抗菌材料的研究進(jìn)展

劉姝瑞,譚艷君,張明宇,霍倩

(1.陜西省功能材料染整創(chuàng)新工程中心,陜西西安 710048；2.東莞德永佳紡織制衣有限公司,廣東東莞523138；3.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710048；4.廣東綠紡新材料有限公司,廣東江門529000)

0 引言

抗菌材料主要指材料本身自帶抗菌性或經(jīng)抗菌處理能夠抗菌抑菌的材料,材料中的化學(xué)成分,對(duì)霉菌、細(xì)菌、病毒等微生物高度敏感,通過化學(xué)反應(yīng)、物理作用將表面的微生物殺滅或抑制其生長,從而起到抗菌作用[1]。

1 抗菌材料分類及性能研究

1.1 抗菌材料的分類

抗菌材料主要分為兩類:有機(jī)類抗菌材料、無機(jī)類抗菌材料[2]。具體分類如圖1。

圖1 抗菌材料的分類及特點(diǎn)

1.2 有機(jī)抗菌材料

1.2.1 天然有機(jī)抗菌材料

天然有機(jī)抗菌材料主要是從動(dòng)植物中提取得到,例如薄荷的提取物和蟹、蝦中提煉的殼聚糖、溶菌酶以及少部分天然礦物,雖然其耐熱性差,產(chǎn)量容易受工業(yè)條件限制,作用效果時(shí)間短,使得其在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)用得到限制,而被其他合成抗菌劑所替代。但由于其他抗菌劑的毒性、抗生素的耐藥性等原因,近年來人們又開始重視這種無毒環(huán)保、具有較好生物兼容性、來源廣泛的天然有機(jī)材料,開始在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、紡織服裝領(lǐng)域進(jìn)行大量應(yīng)用研究。

竹纖維的天然抗菌性并不亞于人工添加的化學(xué)物質(zhì),具有較好的除臭性,還可去除70%的金黃色葡萄球菌[3-4]。具有中空結(jié)構(gòu)、表面存在大量溝槽縫隙的麻纖維,可使水分迅速擴(kuò)散,破壞細(xì)菌生長環(huán)境,再加上自帶的少量酚類物,可對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌都有一定的抑菌效果[5-6]。

從植物中提取的黃酮類物質(zhì)、多酚類物質(zhì)也具有一定的抑菌效果,例如目前火爆的艾草提取物的抗菌物,草珊瑚、板藍(lán)根的提取物,以及一些中藥提取物。這些主要應(yīng)用在紡織品上,生產(chǎn)諸如抗菌黏膠、抗菌棉系列,在服裝穿著過程也有一定的抗菌效果[7]。

在天然有機(jī)抗菌材料中研究最多應(yīng)用最廣的是甲殼素、殼聚糖及其衍生物。雖然其具有優(yōu)異的抗菌性、生物兼容性、可生物降解,同時(shí)還能促進(jìn)傷口愈合,但其水溶性差,酸性條件溶解才可抗菌,且抗菌性相對(duì)較弱,無法滿足臨床、食品等更復(fù)雜的抗菌要求。

王向陽等人發(fā)現(xiàn)由于微生物細(xì)胞對(duì)殼聚糖的阻隔性,殼聚糖對(duì)乳酸菌、酵母菌、大腸桿菌的抑制作用依次減弱,同時(shí)殼聚糖進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后,可能通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜泡移動(dòng)[8]。采用4倍抑菌濃度殼聚糖處理三種菌,破壞均強(qiáng)烈。1倍抑菌濃度的殼聚糖,處理乳酸菌,可透過細(xì)胞壁,但破壞細(xì)胞膜速度較慢、強(qiáng)度較大,可強(qiáng)烈抑制細(xì)胞膜上脫氫酶；處理酵母菌,可透過細(xì)胞壁并迅速破壞細(xì)胞膜,可強(qiáng)烈抑制線粒體脫氫酶,較弱抑制溶酶體中的 β-半乳糖苷酶活性；處理大腸桿菌,不易透過細(xì)胞壁,對(duì)細(xì)胞膜脫氫酶的抑制較弱。

