雙模式抗菌涂層的研究進展

陳國銘，呂婉秋，江民乾，陳立軍，趙錦

開發(fā)與應(yīng)用

雙模式抗菌涂層的研究進展

陳國銘1，呂婉秋2，江民乾2，陳立軍2，趙錦2

（1. 浙江泰德新材料有限公司， 浙江 麗水 323000； 2. 麗水學(xué)院生態(tài)學(xué)院，浙江 麗水 323000）

細菌污染是指細菌在材料表面完成不可逆附著并最終形成生物膜，這對人類的生命健康和材料的使用都有極大負面影響。目前針對細菌污染，科研工作者依托殺菌型、抗細菌黏附以及釋放抗菌型三種抗菌機理，設(shè)計了一系列材料，優(yōu)缺點都較為明顯。其中這些材料的主要缺點為作用時間不長以及有效抗菌。有基于此，開發(fā)兼具兩種抗菌機理的雙抗型功能材料成為解決問題關(guān)鍵。介紹了當(dāng)前雙抗型抗菌材料的發(fā)展概況，同時簡述了各自材料的特點，并闡述了各自材料的殺菌原理， 最后對雙抗型材料的未來發(fā)展進行了展望。

抗菌；抗黏附；生物膜；高分子

微生物作為地球上最古老的物種之一，廣泛存在于人類生活和工作環(huán)境中[1]。同時，在人的體表和體內(nèi)還生活著10倍于人體細胞的微生物，這些微生物中對我們有著較大負面影響的是細菌[1-3]。這是因為細菌形成的生物被膜是目前人類在醫(yī)療保健、食品安全以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域所面臨的最嚴重污染源之一。例如醫(yī)療所用的外科設(shè)備、人工植入物以及醫(yī)用傳感器常因其表面生物被膜的形成造成患者在臨床上出現(xiàn)感染型并發(fā)癥，嚴重者有死亡病例的報道[3-6]。而在食品加工領(lǐng)域，細菌生物被膜的積累不僅嚴重影響加工效率，而且易造成食品安全事故。因此當(dāng)前有效阻礙細菌形成生物被膜成為科研工作者的研究熱點。細菌生成生物被膜最先完成的步驟是在材料基體表面從可逆黏附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行юじ綘顟B(tài)，然后實現(xiàn)快速增殖并最后形成生物被膜。所以解決細菌生物被膜形成的關(guān)鍵點是讓細菌無法完成從可逆黏附狀態(tài)到有效黏附狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。目前抗菌模式有三種，分別是殺菌型、抗細菌黏附型以及細菌釋放型[6-10]。但是單一模式的抗菌材料應(yīng)用于防止細菌生物被膜形成的效果并不理想，例如殺菌型界面雖然能有效滅殺接觸界面的細菌，但是細菌死亡后有很大的可能性會黏附于界面表層，這依然會形成生物被膜[11-12]。有鑒于此雙抗菌模式的誕生為研發(fā)新型抗菌材料提供了一種技術(shù)保障。本文先簡述了當(dāng)前常用的抗菌劑，以及相關(guān)抗菌模式，最后還闡述最新的雙模式抗菌材料。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 抗菌材料表面的三種作用機制

1.1.1 殺菌型表面

1）接觸式殺菌型表面

接觸式殺菌表面是通過共價鍵修飾法或物理吸附法將抗菌劑涂覆在表面，當(dāng)細菌接觸此表面會死亡。目前此類界面選用的抗菌劑范圍主要為合成化學(xué)品，如四價銨化合物(Qacs)、聚陽離子和各種抗生素[13]。這些抗菌分子通常是利用自身所帶的正電荷等作用擾亂細菌細胞膜或阻礙細菌細胞內(nèi)正常的代謝活動，導(dǎo)致細菌細胞膜破裂或阻止細菌的生長和繁殖[14]。例如Wang[15]將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和殼聚糖通過氫鍵作用力層層自組裝在材料表面，PVP良好的親水性和殼聚糖的殺菌性能賦予涂層阻抗金黃色葡萄球菌和大腸桿菌黏附并殺滅細菌的功能。

