無機抗菌材料的抗菌性能研究與應(yīng)用

郭一婧，張銘哲，段昶晟，董馨愿

（太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人類的生存環(huán)境面臨著越來越多的嚴峻挑戰(zhàn)。在經(jīng)歷了如嚴重急性呼吸綜合征 （SARS）冠狀病毒、高致病性禽流感病毒 （H5N1）、豬流感病毒 （甲型H1N1）、以及新型冠狀病毒 （2019-nCoV）的肆虐與蔓延后，全人類對生存與健康問題變得尤為關(guān)注。我們生活在一個被大量微生物充斥的空間，各種有害細菌及病毒的威脅導(dǎo)致了抗菌材料領(lǐng)域的誕生與拓展，而生產(chǎn)與生活方面對抗菌抗病毒功能的要求也變得空前迫切?？咕牧贤ǔＶ缸陨砭哂袣缁蛞种朴泻毦L繁殖的功能性材料，其對醫(yī)療與民生方面的影響最為突出。本文概述了無機抗菌材料的分類，總結(jié)了抗菌性能的影響因子、分析了各種抗菌機理并介紹了相關(guān)的重點應(yīng)用領(lǐng)域；最后結(jié)合市場需求提出了產(chǎn)業(yè)完善與革新的必要性，對具有化學(xué)穩(wěn)定性好、廣譜抗菌性強等優(yōu)良性能的新型無機抗菌材料做出了的展望。

1 無機抗菌材料的分類

無機抗菌材料是抗菌材料的重要組成部分，其安全可靠的性能促使醫(yī)學(xué)、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。伴隨著人們對于無機抗菌材料重視程度的不斷加深，更多的社會資源也源源不斷地投入到相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)與研發(fā)，無機抗菌材料的發(fā)展速度也更加的迅猛。當下，無機抗菌材料的分類包含以下幾種。

1.1 金屬離子型無機抗菌材料

金屬離子型無機抗菌抗菌材料是將Ag、Cu、Zn等具有較強的抗菌能力的離子單載在沸石、硅膠、活性炭等材料上制備所得的一種抗菌材料。如銀-沸石抗菌劑材料，這種材料在實際應(yīng)用的過程中主要利用金屬離子的殺菌能力來達到相應(yīng)的殺菌效果，而這種抗菌材料在實際應(yīng)用的過程中，由于金屬銀離子的釋放，能夠在有氧以及無氧環(huán)境中進行殺菌，是一種較為理想的，可應(yīng)用與醫(yī)療等領(lǐng)域中的抗菌材料。

1.2 光催化型無機抗菌材料

這種材料主要指含有TiO2物質(zhì)的材料，在實際應(yīng)用的過程中能夠通過光照，使其表面產(chǎn)生·OH以及·O-2，利用其化學(xué)性質(zhì)降低微生物的繁殖能力，達到抑菌的目的［1］。如二氧化鈦類的抗菌材料，這些材料在使用的過程中能夠通過光催化達到抗菌的目的，而其在使用的過程中也存在化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、殺菌效果強、原材料來源廣泛等優(yōu)勢，受到人們的廣泛關(guān)注。

1.3 復(fù)合型無機抗菌材料

復(fù)合型無機抗菌材料是指將不同的抗菌材料結(jié)合在一起，制作成抗菌能力更加優(yōu)質(zhì)的復(fù)合材料，這種材料研究是現(xiàn)階段我國抗菌材料研究中的重點內(nèi)容，而其也在使用的過程中取得較好的試驗成果。如楊合等課題組通過溶膠-凝膠制備Co／Zn／TiO2共摻雜復(fù)合納米材料，Zn和Co的共摻雜促進了抗菌金屬離子Zn和Co的釋放量，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白念球菌的抑菌率大大提高［2］。張彬等課題組研究稀土激活型無機抗菌材料，相比于單載鋅的抗菌材料，稀土鈥的添加，改變了材料的性能，抗菌性能顯著增加［3］。由此可見，復(fù)合抗菌材料更為廣泛應(yīng)用。

