納米纖維素結合銀納米粒子用于抗菌材料的研究進展

劉鵬濤，王 聰，欒云浩，劉婉嫕，李宇航，曹 慧

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457)

納米纖維素是地球上最豐富的天然高分子化合物[1]，根據(jù)纖維尺寸及制備方法的不同將納米纖維素分為纖維素納米晶體(CNC)、纖維素納米纖維(CNF)和細菌納米纖維素(BNC)．納米纖維素具有很多優(yōu)異的理化性質，如具有低密度(約1.6g/cm3)、高拉伸強度(130～150GPa)、高比表面積(＞100m2/g)、可生物降解并且可再生等優(yōu)點，屬于綠色生物質資 源[1–2]．納米纖維素被廣泛應用于水凝膠、氣凝膠、生物醫(yī)藥、光電材料、納米復合材料等領域[3]．其中，納米纖維素基復合材料，如醫(yī)用抗菌敷料、抗菌包裝材料以及水處理材料得到了科研人員的廣泛研究．

由于金屬納米粒子獨特的光學、電學和生物學特性，使得它們在眾多領域中脫穎而出，例如催化[4-5]、生物傳感[6-7]、抗菌[8-9]和藥物遞送等領域[10-11]．在不同的金屬納米粒子中，銀納米粒子的研究最為廣泛．針對不同類型的病原體，如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎桿菌等，銀納米粒子對其均具有顯著的抗菌活性．銀系抗菌材料屬于無機抗菌劑的一種，具有低毒、耐熱、抗菌持久和廣譜抗菌等優(yōu)點，可廣泛應用于生物醫(yī)學領域[12]．但是，由于銀納米粒子極其微小、很容易團聚，抗菌性能會由此受到影響．因此，將納米銀負載在無機氧化物或高分子材料上，使其均勻分布，有助于保持良好的抑菌效果．

纖維素材料不僅可以提供豐富的微孔作為微反應器以合成銀納米粒子并抑制其聚集，還可以為抗菌活性分子的接枝提供豐富的含氧基團．因此，纖維素可以用于固定銀納米粒子和其他抗菌活性分子，以增強抗菌性能．本文主要綜述近年來新興的納米纖維素結合納米銀粒子制備抗菌材料及其在抗菌領域的應用，同時對未來發(fā)展趨勢進行展望．

1 納米纖維素結合銀納米粒子復合抗菌材料的制備方法

納米纖維素具有優(yōu)異的機械性能、化學反應性能、可降解性和生物相容性[13]，但自身不具備抗菌性，通常采取抗菌劑與納米纖維素結合的方式制備抗菌復合材料．納米纖維素具備網(wǎng)絡結構，其分子鏈上含有大量的羥基，在水中會帶有大量的負電荷[14]，對銀離子有吸附功能，因此可以作為負載銀離子的基體．同時，改性的纖維素還能作為穩(wěn)定劑和還原劑．利用銀納米粒子及其化合物獨特的抑菌和殺菌性能以及廣譜抗菌活性優(yōu)勢，通過原位還原法、原位氧化聚合法、水熱還原法和靜電自組裝等方法可以制備抗菌性優(yōu)異的復合材料．

1.1 原位還原法

原位還原法一般是在浸漬、沉淀等制備過程中發(fā)生還原，使得還原產(chǎn)物附著在纖維素網(wǎng)絡結構上，此方法使得抗菌劑粒子分散均勻．在原位還原方法中，利用硼氫化物的還原作用可以制備相對分散的銀粒子[15]．Wan等采用原位還原法制備CNF/AgNPs復合氣凝膠，示意圖如圖1[16]所示．以具有強還原性的硼氫化鈉還原銀離子，制備平均粒徑約為7.83nm的銀納米粒子，并將其均勻包埋在CNF氣凝膠中．氣凝膠具有致密的孔隙結構，可以對生成的納米銀粒子起到很好的分散作用．Wu等[17]發(fā)現(xiàn)纖維素上豐富的羥基使得銀納米粒子易于原位結合；先將純化的纖維素膜在Tollens試劑中浸泡24h，使得[Ag(NH3)2]+通過化學鍵附著到納米纖維上，反應中[Ag(NH3)2]+作為弱氧化劑，與纖維素鏈C6位置上的具有還原性的羥基發(fā)生氧化還原反應，使得銀納米粒子在納米纖維素納米孔中生成，形成銀納米粒子/納米纖維素復合物．Feng等[18]通過TEMPO(2，2，6，6–四甲基哌啶–1–氧基)的氧化反應將羧基引入到納米纖維素上，將改性纖維素浸泡在硝酸銀溶液中，用檸檬酸鈉作為還原劑，并通過離子交換反應得到銀納米粒子錨定的納米纖維素．