2）釋放型殺菌表面

釋放型殺菌表面是指通過釋放活性物質(zhì)殺死細菌，減少材料表面細菌的增長和黏附量。這種殺菌材料可分為兩類：i）有機類：季銨鹽及其聚合物，聚乙二醇胺及其衍生物，殼聚糖及其衍生物等；ii）無機類：納米金、納米銀、納米氧化鋅或者納米符合無機粒子等[16]。這些抗菌材料表面是基于兩種機制減少細菌生長和黏附量，都具有持久高效的抗菌效果。例如銀納米顆粒作為一種強大的廣譜抗菌劑已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物表面涂層，納米銀會破壞細菌的細胞膜，改變細胞的結(jié)構(gòu)，使細胞的滲透性增強，從而導(dǎo)致細菌細胞的裂解，并最終導(dǎo)致細菌的死亡。另一方面，游離態(tài)的銀離子會與蛋白質(zhì)和帶負電荷的核酸結(jié)合，導(dǎo)致細胞壁、細胞膜和細胞核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時，銀離子誘導(dǎo)活性氧的釋放，從而形成具有強大殺菌作用的自由基[17-18]。

Xie等[19]首先利用殼聚糖整合銀離子.然后通過電化學(xué)方法原位還原為銀納米最終形成顆粒，接著利用靜電作用將肝素和骨形成蛋白BMP2)與殼聚糖層復(fù)合，最新形成的涂層可以在30天內(nèi)穩(wěn)定釋放銀離子和BMP2.有效抑制細菌的生長.并促進骨細胞的生長。

1.1.2 抗細菌黏附表面

1）超疏水抗黏附表面

超疏水抗黏附表面可以在微結(jié)構(gòu)的空間中捕獲穩(wěn)定的氣墊，從而顯著減少水滴與材料表面之間的接觸，進而防止材料被微生物污染。

陳曉宇等[20]研究了陽離子含氟聚合物涂層棉織物的持久抗菌和抗菌。根據(jù)實驗研究結(jié)果表明，聚合物和織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現(xiàn)出良好的抗菌活性，并且對金黃色葡萄球菌的抑菌效果略好，其抗菌活性與其烷基鏈長有關(guān)。并且QA與氟的協(xié)同抗菌作用鏈的引入大大提高了抗菌活性，氟組分的疏水性和低表面能有助于抗菌黏附處理過的織物經(jīng)過20次洗滌，保持了良好的抗菌、抗菌、防粘耐久性，處理后的織物基本上保持了固有的機械和物理性能原始織物的特性。

2）超親水抗黏附表面

超親水抗黏附表面是通過表面的親水性物質(zhì)與水發(fā)生強相互作用而形成表面水化層，這種表面水化層類似一層阻礙“屏障”，可以增加表面的空間排斥作用，從而阻礙污染物與表面的直接接觸，實現(xiàn)表面的抗黏附效果。通常用于構(gòu)建超親水表面的大分子材料可根據(jù)它們與水的相互作用的方式的不同分為兩類：親水性材料和兩性離子材料。前者主要通過氫鍵與水發(fā)生相互作用，而后者則可通過離子鍵與水發(fā)生相互作用。

Filiz Kara等[21]研究以高分子材料聚氨酯(PU)，并采用殼聚糖(CH)接枝和肝素(Hep)固定化的方法對聚氨酯薄膜表面進行了改性，以提高其抗黏附性和抗菌性能。與未改性的PU相比，改性過程顯著改變了薄膜的表面化學(xué)和形貌，獲得了更高的親水性和更粗糙的結(jié)構(gòu)。與銅綠假單胞菌、金黃色假單胞菌、表皮假單胞菌和大腸桿菌共孵育時，PU-CH-Hep樣品的黏附細菌數(shù)量明顯減少。盡管PU-CH和PU-CH-Hep兩種改性膜均表現(xiàn)出很高的抗菌活性,但PU-CH-Hep膜對銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌都有很好的殺滅效果,在培養(yǎng)24 h后，大腸桿菌的殺滅率顯著下降。且根據(jù)MTT 毒性試驗表明，所制備的薄膜無毒、生物相容。

Knowles[22]等使用兩性離子磺酸甜菜堿硅氧烷對二氧化硅納米粒子進行功能化，制備出一種通用的防污涂料。所有功能化顆粒表面均具有較高的潤濕性，并導(dǎo)致牛血清白蛋白的吸附量大幅下降。顆粒涂層還顯示真菌孢子(黑皮草)和細菌(大腸桿菌)的黏附率分別減少了87% 和96%。

