有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料研究現(xiàn)狀及展望

姜 柳 ，高 琴，王震宇，趙宇蕾 ，張超鋒，黃 宇*

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 中國(guó)科學(xué)院氣溶膠化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

2.西安地球環(huán)境創(chuàng)新研究院，西安 710061

致病微生物感染引起的公共衛(wèi)生健康問(wèn)題嚴(yán)重危害人類的生命安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，2019年底爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）就是典型的例子。COVID-19疫情一方面危害人類健康，Worldometers 世界實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（https://www.worldometers.info/cn/）顯示：截至北京時(shí)間2021年2月2日，已造成超220萬(wàn)人喪生；另一方面造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)估對(duì)全球經(jīng)濟(jì)造成的損失約達(dá)30萬(wàn)億美元，嚴(yán)重阻礙了全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展。致病微生物中細(xì)菌對(duì)人類生存健康的威脅最為嚴(yán)重。生活中分布較多的細(xì)菌主要有葡萄球菌、鏈球菌、結(jié)核桿菌、傷寒桿菌等，常帶來(lái)如尿路感染、急性腹膜炎、淋巴管炎、闌尾周圍膿腫等疾病，這使得抗菌材料成為當(dāng)今新材料研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一。最早廣泛使用的抗菌劑主要是以Ag+為代表的金屬離子抗菌劑。1939年，有研究證明Ag+對(duì)革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、霉菌均有較強(qiáng)的殺菌能力，主要機(jī)制是通過(guò)金屬離子所帶的正電荷吸附于細(xì)菌，當(dāng)金屬離子到達(dá)細(xì)胞膜時(shí)，因細(xì)胞膜帶負(fù)電荷而與金屬離子發(fā)生庫(kù)倫引力，進(jìn)一步穿透細(xì)胞壁，致使細(xì)菌死亡（Zhang et al，2018a；Cui et al，2020）。同時(shí)，當(dāng)金屬離子與蛋白類、遺傳類物質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)與蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)合，干擾巰基酶活性，使微生物的糖代謝等正常生理功能受阻（Hamad et al，2020）。但金屬離子這類電荷作用的抗菌材料逐漸表現(xiàn)出了較多劣勢(shì)，如：釋放速率較快；長(zhǎng)效抗菌效果欠佳；連續(xù)釋放的金屬離子會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)；長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性并引起組織毒性（Suyal，2003）。因此，開發(fā)無(wú)耐藥性、無(wú)組織毒性的抗菌材料對(duì)未來(lái)抗菌材料的發(fā)展意義重大。

有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料可通過(guò)接觸式電荷作用，實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的殺滅，是目前研究的熱點(diǎn)材料。此類材料由于含正電性的陽(yáng)離子基團(tuán)，可與帶負(fù)電的細(xì)菌之間發(fā)生靜電相互作用。帶正電荷的材料與細(xì)菌表面電荷參數(shù)匹配時(shí)，可通過(guò)靜電吸引創(chuàng)造非特異性但非常強(qiáng)的細(xì)菌吸附，利用原子力顯微鏡和共聚焦顯微鏡可觀察到材料能有效地結(jié)合并包裹住細(xì)菌細(xì)胞，使細(xì)菌固定（Ahmed et al，2020），且這種接觸式電荷殺菌只會(huì)與表面帶負(fù)電荷的致病微生物發(fā)生強(qiáng)的靜電相互作用，不會(huì)對(duì)電中性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞造成損傷，這種較強(qiáng)的選擇性降低了其對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的毒性（Ganewatta and Tang，2015）。對(duì)有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料來(lái)說(shuō)，抗菌性能主要受分子大小，烷基鏈種類及長(zhǎng)度，反離子類型、電荷密度等因素影響。Ikeda et al（1986）研究了帶雙胍結(jié)構(gòu)的丙烯酸酯均聚物及其與丙烯酰胺共聚物的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)這類聚胍材料的分子大小與其對(duì)金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌活性緊密相關(guān)，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量介于50000 — 120000時(shí)其抗菌活性最優(yōu)。Liu et al（2016）通過(guò)自由基聚合合成了不同烷基鏈長(zhǎng)度的季銨鹽QAS-C8、QAS-C12和QAS-C18，并用于真絲織物的改性，抗菌結(jié)果顯示改性絲織物對(duì)革蘭氏陽(yáng)性金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌（Escherichia coli）均有較強(qiáng)的抗菌活性，單體烷基鏈上的碳數(shù)為12時(shí)，抗菌效果最好。Yoshino et al（2011）合成了14種含、、陰離子基團(tuán)的季銨鹽，測(cè)試其對(duì)12種不同細(xì)菌的最小抑菌濃度，發(fā)現(xiàn)含、的季銨鹽抗菌性能最好。Ahmed et al（2020）設(shè)計(jì)合成了一種聚季銨鹽（季銨化聚(2-(二甲胺基)甲基丙烯酸乙酯)，PTEMA）修飾的氧化石墨烯（GO）納米片，修飾后的GO-PTEMA材料相較GO，表面Zeta電位從(?39.5 ± 7) mV提升到了(34 ± 4) mV，通過(guò)熒光素染色法測(cè)得的表面電荷密度為8.3 × 1014cm?2，說(shuō)明正電荷密度的提高和抗菌效率呈正相關(guān)關(guān)系。