圖1 利用原位還原法制備CNF/AgNPs復合氣凝膠示意圖 Fig. 1 Schematic diagram of CNF/AgNPs composite aerogel prepared by in-situ reduction method

1.2 原位氧化聚合法

原位氧化聚合一般不使用還原劑，直接利用原料自身的氧化還原性質制備負載銀的復合抗菌材料．Babu等以吡咯和硝酸銀為原料，通過原位氧化聚合制備纖維素基聚吡咯/銀復合材料的反應機理如圖2[19]所示．制備反應中，銀離子作為氧化劑氧化吡咯單體，自身被還原為銀納米粒子．銀和聚吡咯之間是通過吸附或者靜電相互作用相結合．

圖2 利用原位氧化聚合法制備纖維素基聚吡咯/銀復合材料示意圖 Fig. 2 Preparation of cellulose-based polypyrrole/silver composites by in-situ oxidation polymerization

Wan等[20]以綠色廉價的氫氧化鈉/聚乙二醇溶液為纖維素溶劑，使用銀離子(固定在納米纖維素的羥基上)作為氧化劑誘導氣態(tài)吡咯的原位氧化聚合，將纖維素水凝膠與聚吡咯和銀納米粒子成功結合，進而冷凍干燥得到抗菌氣凝膠．Ghadim等[21]采用原位氧化聚合技術制備了聚吡咯/銀納米復合材料，并且測試表明材料具有優(yōu)異的導電性，同時也可以在抗菌材料領域發(fā)揮其作用．

1.3 水熱還原法

水熱還原法是一種理想的適合晶體生長的方法，可以用來制備金屬和金屬氧化物等固體粉末，它是一種綠色、經(jīng)濟且可持續(xù)的方法．Yu等[22]利用水熱還原的方法，將銀納米粒子固定在纖維上；在實驗中，配體纖維素既作為還原劑又作為穩(wěn)定劑，這使得工藝流程更加綠色經(jīng)濟．Ye等[23]基于纖維素水凝膠獨特的三維微納米多孔結構，提出了利用水熱還原法將銀納米粒子引入纖維素氣凝膠的方法，圖3[23]展示了纖維素與纖維素/納米銀復合氣凝膠宏觀結構及分子結構；實驗中將纖維素水凝膠浸入硝酸銀水溶液中達到平衡，并在80℃下加熱24h，之后通過冷凍干燥獲得纖維素/納米銀復合氣凝膠．基于納米纖維素上的羥基對金屬離子具有還原能力的性質，Yang等[24]提出了一種綠色環(huán)保的方法制備銀納米粒子；實驗中采用水熱還原法，以纖維素為還原劑和穩(wěn)定劑，在不引入任何其他化學試劑的條件下，采取綠色工藝制備出細菌纖維素/銀納米粒子復合材料．同時，該方法也可以擴展到其他纖維素復合材料的合成中，特別是那些與人體直接接觸的材料，如醫(yī)療器械、自殺菌紡織品、水凈化裝置和食品包裝．

圖3 利用水熱還原法制備纖維素/納米銀復合氣凝膠的流程及結構示意圖 Fig. 3 Process and structure diagram of preparation of cellulose/nano-silver composite aerogel by hydrothermal reduction method

1.4 靜電自組裝法

靜電自組裝法也可以制備出穩(wěn)定的納米纖維素/納米銀復合材料．靜電自組裝是利用帶相反電荷的聚電解質之間的靜電作用制備復合薄膜的技術，不依賴化學鍵的產(chǎn)生，同時也不受基體材料形狀的限制．Martins等[25]采用靜電自組裝的方法制備了納米纖維素/銀復合材料，用聚電解質作為大分子連接物結合納米纖維素和銀納米粒子，形成了CNF/聚電解質/Ag層層組裝，賦予了納米纖維素抗菌性能．

在以上總結的幾種制備方法中，原位還原法是一種常見且經(jīng)濟的方法，同時硝酸銀常被用作銀離子前體．原位還原法對銀粒子粒徑的控制更加精準．在合成過程中更應該重視綠色還原劑，例如植物提取物(鐵杉葉提取物、花青素、葡萄糖、維生素E以及水果中的酚類物質等)的研發(fā)和使用．