1.1.3 細菌釋放表面

與耐細菌的表面不同，釋放細菌的表面可以使細菌最初黏附，但可以在適當(dāng)?shù)臈l件下釋放它們[23]。其中溫度變化可以觸發(fā)細菌釋放，pH 響應(yīng)聚合物改性的表面也可用于觸發(fā)細菌釋放，簡單的彈性體表面蓋能夠響應(yīng)外界刺激而動態(tài)變形，包括電壓變化，機械拉伸和氣壓的變化[12]。

1.2 雙重功能的抗菌表面

雖然目前單一抗菌材料表面發(fā)展已經(jīng)有很大提升，但是還是存在有很大的缺點。例如，迄今為止尚無某種單一表面能夠100%實現(xiàn)抗細菌附著。這些涂層材料一旦被細菌附著在自身表面之后，就無法殺死細菌。為解決這一問題，有研究者發(fā)現(xiàn)通過將兩種策略組合為一個系統(tǒng),可以達到更好的殺菌效果[11-12]。

1.2.1 殺菌與抵抗

第一種雙重功能抗菌材料表面是基于殺菌和抗細菌黏附特性的組合[24]。這種組合根據(jù)將殺生物劑摻入防污材料的方法可分為三類： i)將殺生物劑束縛到不結(jié)垢的親水性聚合物上； ii）將殺生物劑交替地沉積到有抗粘劑層； iii）將殺生物劑存儲在不結(jié)垢的基質(zhì)中并釋放。

1.2.2 殺菌與釋放

第二類雙功能抗菌面是基于殺菌和釋放特性結(jié)合的系統(tǒng)。常見的殺菌表面存在與死細菌積累等嚴重影響殺菌效果的問題[25]，死細菌積累不僅會降低表面殺死生物的活性，還會降低為其他定殖者提供營養(yǎng)的效率。因此期望能在表面殺死細菌后，有效去除或釋放細菌，以保持長期的殺菌活性。影響殺菌與釋放材料表面的因素有兩個： 1）pH 誘導(dǎo)的陽離子-兩性離子轉(zhuǎn)化(化學(xué)變化)； 2）溫度引起的構(gòu)象變化和疏水性(物理變化)。

2 抗菌涂層

隨著科技的不斷進步以及工業(yè)化的發(fā)展，抗菌涂層的門類更加繁多，應(yīng)用也更廣泛。據(jù)抗菌涂層的種類可分為下列幾種：無機抗菌涂層、有機高分子抗菌涂層以及復(fù)合抗菌涂層。

2.1 無機抗菌涂層

在無機抗菌涂層的制備過程中，通常使用金屬及其化合物對涂層進行改性，給予涂層材料一定的抗菌性能。機抗菌涂層根據(jù)作用機理不同，可分為接觸反應(yīng)型抗菌涂層、活性超氧機理抗菌涂層和光催化氧化型抗菌涂層三類。

1）離子接觸反應(yīng)型抗菌涂層，一般是通過將可殺菌的 Ag+、Zn2+、Cu2+等離子負載到無機填料（如沸石、分子篩、硅酸鹽玻璃）等載體中，再加到涂料中，涂覆到基材表面制備而成[26]。毛華明等[27]運用溶膠-凝膠法制備出二氧化硅載體，采用液相浸漬法制備得到鋅型復(fù)合無機抗菌材料。其通過稀釋涂布平板法，對材料進行抗菌性能檢測得到以下結(jié)論:載體二氧化硅為無定形態(tài)，材料中主要的抗菌成分是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO，且呈絮狀和花瓣狀生長，摻雜鋱元素后材料的比表面積明顯增大，增加了材料與細菌的接觸面積，從而抗菌性能顯著提高。