2 無機抗菌材料的抗菌性能研究

無機抗菌材料在當代社會的發(fā)展過程中起到十分重要的作用，本章將對無機抗菌材料抗菌性能的影響因素以研究及抗菌機理進行扼要的總結(jié)與說明。

2.1 影響無機抗菌材料抗菌性能的因素

影響無機抗菌材料的抗菌性能因素較多，而其中較為常見的有以下幾種因素。第一、制備條件。如抗菌劑的單載量不同，制備過程中pH的不同，反應(yīng)溫度不同，抗菌劑添加順序不同，反應(yīng)時間不同等，都會影響抗菌材料的粒徑、比表面積、抗菌離子的單載量和溶出量，從而使抗菌效果產(chǎn)生差異。第二、抗菌助劑的添加。如Sanjeev Kumar Sharma等課題組通過添加稀土激活抗菌離子的抗菌性能，其通過水熱沉淀法制備稀土釔摻雜氧化鋅納米抗菌材料，稀土釔的摻雜增強了抗菌材料的抗菌活性［4］。事實上，通過添加金屬氧化物也可增加材料抗菌性能，彌補單一抗菌材料的不足，起到協(xié)同抑菌作用。張崇淼等人通過水熱合成法制備得到TiO2／ZnO復(fù)合材料，不僅彌補了TiO2在無光照條件下無抗菌性能的不足，而且提高了純二氧化鈦材料的抗菌性［5］。第三、有效作用時間?？咕牧显谑褂玫倪^程中有一定的時間限制，伴隨著時間的增長，其抗菌能力在不斷的減弱，而不同抗菌材料減弱的趨勢也存在一定的不同。第四、制造工藝。抗菌劑與材料能夠完美的結(jié)合在一起，其抗菌性能更好，使用的時間也更長；而制造工藝的不佳，會造成其與材料結(jié)合不合理影響其抗菌性能。第五、外界因素影響?；瘜W(xué)物質(zhì)、酸雨等各種因素也對材料的使用壽命產(chǎn)生影響，造成無機抗菌材料應(yīng)用質(zhì)量低，壽命短問題。

2.2 抗菌機理

抗菌材料能夠在較大的程度上抑制微生物的生長，為人們提供更加高質(zhì)量的生活環(huán)境?？咕鷦┦潜ＷC材料具有抗菌能力的重要成分，其在使用的過程中主要分成天然抗菌劑、無機抗菌劑以及有機抗菌劑三種。不同抗菌材料的抗菌機理不同，應(yīng)用范圍也不同，目前無機抗菌材料所具備的綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定、抗菌廣譜性強等性價比優(yōu)勢已得到民生市場的普遍認可［6］。各種抗菌材料的作用機理一直不斷的研究中，簡明扼要的對比便能讓我們清晰的得出其應(yīng)用的可適范圍。

2.2.1 天然抗菌劑

天然抗菌劑在使用的過程中是利用其自身表面帶有一種正電荷的物質(zhì)進行抗菌，而根據(jù)目前的研究情況來看，其抗菌的機理有兩種。第一種，天然抗菌劑中的正電荷離子在抗菌過程中吸附在細胞的表面，形成高分子膜，阻止物質(zhì)運輸?shù)郊毎?，達到抗菌目的；并且其能使細胞的表面呈現(xiàn)電荷分布不均勻情況，破壞細胞壁合成溶解之間的平衡，進而達到抑菌的目的。第二種，其滲透進細胞后，吸附細胞中的陰離子物質(zhì)，擾亂其正常運作，進而達到抑菌的效果。

2.2.2 氧化物光催化型抗菌劑

這種抗菌劑在實際應(yīng)用的過程中能夠在光照的影響下，激活自身表面的水以及氧氣，使其進行反應(yīng)，產(chǎn)生·OH以及·O-2，這兩種物質(zhì)具有較強的化學(xué)活性，能夠與微生物內(nèi)的有機物進行反應(yīng)，快速的消滅微生物，破壞細菌的增殖能力，達到抑菌效果。