2 復合材料在抗菌領域的應用

由于水污染、空氣污染和生物氣溶膠(細菌、病毒和真菌)引起的微生物感染問題以及細菌微生物抗性菌株的出現(xiàn)，人類的健康仍然面臨著巨大的威脅，例如常見的呼吸系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)疾病等[26]．這些問題可以通過某些預防機制進行解決，水凈化過濾膜、抗菌口罩、創(chuàng)傷敷料和其他抗菌材料都可以防止病菌污染以及接觸性細菌感染．納米銀復合抗菌材料對細菌具有多方面作用機制，并使得細菌難以產(chǎn)生抗性[27]．銀納米粒子的殺菌作用主要歸因于銀離子從銀納米粒子表面釋放，并且銀離子可以滲透到細菌細胞中[28]，殺菌機制歸因于兩個作用過程的結合：(1)銀離子與蛋白質中巰基相互作用，使得蛋白酶失活，誘導細菌死亡；(2)銀離子與細菌DNA的相互作用，使DNA分子鏈變形，阻止DNA復制．

2.1 醫(yī)用抗菌敷料

納米纖維素是一種天然生物聚合物[29]，具有高親水性、優(yōu)異的生物相容性、高強度和高化學純度等性質．以納米纖維素為原料制備新型醫(yī)用敷料受到人們越來越多的關注，Ye等[23]通過冷凍干燥的方法構建了纖維素/納米銀復合氣凝膠．材料促進傷口愈合的可能機制如圖4[23]所示，氣凝膠的連通孔不僅可以作為微反應器合成銀納米粒子，還可以抑制銀納米粒子的聚集，使得銀納米粒子能夠更好地緩釋．同時，纖維素氣凝膠豐富的三維多孔結構展示出優(yōu)異的透氣性，并為滲出物的吸收提供了通道．實驗證實銀納米粒子增強了抗菌活性，同時也促進了傷口的愈合. Wu等[17]利用原位還原法將銀納米粒子負載到納米纖維素上，纖維素的網(wǎng)絡結構可防止銀納米粒子的脫落，從而毒性降至最低．盡管材料中銀離子釋放緩慢，但是對大腸桿菌(E. coli)、黃金色葡萄球菌(S. aureus)和銅綠假單胞菌仍然表現(xiàn)出顯著的抗菌活性．此外，復合材料允許表皮細胞的附著和生長，沒有出現(xiàn)細胞毒性，具有抗炎和促進傷口愈合的作用．眼部細菌感染在世界各地都很常見，病菌會破壞眼部微環(huán)境，導致視力殘疾甚至失 明[30]．Yan等[31]開發(fā)了含納米纖維素和銀納米粒子的聚乳酸纖維膜眼部繃帶，以殺滅感染性病原體并促進細胞增殖，避免長期用藥和重復用藥；由于銀納米粒子的植入，復合材料對E. coli和S. aureus的抑菌率可達95%以上，對大多數(shù)鐮刀菌也有突出抗性，顯示出在眼部傷口愈合中的潛在應用前景．

圖4 纖維素/納米銀復合氣凝膠材料促進傷口愈合的可能機制 Fig. 4 Possible mechanism of cellulose/nano-silver composite aerogel material promoting wound healing

2.2 抗菌包裝材料

為了延長食品的貨架期，抗菌包裝材料的研究受到了越來越多的關注[32]．纖維素作為最豐富的自然資源，因其優(yōu)異的生物相容性、無毒和可持續(xù)性受到了廣泛的關注[2]，與使用最廣泛的聚乙烯材料相比，纖維素抗菌材料在自然環(huán)境中易降解，綠色無污染．銀納米粒子與納米纖維素結合可以限制納米粒子的遷移，保證包裝材料在使用過程中的安全性．

載銀納米纖維素復合包裝材料已經(jīng)被科學界廣泛研究．Sarwar等[33]采用溶液流延法制備聚乙烯醇/納米纖維素/銀納米復合膜，并對復合膜的抗菌性進行評估，復合膜對HepG2細胞無細胞毒性作用，細胞存活率達90%以上；該復合膜具備生物降解性，可以將其用于食品包裝領域．Zhu等[34]利用含硫醇的硅烷化紙漿纖維，通過原位固定銀納米粒子，制備銀納米粒子包覆的紙漿纖維；隨后使用交替過濾方法制備夾層狀銀漿/CNF復合紙；這種纖維素復合紙具有制備簡單、分離效率高、耐久性好、抗菌性好等優(yōu)點，在抗菌包裝方面具有潛在的應用價值．Jiang等[35]以銀氨溶液為銀前驅體，玉米稈為綠色還原劑和碳前驅體，使纖維素對銀納米粒子和碳球進行錨定，得到抗菌復合紙，該復合紙的合成及抗菌圖解見圖5[35]；獲得的CNF/AgNPs/CS復合紙顯示出對E. coli和S. aureus的優(yōu)異抗菌性能．由于錨定效應，9d內CNF/AgNPs/CS的銀累積釋放率僅為6.7%，這可以避免產(chǎn)生累積毒性問題，因此該復合紙在抗菌領域具有潛在的應用前景．