2）活性超氧機理抗菌涂層，該理論認為金屬粒子可被視作催化活性中心，它能夠激發(fā)所處環(huán)境的氧，產(chǎn)生一定量的羥基自由基(OH)與超氧離子自由基(O2-)。由于自由基具有較強的氧化還原作用，與微生物接觸后，通過氧化還原反應(yīng)能夠在較短的時間內(nèi)破壞細菌合成酶以及細胞結(jié)構(gòu)，使細菌死亡。Kang-Hee Pa等[28]使用原子層沉積在玻璃基板上形成了ZnO薄膜。這種ZnO薄膜不僅避免了ZnO納米顆粒的固有聚集,而且還可以產(chǎn)生活性氧(ROS)，例如:陰離子、羥基自由基和單重態(tài)氧，其對金葡萄球菌具有抗菌活性，且這種ZnO薄膜通過UV-A光(350~400 nm) 照射后可重復(fù)使用，ROS的生成不會減少。此外，在UV-A光下暴露于ZnO膜的細菌細胞顯示出破碎的形態(tài)，表明ROS促進了細菌細胞膜的破壞。

3）光催化氧化型抗菌涂層，是指在光照條件下，尤其是紫外光(UV)照射時，涂層中的光催化劑發(fā)生催化作用，提升了有機物質(zhì)氧化分解的速度和能力。最具代表性的例子是TiO2，其在UV照射下能產(chǎn)生空穴電子對，吸附在TiO2表面上H2O和-OH 被空穴氧化成羥基自由基(OH)與超氧離子自由基(O2-)等強氧化劑，其活性非常高，可以將細菌有機物氧化分解，從而發(fā)揮殺菌抑菌作用。

2.2 有機高分子抗菌涂層

有機高分子抗菌涂層能夠克服有機小分子抗菌劑的缺點，具有廣譜、高效、無毒、可重復(fù)利用等優(yōu)勢。目前有機高分子抗菌材料的制備方法主要有功能單體直接聚合、修飾或改性聚合物、修飾或改性天然殼聚糖以及分離、模擬和改性抗菌多肽四種。有機高分子抗菌涂層主要分為聚合殺菌劑，殺菌型聚合物和釋放殺菌劑型聚合物三類。

1）聚合殺菌劑是基于重復(fù)單元為殺菌劑的聚合物，即聚合物恰好是多種相互連接的殺菌劑聚合而成，這類殺菌劑的作用類似于單體。例如Bor-Shiunn Lee等[29]將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分別接枝到聚甲基丙烯酸羥乙基酯（pHEMA）和聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA），將樣品置于新的TSB（胰蛋白酶大豆液體培養(yǎng)基）中進行檢測，其結(jié)果顯示大腸桿菌和變形鏈球菌在PMMA-pHEMA和PMMA-PEGMA上的OD600和CFU/ml值均低于PMMA，這表明接枝后二者的抗菌效果與PMMA相比，這兩種表面對大腸桿菌和變形鏈球菌的黏附有顯著抑制作用。

2）殺菌型聚合物，其抗菌活性成分由整個大分子體現(xiàn)，不具備單體式的抗菌重復(fù)單元。例如裴麗霞等[30]通過使用季銨鹽改性活性炭使活菌迅速死亡，其殺菌原理是溶解細胞膜從而導(dǎo)致細菌死亡。該種抗菌表面經(jīng)循環(huán)使用10次后，殺菌率達到99%，保持著很好的殺菌性能。

3）釋放殺菌劑型聚合物不通過實際的聚合物部分起作用，取而代之的是作為生物殺傷劑的載體，以某種方式釋放轉(zhuǎn)移殺菌劑到細菌細胞。這樣的聚合物活性很高，可以在接近細胞時在局部高濃度地釋放抗菌劑來殺傷細菌。來自天然來源茶葉的茶多酚表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗菌性能[31]。Kenawy 等[32]則模擬合成了這些天然聚合物，并進行研究發(fā)現(xiàn)，該聚合物涂層發(fā)揮抗菌功效必須依賴于涂層釋放的酚類物質(zhì)殺死微生物細胞。

2.3 復(fù)合抗菌涂層

復(fù)合抗菌涂層是將不同的抗菌劑復(fù)合到某一種材料中，解決了單一抗菌劑的某些缺點，充分發(fā)揮不同抗菌劑的抗菌性能，完善材料的抗菌效果。目前主要有無機/無機復(fù)合抗菌材料、無機/有機復(fù)合抗菌材料和有機/有機復(fù)合抗菌材料三種。