許俊聰?shù)热嗽诘獨(dú)夥諊?使用等離子體技術(shù),對(duì)殼聚糖材料進(jìn)行改性,得到光斑區(qū)和非光斑區(qū)表面均粗糙的改性殼聚糖材料,-CONH2占比上升,-NH2占比下降,能顯著抑制大腸桿菌,但對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌性改善較小[9]。當(dāng)改性后的殼聚糖材料與細(xì)菌接觸時(shí),細(xì)胞膜的通透性被改變,局部環(huán)境不再利于細(xì)菌生長,從而達(dá)到抑菌。有研究者將聚乙烯醇和殼聚糖采用凍融法制備無生物毒性、有生物兼容性的抗菌水凝膠,該水凝膠處理1小時(shí)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌后,無細(xì)胞存活。

1.2.2 合成有機(jī)抗菌材料

合成有機(jī)抗菌材料是在所有抗菌材料中,除金屬無機(jī)抗菌材料外應(yīng)用最為廣泛、研究最為成熟的抗菌材料,根據(jù)分子結(jié)構(gòu)可分為20幾類,目前使用最多的有季銨鹽系、雙胍系、醇醛酯醚酚系、咪唑系。

有機(jī)抗菌材料中季銨鹽類的抗菌材料使用較為廣泛。很多季銨鹽抗菌材料在紡織服裝面料已經(jīng)有大量應(yīng)用,可降解的季銨鹽類抗菌材料是當(dāng)下的研究熱門。主要有兩種,即對(duì)可降解的聚合物單體先季銨化再聚合,或先聚合再使用季銨化進(jìn)行修飾[10-14]。

除此之外,季銨鹽類的抗菌材料,還可在凝血過程中使用且有一定抗菌功能,例如,使用季銨鹽與多糖發(fā)生反應(yīng),制備陽離子淀粉(多糖衍生物)[15],淀粉的快速凝血作用,加上因淀粉被季銨鹽化后黏度增大、吸附能力提升、溶脹能力提高,同時(shí)季銨鹽基團(tuán)可起到一定的協(xié)同抗菌作用。有研究者使用季銨基團(tuán)的超親水配體對(duì)基體材料進(jìn)行處理,去調(diào)控材料的抗菌和親水性[16-17]。也可以通過引入其他基團(tuán)或聚合物進(jìn)行調(diào)節(jié),材料表面具有抗菌性、超親水、超滑等性能[18]。

季銨鹽的修飾作用也可在殼聚糖上使用,殼聚糖的抗菌作用加上季銨鹽的抗菌作用,強(qiáng)強(qiáng)抗菌,既有天然材料的生物相容性,又可引入抗菌、抗污基團(tuán),實(shí)現(xiàn)抗菌功能化改性,并有效提高天然抗菌材料的抗菌性[19]。也有研究者對(duì)抗菌聚合物表面進(jìn)行季銨化處理,再經(jīng)硝酸溶液處理,而后使用聚多巴胺對(duì)聚合物表面進(jìn)行粘合修飾,制備出對(duì)革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌均有較高抗菌性的廣譜抗菌涂層,可用于一些護(hù)理產(chǎn)品、醫(yī)療器械的表面抗菌涂層整理[20-21]。

因PVA (聚乙烯醇) 可生物降解、抗菌性優(yōu)異,近幾年成為了抗菌材料的研究熱點(diǎn),但其與基體兼容性不佳、負(fù)載抗菌劑分散困難,同時(shí)與其他抗菌材料配合使用降低力學(xué)性能,所以受到了一定的應(yīng)用限制[22]。

周雯婷使用聚乙烯醇接枝胍鹽低聚物 (PHMG),并按比例與明膠混合,制備出可抑制99%的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌水凝膠復(fù)合材料敷料AHD,聚乙烯醇和PHMG在抗菌時(shí)發(fā)生協(xié)同作用,促進(jìn)了抗菌效果[23]。