2.2.3 含金屬離子的抗菌劑

金屬離子型抗菌劑的抗菌機理目前主要有兩種。第一種，抗菌金屬離子的溶出、釋放和接觸吸附殺菌。抗菌材料與細菌接觸時，釋放和溶出的金屬離子，能夠吸附在細胞上，破壞細胞壁，并進入到細胞中使蛋白質(zhì)產(chǎn)生凝固變性，細胞喪失增殖能力從而死亡，達到殺菌的功效。第二種，金屬離子誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧殺菌，抗菌元素激活空氣或水中的氧，產(chǎn)生·OH以及·O-2，從而抑制細菌的繁殖，起到殺菌作用。

3 無機抗菌材料的應(yīng)用

生活環(huán)境中存在有大量的微生物，而這些微生物在適宜的溫度下，會大量的繁殖，給人們的生活帶來一定的麻煩。生活條件的不斷提高，使人們對生存環(huán)境的要求也在不斷提升，無機抗菌材料作為新型綠色健康材料，受到人們的青睞，從而廣泛的應(yīng)用于生活的方方面面［7］。無機抗菌材料產(chǎn)品的應(yīng)用主要有兩種：第一種，將無機抗菌材料添加到其他產(chǎn)品中。第二種，在物品的表面直接噴涂無機抗菌材料，達到抗菌目的?，F(xiàn)階段，無機抗菌材料的應(yīng)用領(lǐng)域包含以下幾個方面。

3.1 抗菌陶瓷的應(yīng)用

抗菌陶瓷是現(xiàn)階段無機抗菌材料應(yīng)用較為廣泛的一種，其被更多的應(yīng)用于廚房、洗手間等潮濕，易于滋生細菌的場所。在使用的過程中將抗菌劑加入到陶瓷的釉料中，通過燒制后，讓陶瓷帶有一定的抗菌效果。部分抗菌陶瓷是在陶瓷產(chǎn)品的表面涂抹一層抗菌離子的薄膜，如涂抹含有銀離子或者是銅離子的TiO2薄膜，使陶瓷具有抗菌效果。這兩種方式在使用的過程中都能較好的提升陶瓷的抗菌性能，從而滿足現(xiàn)代人們的實際需求。伴隨著時代的發(fā)展，抗菌陶瓷技術(shù)也在不斷地發(fā)展與完善，一些新型材料企業(yè)就把具有除臭等性能的抗菌劑添加到復(fù)合陶瓷的生產(chǎn)工藝中，使抗菌陶瓷在民生領(lǐng)域的應(yīng)用得到拓展。

3.2 抗菌玻璃

與其他的抗菌產(chǎn)品不同，抗菌玻璃在實際應(yīng)用的過程中與陽光的接觸時間較長，故而在設(shè)計與制造的過程中使用光催化抗菌劑的幾率更高。玻璃與其他材質(zhì)不同，可以保持金屬的離子狀態(tài)，在制備的過程中將銀、銅、鋅等多種具有抗菌能力的離子摻雜于玻璃合成，使玻璃具備長效、穩(wěn)定的抗菌效果。隨著產(chǎn)業(yè)的迭代升級，抗菌玻璃也在不斷的完善與創(chuàng)新，如具有雙面反射功效的抗菌帷幕玻璃便極大地滿足了人們生活的需要，其不僅可以達到抗菌，抗霉效果，也能抵御雙倍的紫外線干擾?？咕ＡУ男阅苓€在不斷的飛速提升，產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越得到重視。