LEONARD D. Tijing等[33]通過一步靜電法制備電氣石（TM）納米顆粒（NPs）修飾聚氨酯（PU）復(fù)合納米纖維，該纖維繼紅細菌在培養(yǎng)一定時間后進行檢測，結(jié)果顯示與純PU納米纖維無任何抗菌活性相比，該種抗菌涂層對大腸桿菌和鏈球菌都表現(xiàn)出較強的抗菌活性，且隨著TM/NP含量的增加，抑菌效果更佳明顯。

申玉璞等[34]研究探討了對萘磺酸鈉修飾的石墨烯基納米銀復(fù)合抗菌材料的制備及性能。首先制備了石墨烯基納米銀復(fù)合材料，采用1-萘磺酸鈉修飾，得到AgNP /rGO-NA，然后通過與聚乙烯吡咯烷酮做保護劑的納米銀( PVP /Ag-NP)的比較，分析其穩(wěn)定性，抗菌活性，細胞毒性。研究發(fā)現(xiàn)，24 h內(nèi)AgNP對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均為88.9%，而24 h內(nèi)AgNP/rGO-NA對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率分別98.6%和98.9%。這是因為 AgNP/rGO-NA不僅是石墨烯和銀離子所具有的抗菌活性的簡單相加，更是因為石墨烯材料所具備的獨特性能才能使銀離子產(chǎn)生更強的抗菌性能。

王冰等[35]研究了有機硅季銨鹽和殼聚糖季銨鹽抗菌劑的抑菌活性以及兩種抗菌劑復(fù)配后的抑菌性能。對革蘭陰性菌的抑菌實驗結(jié)果表明，有機硅季銨鹽對大腸桿菌的最低抑菌濃度均為0.032 4 mg·mL-1; 殼聚糖季銨鹽對大腸桿菌的抑菌濃度為0.07 mg·mL-1，抑菌率為99.54%。殼聚糖季銨鹽與有機硅季銨鹽濃度配比為0.5∶0.5時，40 ℃水浴處理30 min，作用于大腸桿菌 20 min，抑菌率達到98.68%。與單獨使用相比，有機硅季銨鹽與甲殼素季銨鹽復(fù)配后可以提高對致病菌的抗菌活性,并且具有殺菌時間短、見效快、抑菌率高等優(yōu)點。

3 展望

近年來，人們的健康意識提高，對于抗菌材料的需求更加迫切及多元化，但是當(dāng)前市場上可供使用的抗菌材料卻非常有限，因此需要將未來的研究重點放在抗菌材料的研究上。目前，復(fù)合型抗菌涂層以及有機高分子抗菌涂層是近年來應(yīng)用較多、抗菌效果更好的兩類涂層材料，其在未來相對具有良好的發(fā)展前景。但就目前來看，未來需要加大科研開發(fā)力度，研發(fā)出制作工藝更加簡單、性質(zhì)更加穩(wěn)定、安全性更高、抗菌性能更好、使用周期更長，并有良好的生物相容性等特點的材料，為人類生物醫(yī)療材料開闊應(yīng)用前景。

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Research Progress of Dual-Pattern Antibacterial Coating

1,2,2,2,2

（1. Zhejiang Taide New Material Co., Ltd., Lishui Zhejiang 323000, China; 2. Zhejiang Lishui University, Lishui Zhejiang 323000, China）

Bacterial contamination refers to the irreversible attachment of bacteria on the surface of materials and the eventual formation of biofilms, which has a great negative impact on human life and health and the use of materials. At present, in view of bacterial contamination, scientific researchers have designed a series of materials based on three kinds of antimicrobial mechanisms: bactericidal type, antibacterial adhesion and release antimicrobial type, their advantages and disadvantages are obvious. Among them, the main disadvantages of these materials are short acting time and effective antimicrobial.Based on this, the development of dual-antibody functional materials with two antimicrobial mechanisms becomes the key to solve the problem. In this paper, the current development of dual-resistance antimicrobial materials was introduced, the characteristics of each material was described, and the sterilization principle of each material was discussed. Finally, the future development of dual-resistance antimicrobial materials was prospected.

Antibacterial ; Antiadhesion ; Biofilm ; Polymer

2020-06-08

陳國銘（1968-），男，浙江省麗水市人，1991年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，研究方向：功能材料。

趙錦（2000-），女，研究方向：高分子材料。

TQ050.4

A

1004-0935（2020）07-0867-05