石玉青合成了對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌有優(yōu)異殺菌效果的改性聚乙烯醇膜,他是將N,N-亞甲基雙丙烯酰胺( MBA)與聚乙烯醇的分子鏈共價(jià)交聯(lián),發(fā)生氯化反應(yīng),不僅有優(yōu)異的滅菌效果,同時(shí)解決了聚乙烯醇膜在水中易溶解的障礙,儲(chǔ)存穩(wěn)定性提高[24]。

1.3 無機(jī)抗菌材料

無機(jī)抗菌材料是以無機(jī)材料為載體,與具有抗菌性的銀、銅、鋅等過渡金屬的離子、氧化物或光催化材料(ZrO2、TiO2)等復(fù)合而成的抗菌產(chǎn)品,大多為比表面積大的納米級(jí)材料,以達(dá)到優(yōu)異的抗菌效果[25-26]。其抗菌效果與抗生素、陽離子聚合物相比,效果穩(wěn)定,抗菌性也更佳,主要有金屬及其氧化物抗菌材料、光催化類抗菌材料、復(fù)合無機(jī)抗菌材料。

無機(jī)抗菌材料主要通過三種方式抗菌,第一種是金屬元素直接接觸細(xì)菌,對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞膜、細(xì)胞壁進(jìn)行作用,破壞細(xì)胞壁、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),使得內(nèi)部物質(zhì)溶出,從而達(dá)到抑菌；第二種是帶有金屬元素的抗菌材料在溶液中溶出,一些尺寸較小的金屬元素可透過細(xì)胞膜滲透進(jìn)細(xì)胞內(nèi)部,作用于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì),發(fā)生反應(yīng),從而失活,以達(dá)抗菌；第三種是使用納米級(jí)材料的活性氧殺菌,在光照條件下,催化激活自身的氧氣、水,發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生具有高化學(xué)活性的和·OH,通過催化氧化方式,作用于細(xì)胞內(nèi)物質(zhì),破壞細(xì)菌繁殖,殺滅細(xì)菌,主要使用TiO2、ZnO納米材料[27]。

1.3.1 金屬抗菌材料

金屬抗菌材料方面,離子型抗菌目前應(yīng)用研究及應(yīng)用最為廣泛,應(yīng)用最廣的銀系離子抗菌,例如目前常用的杜邦公司生產(chǎn)的納米銀抗菌劑930、納米銀抗菌劑960；其次是銅系抗菌材料。其他金屬離子的抗菌有,替代型抗菌鈰、鎵,其他金屬離子鎂,也有一定的抗菌性[28]。納米銀抗菌材料主要通過輻射法、多糖法、生物法、Tollens試劑法、多金屬氧酸鹽法進(jìn)行合成,具有小尺寸,具有表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng),不僅可以應(yīng)用于抗菌,也可在光學(xué)材料、磁性材料、高強(qiáng)高密材料、電子材料等領(lǐng)域應(yīng)用[29-30]。

1.3.2 金屬氧化物抗菌材料

很多金屬氧化物的納米抗菌材料,不僅可以通過滲透作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,破壞細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)抗菌效果,也可以通過催化氧化法作用于生物質(zhì),實(shí)現(xiàn)滅菌殺菌作用。這兩種抗菌方式相互連接,故催化氧化抗菌材料也可以是金屬氧化物抗菌材料。

樊婷玥等人對(duì)PP非織造材料進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑KH-560預(yù)處理,并將沉積法制備的焦硅酸銀-二氧化鈦(Ag6Si2O7-TiO2)光催化劑負(fù)載到處理后的PP非織造材料表面,所得復(fù)合光催化材料Ag6Si2O7-TiO2/PP,在可見光下,發(fā)生催化氧化反應(yīng),能抑制99.99%以上的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌[31]。

時(shí)代等人使用金屬Li+摻雜TiO2,制備納米抗菌材料,可抵抗99.5%大腸桿菌的存活,且抑菌環(huán)直徑達(dá)2.6厘米,增進(jìn)抗菌劑的光催化性能[32]。

