當(dāng)細(xì)菌遭遇納米材料

薛斌

在我們生活的世界上，細(xì)菌無處不在。大多數(shù)細(xì)菌都是可以與我們和平共處的，但也有一小部分致病細(xì)菌，比如大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、綠膿桿菌、沙門氏菌和肉毒桿菌等，嚴(yán)重威脅著人類的健康。近年來印度、日本等國家出現(xiàn)的多種抗生素都無法殺死的“超級細(xì)菌”，如同在提醒我們，細(xì)菌并沒有繳械投降。值得慶幸的是，納米材料的出現(xiàn)為人類與細(xì)菌的新較量帶來了希望。

既古老又年輕的納米材料

納米是長度計(jì)量單位，1納米是十億分之一米，1根頭發(fā)的直徑約為6萬納米。在三維空間里至少有一個(gè)維度處在1～100納米范圍內(nèi)的材料，或者由這一類材料作為基本單元組裝而成的材料稱之為納米材料，也被叫作超微顆粒材料。

納米材料是一類古老而新型的材料，說它古老是因?yàn)槿祟悮v史上很早就在使用納米材料，比如中國古代制墨時(shí)，多用松木燒出煙灰作原料，而墨的松煙就是零維的碳納米顆粒;說它新是因?yàn)榭茖W(xué)家們正在用各種先進(jìn)的新技術(shù)制造納米材料，并且發(fā)現(xiàn)了它的許多奇特性質(zhì)和應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)納米材料的形狀特征，可以把它劃分為零維、一維、二維和三維等四類。

零維納米材料包括量子點(diǎn)、納米球等，金（Au）納米粒子便屬于這個(gè)范疇。一維納米材料包括納米棒、納米管等，典型的例子有碳納米管。二維納米材料包括納米片，典型的例子是石墨烯。三維納米材料通常是由以上低維納米材料作為構(gòu)筑單元組裝而成，包括海膽形、花球形等，構(gòu)成貝殼的碳酸鈣就屬于三維納米材料。

零維納米材料——納米球一維納米材料——納米棒二維納米材料——納米片花球形的三維納米材料

納米抗菌材料大盤點(diǎn)

納米材料由于尺寸極小，產(chǎn)生了許多傳統(tǒng)材料并不具備的物理和化學(xué)特性，這些特性賦予了納米材料抗菌的功能。又由于納米抗菌材料可以同時(shí)作用于多個(gè)細(xì)胞靶點(diǎn)，讓細(xì)菌短時(shí)間內(nèi)不會產(chǎn)生顯著的突變，從而降低了細(xì)菌獲得耐藥性的機(jī)會，體現(xiàn)出了納米抗菌材料的優(yōu)越性。

那么納米抗菌材料是怎樣工作的呢？原來，納米抗菌材料有許多鋒利的棱角和邊緣，就像一把把“納米刀”，一旦細(xì)菌與之接觸，就會被刺破細(xì)胞膜，造成內(nèi)容物流出，進(jìn)而被殺死。自然界中，蟬翼表面就存在納米棒狀陣列結(jié)構(gòu)，這些納米棒就像排列整齊的鋼針一樣，對附著在上邊的細(xì)菌有很好的殺滅效果。

納米抗菌材料與細(xì)菌接觸后會誘導(dǎo)其細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而使細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA等成分被氧化破壞。有些情況下納米抗菌材料也會使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫和單線態(tài)分子氧等活性氧物種，這些物質(zhì)的過度累積會造成細(xì)菌細(xì)胞的凋亡。

納米材料還存在光熱效應(yīng)，即擁有把光轉(zhuǎn)化為熱的能力。例如金（Au）納米顆粒和硫化鉬（MoS?）納米片就可以吸收對人體組織具有較好穿透性的近紅外光，產(chǎn)生的熱可以殺滅體內(nèi)的細(xì)菌以及腫瘤細(xì)胞，因此這些納米材料又被稱為“光熱抗菌劑”。

半導(dǎo)體材料的光催化作用也是殺菌的重要途徑。經(jīng)常出現(xiàn)在防曬霜中的二氧化鈦，治療皮炎的藥膏里含有的氧化鋅，就是典型的金屬氧化物半導(dǎo)體材料。納米尺寸的二氧化鈦和氧化鋅被紫外光激發(fā)后，產(chǎn)生的光生電子和空穴可以與水或氧氣分子結(jié)合產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的活性氧物種，細(xì)菌會被這些物質(zhì)氧化殺死。但這類材料的局限性在于，它們只能被紫外線激發(fā)，紫外線在太陽光譜中的比例很小，而且紫外線會對人體皮膚造成損害。

納米尺寸的金屬顆粒由于表面原子大量暴露，增加了這些原子的活潑性，因此可以使表面原子失去電子的過程變得更容易，從而緩慢地釋放出金屬離子。這些金屬離子可以穿過細(xì)菌的細(xì)胞膜破壞細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，從而引起細(xì)菌的死亡。而金屬銀（Ag）和銅（Cu）本身就是很好的抗菌材料，這也是古往今來銀質(zhì)餐具和銅質(zhì)把手受到歡迎的原因。既可以彰顯氣派，又可以殺菌消毒。得益于這一先天優(yōu)勢，納米尺寸的銀和銅顆粒在抗菌方面更可以大顯身手。其實(shí)，日常生活中接觸到的納米銀抗菌噴劑以及納米抗菌洗衣機(jī)正是利用的這個(gè)原理。