圖5 納米纖維素/水熱碳球固定化銀納米粒子復合紙的合成及抗菌圖解 Fig. 5 Synthesis and antibacterial diagram of nanocellulose/hydrothermal carbon stalk immobilized silver nanoparticle composite paper

2.3 水處理材料

水基微生物污染是一個全球性的水質問題[36]，水資源短缺的壓力越來越大，納米纖維素基抗菌材料用于廢水處理的研究也越來越多．碳纖維材料已廣泛應用于水處理領域，但是這種材料的缺點是細菌在其表面繁殖可能會導致水質惡化[37]，因此，銀納米粒子改性的納米纖維素抗菌材料的制備受到了研究者的廣泛關注．然而，銀納米粒子的使用也可能存在健康風險．有研究表明，銀納米粒子的毒性主要是由從銀納米粒子中浸出的銀離子所引起的，毒性的強度依賴于浸出離子的濃度[38]．因此，復合材料不僅要具備優(yōu)異的抗菌性，還需要具備使用安全性．Bo等[39]在N2流動環(huán)境下，通過直接熱解吸附硝酸銀的細菌纖維素(BC)，合成均勻分布銀納米粒子的碳化細菌纖維素(CBC)．如圖6[39]所示，實驗中硝酸銀用作銀前體，BC作為模板和Ag+還原劑的前體．實驗測得含銀量為1.9% 的Ag@CBC對S. aureus的最低抑菌濃度為12μg/mL，對E. coli的最低抑菌濃度為8μg/mL，在水凈化方面具有很好的應用前景．Zahid等[40]開發(fā)了一種環(huán)境友好的一鍋法，使用生物相容性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為還原劑，在CNC上沉積銀納米粒子．該方法顯示了銀納米粒子在CNC上的均勻原位沉積．制備納米復合物(CNC/PVP/Ag)有良好的水膠體穩(wěn)定性(8個月)和抗菌活性(對E. coli和S. aureus的最低抑菌濃度分別是12.5μg/mL和25μg/mL)，且在兩次水過濾循環(huán)后，仍保持高效的細菌過濾性能(大腸桿菌生存力降低100%)．

圖6 納米銀錨定在CBC(Ag@CBC)中的制備方案 Fig. 6 Preparation scheme for nanostructured silver anchored in CBC(Ag@CBC)

3 展 望

近年來，納米纖維素已被越來越多地用于生物基材料，與納米銀粒子結合可以使復合材料具有持久的抗菌性．同時，隨著整個社會健康意識的不斷加強，人們對抗菌產(chǎn)品的需求變得更加迫切和多樣化．但是，市場上能夠滿足人們需要的抗菌材料種類十分有限．未來需要開發(fā)低成本、綠色安全、高效廣譜抗菌、符合生活廣泛需求的抗菌材料．要推廣和應用纖維素抗菌材料還需要提高研究的深度和廣度：

(1)載銀復合抗菌材料結論性的安全性、抗菌持久性以及良好的生物相容性尚未在動物模型中得到系統(tǒng)性的評估．因此，臨床應用之前，需要對抗菌材料進行額外的實驗，例如測試醫(yī)用抗菌敷料對人體pH、溫度、濕度以及傷口感染程度的要求．另外，抗菌材料還應該具備穩(wěn)定的物理化學性質，保證抗菌材料在使用過程中的安全性．

(2)開發(fā)綠色溶劑、綠色還原劑、綠色抗菌劑以及綠色合成工藝等都可以達到綠色環(huán)保的目的，也可以進一步提高復合材料的生物安全性．對于一些銀系抗菌劑，它們的抗菌機理還未被研究清楚．因此，未來應該加大對基礎理論的研究，為抗菌材料的多功能化和產(chǎn)業(yè)化提供更多的理論支持．

(3)將銀納米粒子和其他類型抗菌劑(如天然抗菌劑和高分子有機抗菌劑等)復合使用，可以增加載銀纖維素材料抗菌的廣譜性和高效持久性．同時，可開發(fā)具有抗病毒、抗氧化等多功能的抗菌劑，以實現(xiàn)纖維素抗菌材料的多功能化及應用的廣泛性．

(4)銀納米粒子可以提高纖維素材料的抗菌效果，但同時會影響材料的力學性能，特別是在增加材料的脆性的同時會降低柔韌性．因此，對抗菌劑的選擇也值得深入研究．

(5)根據(jù)納米纖維素表面基團的化學反應活性，選擇合適的改性手段將銀納米粒子和納米纖維素穩(wěn)定結合，在使用過程中有效控制銀的緩釋，可以進一步提高材料使用過程中的安全性．開發(fā)納米纖維素的其他性能，也可以實現(xiàn)纖維素基功能材料的多方面應用．