1.3.3 復(fù)合無機(jī)抗菌材料

金峰以Fe3O4磁性納米粒子為載體,通過層層靜電自組裝,在表面構(gòu)建了聚陰電解質(zhì)海藻酸鈉和聚陽電解質(zhì)季銨化殼聚糖抗菌多層膜,并以此為模板,將銀離子還原成納米銀負(fù)載在多層膜模板上,得到可回收的雙重磁性納米粒子抗菌材料,對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有快速有效的抗菌性,且5輪循環(huán)抗菌后,仍具備較強(qiáng)的抗菌效果,同時(shí)銀納米粒子尺寸較小時(shí),復(fù)合材料抗菌性最佳[33]。

孫莉通過選擇不同種類的溶劑體系及表面活性劑,對(duì)反應(yīng)時(shí)間、溫度、體系含水量、表面活性劑的加入量、前驅(qū)物濃度等條件,進(jìn)行了探討研究,得到最佳氧化鋅、銀納米粒子及抗菌材料的制備條件,并使用大腸桿菌進(jìn)行抗菌性評(píng)價(jià)[34]。納米銀粒子抗菌材料、納米氧化鋅粒子抗菌材料均對(duì)大腸桿菌有較好的抗菌性,但均比氧化鋅-銀復(fù)合納米粒子的抗菌性稍差。納米粒子抗菌材料的最佳制備方法:前驅(qū)物硝酸銀、乙酸鋅,表面活性劑十二烷基硫酸鈉,溶劑乙醇,制備的氧化鋅-銀復(fù)合納米粒子。

1.4 復(fù)合抗菌材料

目前使用較多的是無機(jī)納米粒子的抗菌材料,但無機(jī)納米粒子比表面積大,易聚集,且部分無機(jī)納米材料的潛在的細(xì)胞毒性一直被受爭議,影響其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。天然有機(jī)抗菌材料,其來源于動(dòng)植物,生物可降解、生物相容、無毒、健康環(huán)保,但其也有自身的缺點(diǎn),例如不耐熱,作用效果短,抑菌效果不夠強(qiáng)。故將二者相結(jié)合的抗菌材料便成為時(shí)下研究的重點(diǎn)。此類研究方向一般有兩類,一類是均采用抗菌材料,將無機(jī)抗菌材料與有機(jī)抗菌材料相結(jié)合,第二類在纖維素上結(jié)合無機(jī)抗菌材料,得到纖維素基抗菌材料。

1.4.1 有機(jī)抗菌無機(jī)抗菌結(jié)合

金屬+有機(jī)骨架的抗菌材料,是一種既具有生物相容性,又具有孔隙率高、比表面積大,因融合多種抗菌方式,而使抗菌性能強(qiáng)上加強(qiáng)的一種抗菌材料。材料所含金屬離子可以與細(xì)胞膜進(jìn)行接觸,使得細(xì)胞膜通透性發(fā)生變化而破裂,從而使得細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出而殺死細(xì)胞；材料所含金屬元素,可滲透細(xì)胞膜,與細(xì)胞內(nèi)的DNA、蛋白酶進(jìn)行作用,抑制細(xì)胞生長或殺死細(xì)胞,材料所含有些金屬物存在半導(dǎo)體性,可在光照作用下,發(fā)生光催化過程,將空氣中的O2或H2O氧化成活性氧(ROS),從而產(chǎn)生抗菌效應(yīng)[35]。同時(shí)具有強(qiáng)抗菌活性和生物相容性的有機(jī)配體,和能封裝和有效運(yùn)輸納米金屬粒子、抗菌活性物質(zhì)的高孔隙率和高比表面積的抗菌材料特點(diǎn),加強(qiáng)了金屬-有機(jī)骨架材料的抗菌性。