與金屬離子型的電荷抗菌材料相比，選擇開發(fā)有機(jī)陽(yáng)離子型電荷接觸殺菌材料有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以提高和延長(zhǎng)抗菌活性；（2）無(wú)刺激性，不影響與宿主組織的相互作用或改變宿主的免疫應(yīng)答；（3）對(duì)載體材料的物理力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生不利影響；（4）其作用方式是物理接觸，利用電荷作用抑制細(xì)菌呼吸機(jī)能，“接觸死亡”；（5）長(zhǎng)期與細(xì)菌接觸不會(huì)產(chǎn)生耐藥性。

鑒于此，本文系統(tǒng)綜述了有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的類型、結(jié)構(gòu)特征、殺菌性能及影響因素，闡述和分析了其抗菌機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)狀。此外，基于國(guó)內(nèi)外有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的研究現(xiàn)狀，對(duì)其現(xiàn)存問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的制備及結(jié)構(gòu)特征

有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料通常是帶有正電荷陽(yáng)離子基團(tuán)的有機(jī)化合物，按照相對(duì)分子質(zhì)量的不同，將相對(duì)分子質(zhì)量在5000以下的有機(jī)陽(yáng)離子材料定義為小分子型有機(jī)陽(yáng)離子材料，將相對(duì)分子質(zhì)量在5000以上的定義為大分子型有機(jī)陽(yáng)離子材料。

1.1 小分子型

根據(jù)抗菌基團(tuán)的不同，小分子型有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料主要分為季銨鹽類、季鏻鹽類、胍鹽類（Mahltig et al，2010；Mahltig and Fischer，2010；Lacombe et al，2010）。各種不同類型抗菌材料通用分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。小分子型有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料普遍殺菌速度較快，抗菌效能高且制備過(guò)程簡(jiǎn)單，但也存在耐熱性差等缺陷。近年來(lái)報(bào)道的代表性小分子型有機(jī)陽(yáng)離子及其復(fù)合材料的抗菌活性如表1所示。

圖1 小分子型有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料結(jié)構(gòu)通式（a）（b）（c），單鏈季銨鹽（3-甲氧基硅丙基二甲基十八烷基氯化銨）結(jié)構(gòu)式（d），雙鏈季銨鹽（雙十烷基二甲基氯化銨）結(jié)構(gòu)式（e），雙季銨鹽（1,5-二(十四烷基二甲基碘化銨)-3-戊醇）結(jié)構(gòu)式（f）Fig.1 General structure formula of small molecular organic cationic antibacterial material (a) (b) (c), structure formula of singlechain quaternary ammonium salt (3-methoxysilyl propyl dimethyloctadecyl ammonium chloride) (d), structure formula of doublechain quaternary ammonium salt (didecyl dimethyl ammonium chloride) (e), and structure formula of bis-quaternary ammonium salt(1,5-bis(tetradecyl dimethyl ammonium iodide)-3-pentanol) (f)

表1 小分子型有機(jī)陽(yáng)離子及其復(fù)合抗菌材料Tab.1 Summary of small molecular organic cationic and their composite antibacterial materials

（續(xù)表1 Continued Tab.1）

1.1.1 季銨鹽類

季銨鹽（quaternary ammonium salt，QAS）是有機(jī)陽(yáng)離子接觸型抗菌材料中研究最為廣泛的。QAS作為抗菌劑的使用可以追溯到20世紀(jì)30年代（Jennings et al，2015）。QAS是由含氮（N+）的化合物組成，其中N原子通過(guò)共價(jià)鍵連接4個(gè)不同的基團(tuán)，結(jié)構(gòu)通式見圖1a，代表式為N+R1R2R3R4X?，其中R可以是氫原子、普通烷基或被其他官能團(tuán)取代的烷基，X表示陰離子，通常是鹵化物陰離子。季銨鹽根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同可分為單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽和雙季銨鹽（Diz et al，1994）。典型的單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽和雙季銨鹽具體結(jié)構(gòu)如圖1d — 圖1f所示。單鏈季銨鹽結(jié)構(gòu)中只有單個(gè)陽(yáng)離子頭和單個(gè)疏水長(zhǎng)鏈烷基尾；雙鏈季銨鹽具有雙長(zhǎng)鏈的疏水尾；雙季銨鹽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有2個(gè)陽(yáng)離子頭和2個(gè)長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷病ｋp鏈季銨鹽和雙季銨鹽，由于分子中具有兩個(gè)長(zhǎng)鏈的疏水基團(tuán)或分子中有2個(gè)帶正電荷的N+，分子電荷強(qiáng)度和分子極性都大于單鏈季銨鹽，更容易和細(xì)胞膜表面的負(fù)電荷進(jìn)行吸附作用，所以具有更強(qiáng)的殺菌性能。