3.3 抗菌紡織品

抗菌紡織品最早出現(xiàn)于軍服等的制造中，主要目的是為降低細菌對傷情的影響，保證傷口更快的恢復(fù)。伴隨著時代的發(fā)展，人們對抗菌紡織品的需求也在不斷的提升，如現(xiàn)階段人們購買嬰幼兒產(chǎn)品的過程中，更加喜歡購買部分具有抗菌效果的母嬰用品來保證嬰幼兒的健康成長。棉織物在潮濕溫?zé)岬沫h(huán)境下極其容易滋生微生物，引起織物變色及機械性能損失，并會產(chǎn)生難聞的氣味，更有害于人們的健康。殼聚糖納米銀抗菌劑具有良好的抗菌持久性.使織物有長久抗菌性能。現(xiàn)階段，抗菌紡織品在加工的過程中主要有兩種方式：第一種，將抗菌劑與纖維直接進行混合，制成混紡織纖維，使其達到抗菌效果，這種方式制造出的衣物抗菌時間較長；第二種，將抗菌劑通過化合鍵結(jié)合在纖維表面，產(chǎn)生抗菌的效果，但在實際應(yīng)用的過程中其抗菌時間較短，耐洗性較差。

3.4 食品包裝

食品健康越來越受到人們的重視，具有抗菌性能的食品包裝能夠抑制微生物的生長，保證食品的安全性，同時在較大程度上降低人們使用防腐劑的幾率，提升飲食的健康指數(shù)?，F(xiàn)階段，具有抗菌性能的食品包裝有抗菌塑料、抗菌紙等，制備出的相關(guān)產(chǎn)品不僅擁有抗菌功效同時也提升了食品保存質(zhì)量?，F(xiàn)階段，抗菌食品包裝的生產(chǎn)主要通過直接抗菌與間接抗菌來進行。直接抗菌要求食品包裝中的抗菌劑與食品能夠直接接觸，達到抗菌的效果；而間接抗菌是在食品包裝中添充功能物質(zhì)，通過改變包裝內(nèi)環(huán)境來抑制微生物的生長，達到保存食物的目的。

3.5 醫(yī)學(xué)中應(yīng)用

新型抗菌材料的開發(fā)和應(yīng)用已成為當今醫(yī)學(xué)研究的重點，以銀系抗菌材料為代表的無機抗菌材料具有耐熱性好、抗菌譜廣、有效期長、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點，可以有效阻斷細菌的傳播。銀納米抗菌劑在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如在燒傷外科、婦科、泌尿外科、口腔科、普外科等作為抗菌劑用于患處的抗菌處理和手術(shù)器械的消毒作業(yè)。盡管銀納米顆?？咕鷦┮训玫结t(yī)學(xué)應(yīng)用，但其抗菌機制特別是生物毒性的研究尚存較大爭議，其抗菌藥物和抗菌涂層的制備方法及技術(shù)尚未成熟，其抗菌效果的穩(wěn)定性和緩釋性均有待提高。隨著研究的不斷進展，基于銀納米顆粒的新型抗菌材料將在預(yù)防和治療骨科植入物細菌感染方面得到廣泛臨床應(yīng)用。

4 結(jié)語

伴隨著時代的發(fā)展與進步，人們對健康的保護意識也在不斷的加深，使得抗菌材料的生產(chǎn)與研發(fā)在供不應(yīng)求的市場刺激下得到了強勁的發(fā)展，并日趨完善。在琳瑯滿目的功能性產(chǎn)品中，已經(jīng)有大量的天然、有機、無機材料應(yīng)用于抗菌材料的研發(fā)，而無機抗菌材料所具有的安全可靠、性能優(yōu)越的特點，使其在實際應(yīng)用中的地位無可撼動。無機抗菌材料在家用電器、紡織、食品保鮮、建筑材料、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用，極大的提升了人們的生活質(zhì)量?，F(xiàn)階段，抗菌機理的探究與復(fù)合型多功能無機抗菌材料的制備均存在較大的發(fā)展空間，前景廣闊的抗菌材料領(lǐng)域值得全社會投入更多的資源與關(guān)注。