將殼聚糖與具有抗菌活性的金屬離子相結(jié)合,既可發(fā)揮二者的抗菌效果,又可降低金屬離子的細(xì)胞毒性,目前常見的有Ag 納米粒子/殼聚糖復(fù)合材料[36]。有采用靜電紡絲技術(shù)制備對(duì)高達(dá)2厘米的布魯氏菌、牙齦卟啉單胞菌抑菌圈且生物兼容性佳的AgNPs嵌入殼聚糖薄膜[37]。有利用還原劑殼聚糖,加入AgNPs制備的對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌具有優(yōu)異抗菌性、環(huán)保的復(fù)合薄膜[38]。有采用電沉積法,合成AgNPs、羧化殼聚糖的納米復(fù)合薄膜,所得薄膜抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌圈直徑大于2.4厘米[39]。使用AuNPs對(duì)殼聚糖進(jìn)行修飾,制備抑菌圈增大、不團(tuán)聚,且可改善皮膚傷口細(xì)胞黏附性和增殖的AuNPs/殼聚糖復(fù)合膜[40]。有對(duì)AuNPs分別使用乙二醇?xì)ぞ厶?、殼聚糖進(jìn)行封端處理得到的復(fù)合抗菌材料,可有效抑制李斯特菌類的單核細(xì)胞的增生,對(duì)MRSA、大腸桿菌、腸沙門氏菌和金黃色葡萄球菌有良好抗菌效果[41]。

黃曉飛首先制備了水溶性好的改性殼聚糖,并引入無機(jī)抗菌劑納米銀離子,制備復(fù)合納米銀抗菌劑,這樣既保留了殼聚糖衍生物的低細(xì)胞毒性,又改善了其水溶性,同時(shí)增強(qiáng)了抗菌性?？蓱?yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[42]。

李平首先運(yùn)用改良Hummers制備出含大量含氧基團(tuán)、邊緣有褶皺、呈薄片層的氧化石墨烯(GO),對(duì)MB和RhB吸附復(fù)合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附性優(yōu)異,對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有較好的抑菌性。后引入磁性殼聚糖(mCs)進(jìn)行功能化合成,得到吸附性、抗菌性均增強(qiáng)的GO-mCS復(fù)合材料。其次使用PHGC(聚六亞甲基鹽酸胍)、PEG(聚乙二醇)對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行功能化改性,得到抑菌性增強(qiáng)的GO-PEG-PHGC、GO-PHGC兩種均保留了片層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,其中前者由于其分散性好,抗菌性更強(qiáng)。而后,再使用了殼聚糖和PHGC的復(fù)合物對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行功能化,制備出不易團(tuán)聚、保留片層結(jié)構(gòu)、具有強(qiáng)殺菌能力的GO-CS-PHG復(fù)合材料,且其抗菌活性高于任何單一組分,發(fā)現(xiàn)其抗菌性能的顯著增加是由于各組分間協(xié)同作用,而非簡單迭加[43]。

1.4.2 纖維素基抗菌材料

陳浩以納米纖維素為原料,制備雙醛納米纖維素(DANC),以此為基體,還原硝酸銀,與聚乙烯胺交聯(lián),得到兩性化合物納米纖維素-聚乙烯胺-銀抗菌凝膠,與殼聚糖交聯(lián)納米纖維素-殼聚糖-銀抗菌凝膠[44]。二者均對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌都具有較強(qiáng)的抑菌性。

師云將氧化鋅納米粒子采用配位作用原位負(fù)載在纖維上氨基化纖維素纖維上,同時(shí)采用醛基還原銀離子制備Ag/ZnO@氨基化纖維素纖維協(xié)同抗菌材料[45]。ZnO@氨基化纖維素纖維對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌均有較佳的抗菌活性,且納米銀粒子的加入,抗菌活性顯著增強(qiáng)。

武昊分別采用乳酸鏈球菌素、3-氯2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖、ε-聚賴氨酸,對(duì)高碘酸鈉氧化纖維素球?yàn)榛w進(jìn)行反應(yīng),制備了乳酸鏈球菌素(Nisin)接枝磁性纖維素球、殼聚糖季銨鹽接枝磁性纖維素球、ε-聚賴氨酸接枝纖維素球,均對(duì)脂環(huán)酸芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌有抑制作用,除殼聚糖季銨鹽接枝磁性纖維素球需在高接枝量下才會(huì)對(duì)大腸桿菌有抑菌作用外,其余均有較好的抑菌作用[46]。

