穴，可與周圍環(huán)境中吸附在材料表面的氧氣分子(O2)和水分子(H2O)發(fā)生反應(yīng)生成羥基自由基(—OH)和超氧負(fù)離子(O2-)。羥基自由基 (—OH)和超氧負(fù)離子(O2-)都具有強(qiáng)氧化還原能力，可以加速與病毒表面蛋白質(zhì)的反應(yīng)，生成無毒無味的二氧化碳(CO2)和水(H2O)，破壞微生物的正常增殖分裂能力，從而達(dá)到抑制或使病毒失去活性的目的。

此外，現(xiàn)代科技的發(fā)展涌現(xiàn)出越來越多的新技術(shù)使得復(fù)合材料的合成變的非常容易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同需求有針對性地設(shè)計(jì)不同材料摻雜、復(fù)合的光催化劑來實(shí)現(xiàn)使病毒感染受到抑制的目的。

結(jié)束語

近年來各種新型病毒的爆發(fā)和流行，給人類的健康造成嚴(yán)重的危害，傳統(tǒng)的抗病毒材料已不能滿足需要，因此研制開發(fā)新型的具有高效抗病毒功能的材料成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。例如，在植物纖維中引入抗菌的官能團(tuán)制備綠色、無公害的植物纖維抗菌材料；設(shè)計(jì)具有靶向功能的仿生材料；金屬-有機(jī)骨架化合物(MOF)等新型功能材料。相信在科技工作者的不懈努力下，未來會(huì)涌現(xiàn)出越來越多的綠色、高效、經(jīng)濟(jì)新型抗病毒材料。

抗病毒材料作為抑制和消滅病毒傳播的有效物資，其開發(fā)和應(yīng)用在國內(nèi)外具有廣闊的發(fā)展空間?？紤]到人體安全性、環(huán)境的友好性等因素的要求，高效、無毒/低毒、長效、無副作用、經(jīng)濟(jì)的抗病毒材料是科技工作者不懈努力的方向。

知識(shí)小貼士

熔噴靜電駐極工藝是事先在聚丙烯聚合物中加入電氣石、二氧化硅、磷酸鋯等無機(jī)材料，然后在卷布前通過靜電發(fā)生器針狀電極電壓5～10 kV一組或多組電暈放電的方式使熔噴材料帶上電荷，施加高壓時(shí)針尖下方的空氣產(chǎn)生電暈電離，產(chǎn)生局部擊穿放電，載流子通過電場的作用而沉積到熔噴布表面，一部分載流子會(huì)深入表層被駐極母粒的陷阱捕獲，從而使熔噴布成為駐極體過濾材料。