2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)明星納米材料石墨烯就是綜合利用了多個(gè)抗菌機(jī)理。石墨烯最初是由科學(xué)家通過膠帶從石墨（鉛筆芯的主要成分）表面剝離下來的，結(jié)構(gòu)上它是由單層碳原子排列成的無數(shù)個(gè)六邊形相連構(gòu)成，相當(dāng)于單層的石墨，屬于二維碳納米材料。石墨烯具有鋒利的邊緣、巨大數(shù)量的表面暴露原子，既可以作為 “納米刀”，又可以使細(xì)菌產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時(shí)還可以作為“支撐體”和“穩(wěn)定器”與其他納米材料構(gòu)成復(fù)合物，發(fā)揮協(xié)同作用提高抗菌效果。

?被納米抗菌材料鋒利的棱角和邊緣刺破的細(xì)菌

當(dāng)納米材料“闖進(jìn)”醫(yī)療領(lǐng)域

納米材料一方面利用仿生學(xué)原理將醫(yī)療器械表面進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)圖案化處理，比如仿照鯊魚、海星、壁虎、鯨的皮膚構(gòu)造制造納米尺寸的凸起、凹坑、柱體、溝槽，以防止細(xì)菌在其表面黏附，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的被動(dòng)防御。另一方面可以在醫(yī)療器械表面包覆具有殺菌功能的納米材料，實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌的主動(dòng)殺滅。這兩方面的綜合運(yùn)用，可以有效提高介入性醫(yī)療器械在抗感染方面的安全性。

水凝膠是由聚合物“鏈條”通過物理或化學(xué)相互作用交聯(lián)而成的極易吸收水分的3維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。具有高水溶脹性、高透氧性、較好的生物相容性、易于負(fù)載可控釋藥物等特性。水凝膠既可以在發(fā)達(dá)的孔道中負(fù)載具有抗菌活性的無機(jī)納米顆粒，比如銀、銅、氧化鋅和二氧化鈦等，也可以負(fù)載抗生素，又可以與石墨烯等碳納米材料形成復(fù)合抗菌水凝膠，還可以通過精心選擇聚合物單體和交聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)對水凝膠親水性和孔隙率的精確調(diào)控，以改善其本身的抗菌活性。

納米二氧化鈦的抗菌原理示意圖

這些策略的協(xié)同作用可以有效延長水凝膠抗菌材料的抗菌時(shí)效、增強(qiáng)它的機(jī)械強(qiáng)度、進(jìn)一步改善它的生物相容性。正因如此，抗菌水凝膠廣泛應(yīng)用于傷口護(hù)理、治療口腔感染、胃腸道感染、骨髓炎及加工隱形眼鏡等領(lǐng)域。

納米銀抗菌噴劑??石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)（圖片來源 / 維基百科）

?壁虎腳仿生材料（圖片來源/《先進(jìn)材料》雜志）??智能仿生眼（圖片來源/《先進(jìn)材料》雜志）

相信伴隨著科學(xué)家對納米材料的深入研究，人類會發(fā)現(xiàn)越來越多的新型納米抗菌材料，對納米抗菌材料的特性產(chǎn)生更全面的認(rèn)識。未來的納米抗菌材料會在創(chuàng)傷愈合、組織及器官移植、食品保鮮等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

納米抗菌材料的未來應(yīng)用（包括創(chuàng)可貼、手術(shù)刀、人工關(guān)節(jié)、心臟支架、導(dǎo)尿管、義齒、保鮮膜等）

知識拓展

水凝膠科技最新進(jìn)展

2020年11月，材料學(xué)期刊《先進(jìn)功能材料》上發(fā)表了關(guān)于具有雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗菌水凝膠的研究論文。這種水凝膠以天然瓊脂糖與聚肽為原料，通過酶催化偶聯(lián)反應(yīng)與溫度調(diào)控的氫鍵驅(qū)動(dòng)凝膠化反應(yīng)一鍋法得到。研究表明該水凝膠本身即具有抗菌能力，此外瓊脂糖的天然屬性賦予了它優(yōu)異的生物相容性，瓊脂糖緊密的螺旋結(jié)構(gòu)保證了它良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，羰基基團(tuán)與生物組織的化學(xué)作用則賦予了它獨(dú)特的黏附特性。2020年12月，化學(xué)期刊《ACS納米》上報(bào)道了一種多功能抗菌水凝膠。該工作受到海洋貽貝粘附時(shí)發(fā)生的兒茶酚反應(yīng)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了以環(huán)境友好的生物質(zhì)材料木質(zhì)素為原料的水凝膠綠色合成路線?？咕钚栽u價(jià)實(shí)驗(yàn)表明該水凝膠對革蘭氏陽性和陰性菌都具有顯著的抑制作用。并且這種水凝膠還具有其它特點(diǎn)，包括堅(jiān)固而富有彈性、能粘附于皮膚組織及其他各種表面、有自修復(fù)能力等。

（責(zé)任編輯 / 陳天昊? 美術(shù)編輯 / 李子夜）