2 抗菌材料的應(yīng)用研究

2.1 紡織面料的應(yīng)用研究

抗菌材料在紡織服裝上的應(yīng)用已十分成熟,尤其是近兩年,在新冠疫情爆發(fā)后,消費(fèi)者對(duì)抗菌抗病毒要求越來越注重。織物上使用抗菌材料已十分常見,所用抗菌劑以納米銀、氧化鋅為首,兼有季銨鹽、殼聚糖類抗菌劑。除此之外,一些新的抗菌劑的應(yīng)用也開始出現(xiàn)。

周士馨使用制備出的清澈透亮的Ag-PMANa(銀-聚甲基丙烯酸鈉)抗菌材料,作用于棉織物,發(fā)現(xiàn)較低濃度的銀離子就可以通過靜電作用與細(xì)菌接觸,胞內(nèi)金屬離子平衡被破壞,細(xì)胞膜的選擇透過性受損,蛋白質(zhì)、還原糖等細(xì)菌物流出,達(dá)到抑菌效果[47]。同時(shí)該抗菌材料可使細(xì)菌自身的活性氧平衡被打亂,胞內(nèi)酶活性受到抑制,細(xì)菌產(chǎn)生氧化應(yīng)激,二種抗菌過程相互作用,從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

陸葉等人,在滌綸針織物上使用納米銀抗菌整理材料通過納米金負(fù)載,所得抗菌面料經(jīng)50次水洗后仍然具有抗菌性[48]。

劉曉妮等人將針織棉織物在通過絡(luò)合殼聚糖和納米銀制備出的復(fù)合抗菌整理劑中浸軋,得到能有效抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的納米銀殼聚糖復(fù)合抗菌針織棉,且保持原有的針織棉風(fēng)格[49]。

除了在織物面料上通過涂層、浸軋、噴涂等方法使得織物面料具有抗菌效果。也有在紗線上實(shí)現(xiàn)抗菌功能的應(yīng)用,例如抗菌黏膠、抗菌棉、抗菌滌綸。常規(guī)化學(xué)纖維、再生纖維的抗菌的應(yīng)用大部分在紡絲過程中加入抗菌劑、納米抗菌材料,熔融紡絲一般加入納米抗菌粒子,濕法紡絲一般通過加入抗菌溶劑或者納米抗菌材料,使得紗線獲得抗菌效果；也有通過共混紡絲,將抗菌材料與紗線原料共混紡絲制備皮芯結(jié)構(gòu)的抗菌絲[50]。當(dāng)然也有一些新的抗菌纖維、抗菌紗線的出現(xiàn),例如殼聚糖纖維及其混紡紗、聚羥基鏈烷酸酯共混纖維(禾素纖維)、量子能抗菌聚酯材料等。

隨著智能制造、智能生活的不斷發(fā)展,服裝紡織品也開始在智能方向上進(jìn)行發(fā)展,抗菌材料也開始了智能抗菌材料。常見的智能抗菌材料主要有凝膠、微膠囊。智能水凝膠能通過感應(yīng)外界的環(huán)境變化,來釋放抗菌銀子,主要有無機(jī)水凝膠和有機(jī)水凝膠,即將無機(jī)抗菌材料或有機(jī)抗菌材料通過水凝膠方式實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)智能抗菌[51]。微膠囊抗菌即在芯材中包裹住抗菌材料,這樣可以達(dá)到緩釋的抗菌效果。

2.2 生物醫(yī)用抗菌材料

生物醫(yī)用領(lǐng)域?qū)咕笫謬?yán)格,無論是醫(yī)療環(huán)境、醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療用品,還是傷口處理、細(xì)菌感染等等都對(duì)無菌環(huán)境要求甚高,要求能通過對(duì)病原微生物的隔斷,抑制或殺死細(xì)菌,降低機(jī)體被傳染和得病的風(fēng)險(xiǎn)。早期人們會(huì)選擇使用抗生素等化學(xué)處理手段降低細(xì)菌的壞影響,但由于人們對(duì)抗生素過度依賴,甚至濫用,細(xì)菌耐藥性出現(xiàn),使得抗菌效果變差。因此,生物醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)咕牧系难芯块_始趨向于多種方面的研究,不產(chǎn)生耐藥性、優(yōu)異抗菌殺菌能力、廣譜抗菌、生物低毒無毒類的抗菌材料得到廣泛研究與應(yīng)用。醫(yī)用抗菌材料需要對(duì)致病微生物有長時(shí)持續(xù)及顯著的抗菌性,應(yīng)用在人體組織中的抗菌膜型材料還需具有一定的強(qiáng)度、柔韌性,對(duì)生命體無毒害、好的生物相容性、環(huán)保、可自降解[52]。目前使用較多的有光活性、光催化氧化抗菌材料、金屬無機(jī)抗菌材料[53]。

生物醫(yī)用的金屬無機(jī)抗菌材料,主要有銀系抗菌材料(包括納米銀抗菌材料、載銀型抗菌材料)、銅系抗菌材料[54]、鈦系抗菌材料、鋅系抗菌材料,主要應(yīng)用見圖2。

圖2 生物醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用

肖遠(yuǎn)鵬通過氧化石墨烯負(fù)載銀納米顆粒得到氧化石墨烯-銀納米復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)此抗菌材料可抑制金黃色葡萄球菌的分類,但細(xì)菌的細(xì)胞壁、基因組保持完整,無大量死亡細(xì)菌出現(xiàn),去除復(fù)合材料后,細(xì)菌可恢復(fù)分裂生長,且未對(duì)金黃色葡萄球菌產(chǎn)生耐藥性[55]。再合成了負(fù)載光敏分子Ce6的二氧化錳納米顆粒,改善催化膿腫微環(huán)境下的乏氧微環(huán)境,增強(qiáng)光動(dòng)力療效,能使皮膚愈合程度顯著加快。

吳謙使用光催化良好、在可見光下可快速殺菌的可降解安全的紅磷納米粒子,后超聲處理后得到RPNPs,經(jīng)20分鐘的模擬太陽光照射,該材料可殺滅99.98%的金黃色葡萄球菌,同時(shí)8周后,該材料可發(fā)生降解,同時(shí)對(duì)細(xì)胞無毒[56]。

殷茂力制備了5種安全無毒、可降解的殼聚糖基,可在組織工程、傷口愈合、止血凝血用的抗菌保護(hù)膜[57]。第1種是可在60分鐘內(nèi)殺滅91%的金黃色葡萄球菌和93.43%的大腸桿菌的可降解的具有良好生物兼容性的三嗪類磺酸甜菜堿改性殼聚糖(CS-SNCC)膜,但其剛性大,力學(xué)性能不佳。第2種,CS-SBMA/PVA(磺酸甜菜堿殼聚糖/聚乙烯醇)復(fù)合膜,在抗菌性沒有降低的情況下,其力學(xué)性能得到提高,生物降解率提升。第3種,磺酸甜菜堿-殼聚糖水凝膠(CS-GMA/SBMA),溶脹率和生物降解率得到進(jìn)一步提升,能殺滅96.65%～98.27%的大腸桿菌、97.76%～99.84%的金黃色葡萄球菌,細(xì)胞兼容性好,無細(xì)胞毒性,但其易破碎。第4種,精氨酸偽蛋白-殼聚糖抗菌水凝膠材料,能分別抑制85.59%和91.81%金黃色葡萄球菌與大腸桿菌,對(duì)活化RAW 264.7巨噬細(xì)胞有明顯效果,無細(xì)胞毒性。第5種,高孔隙率、致密孔結(jié)構(gòu)的、30分種內(nèi)可殺滅金黃色葡萄球菌和大腸桿菌100%季銨/鹵胺化殼聚糖衍生物聚乙烯醇(CSENDMH/PVA)納米纖維膜。

張耀成等人合成了C8-6-8雙季銨鹽(GQAS)與聚氯乙烯粒料共混壓片,制成改性聚氯乙烯材料,能抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的生長,力學(xué)性能在合理范圍內(nèi),可用于醫(yī)學(xué)PVC手套等耗材中[58]。

2.3 水處理用抗菌材料

抗菌材料可用于水處理殺菌。因此,一個(gè)既能殺菌,又能具有吸附效果的抗菌材料便值得研究。

常鶯娜用氧化石墨烯對(duì)Ag及TiO2進(jìn)行改性,制備出GO-Ag納米材料和磁性石墨烯二氧化鈦(MGO-TiO2)納米材料[59]。其中30分鐘內(nèi),大腸桿菌經(jīng)MGO-TiO2處理,失活率達(dá)99.99%,但其消毒性會(huì)因?qū)嶋H水體存在磷酸氫根和碳酸氫根而大大減弱。大腸桿菌、金黃色葡萄球菌與GO-Ag接觸25分鐘,失活率99.99%。此兩種抗菌材料均具有良好的抗菌殺菌效果,且不產(chǎn)生對(duì)人體有害的副產(chǎn)物,可作為新型抗菌劑用于飲用水消毒。

李果分別制備了具有良好抗菌效果的n-Ag@AC(載納米銀活性炭)、抗菌聚丙烯(聚丙烯與n-Ag@T-ZnO共混制備)、抗菌復(fù)合玻纖過濾膜(復(fù)合玻纖過濾膜接枝有機(jī)硅季銨鹽),他們能抑制超過99.9%的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌,同時(shí)可循環(huán)處理飲用水,安全無毒,且具有長效抗菌,可循環(huán)處理30天,依然具有較好的抗菌效果[60]。

2.4 其他領(lǐng)域抗菌材料的應(yīng)用

建筑用抗菌材料是在建筑材料中加入抗菌劑,以降低室內(nèi)環(huán)境的細(xì)菌密度,減少人體接觸細(xì)菌感染,例如抗菌地板、抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌涂料、抗菌不銹鋼材料、抗菌油漆等。主要分為有機(jī)抗菌材料、無機(jī)抗菌材料、天然抗菌材料,抑制建筑材料表面微生物的生長,甚至在一定程度上殺滅細(xì)菌[61-62]。

汽車用抗菌材料的研究起步較晚,目前主要應(yīng)用在汽車內(nèi)飾,例如座椅墊、轉(zhuǎn)向盤套,而對(duì)其他汽車材料的研究甚少。

食品包裝領(lǐng)域也會(huì)應(yīng)用到抗菌材料,防止食品在運(yùn)輸過程中因某些細(xì)菌作用而發(fā)霉變質(zhì),以及抗菌包裝袋可減少病毒病菌的傳播等。

3 展望

近年來,尤其是受新冠病毒疫情影響的情況下,人們吃、穿、住、行都開始越來越注重抗菌抗病毒。除了常規(guī)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的抗菌材料外,紡織用抗菌抗病毒材料也越來越多,這些材料可以應(yīng)用在家裝內(nèi)飾、汽車內(nèi)飾、抗菌服裝、非織造抗菌材料方面。例如抗菌抗病毒口罩、抗菌襪等。

除此之外,隨著新冠病毒疫情的傳播速度、傳播力的不斷變化,環(huán)境用抗菌材料也越來越受到重視,例如抗菌用建筑材料、抗菌用水處理材料等。當(dāng)然在使用抗菌材料的過程中,人們也意識(shí)到抗菌不是抗所有菌而是抗致病菌,且不能在對(duì)生命健康有損傷的前提下出現(xiàn)。于是抗菌材料又出現(xiàn)了靶向抗菌、天然抗菌、環(huán)?？咕?。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域更是如此,除了追求不耐藥、更廣譜的抗菌材料外,定向抗菌、對(duì)生命無毒,同時(shí)綠色環(huán)保的抗菌材料更受到重點(diǎn)研究。

基于此,未來抗菌材料的發(fā)展,會(huì)根據(jù)不同領(lǐng)域的使用情況側(cè)重有所差異,但總趨勢一定是安全、環(huán)保、智能化、靶向化發(fā)展。同時(shí)抗菌材料的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來越廣,研究深度也會(huì)越來越深。