季銨鹽的抗菌活性主要受烷基鏈種類、長(zhǎng)度及陰離子基團(tuán)類型的影響。不飽和烷基有利于季銨鹽抗菌效果的提高，可以達(dá)到高效廣譜抗菌的目的（馬小玲，2010）。季銨鹽的抗菌活性主要受長(zhǎng)鏈烷基影響，烷基鏈過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短對(duì)細(xì)菌的殺傷力均不大，烷基鏈長(zhǎng)和抗菌活性呈拋物線關(guān)系，即當(dāng)所含碳原子數(shù)低于8個(gè)或高于18個(gè)時(shí)，抗菌效果不明顯，而碳原子數(shù)為14時(shí)，抗菌效果最佳（Kanazawa et al，1993a；郭志強(qiáng)，2004；孫洪等，2006）。陰離子基團(tuán)的不同也會(huì)影響季銨鹽的抗菌性能，含、的季銨鹽抗菌性能較的好（Yoshino et al，2011）。單獨(dú)的小分子季銨鹽抗菌材料易溶出，隨溶出量增加材料的抗菌性能會(huì)逐漸衰減。為減弱其溶出性，可在季銨鹽中引入硅氧烷基團(tuán)，其中最具代表的是美國(guó)道康寧公司研發(fā)的AEM5700有機(jī)硅季銨鹽類抗菌劑（結(jié)構(gòu)式見圖1d），其硅氧基可與纖維上的羥基形成共價(jià)鍵，從而持久牢固地附著于各種紡織物表面（Song and Baney，2011）。Chen et al（2013a）利用2-(二甲氨基)丙烯酸乙酯和1-溴己烷的季銨化反應(yīng)制備了有機(jī)硅季銨鹽抗菌劑，利用超臨界吸附方式對(duì)棉織物進(jìn)行整理，使其獲得持久高效的抗菌效果。

近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道的季銨鹽型抗菌材料多為季銨鹽與其他無(wú)機(jī)或有機(jī)材料復(fù)合，如TiO2、ZnO、石墨烯、聚酯等。通過(guò)與其他功能材料復(fù)合，來(lái)改善季銨鹽類抗菌材料的溶出性、抗菌性、生物相容性等。如Chen et al（2013b）報(bào)道了一種基于季銨鹽（3-三甲氧基-丙基二甲基十八烷基銨）的長(zhǎng)效抗菌鈦合金體內(nèi)植入材料，通過(guò)陽(yáng)極氧化法在鈦基底上生成TiO2納米管，然后在管中原位生成AgNPs，進(jìn)一步固定QAS于納米管上。TiO2納米管-Ag-QAS改性的鈦合金具有長(zhǎng)期抗菌性能，30 d內(nèi)殺菌率還保持在99.9%。Gao et al（2020）報(bào)道了基于二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化QAS / (Ag-ZnO)納米復(fù)合材料（圖2a），采用不同濃度的QAS / (Ag-ZnO)納米復(fù)合材料對(duì)棉織物進(jìn)行處理，處理后的棉織物抗菌率可達(dá)90%以上，經(jīng)10次循環(huán)洗滌后抗菌率均保持在85%以上。QAS / (Ag-ZnO)復(fù)合材料的抗菌機(jī)制一方面是由于正電荷季銨鹽吸附在帶負(fù)電的細(xì)胞表面，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞內(nèi)容物泄露，細(xì)胞死亡；另一方面是納米復(fù)合材料中存在一些有機(jī)硅鏈，可以吸附在紡織品表面，引發(fā)水化作用，使紡織品表面形成緊密結(jié)合的水層，防止細(xì)菌黏附。

1.1.2 季鏻鹽類

季鏻鹽（quaternary phosphonium salt，QPS）最早由國(guó)外于20世紀(jì)80年代后期推出，在我國(guó)廣泛使用是在90年代初期，具有低毒、低發(fā)泡性、低劑量、寬pH使用范圍（pH 2 — 12）和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且能夠在環(huán)境中快速分解，沒有生物積累，其作用機(jī)制與季銨鹽類似。季鏻鹽結(jié)構(gòu)見圖1b，與季銨鹽不同的是磷原子半徑大于氮，相應(yīng)離子半徑也大，其極化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致磷周圍正電性增加，更容易吸附在帶負(fù)電的細(xì)胞膜上，殺菌能力提高（Tan et al，2017；Wang et al，2020）。季鏻鹽分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但由于生產(chǎn)成本高難以推廣，所以其研究和應(yīng)用不如季銨鹽廣泛。典型的是日本Kanazawa et al（1993b）于1993年制備出一種長(zhǎng)鏈三丁基季鏻鹽，發(fā)現(xiàn)當(dāng)長(zhǎng)鏈碳原子數(shù)為12、14、16、18時(shí)對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有高效的抗菌活性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)相同烷基的季鏻鹽比季銨鹽抗菌活性高出數(shù)十倍。

圖2 小分子型有機(jī)陽(yáng)離子季銨鹽、季鏻鹽、胍鹽抗菌材料Fig.2 Small molecule organic cationic quaternary ammonium salt, quaternary phosphonium salt and guanidine salt antibacterial materials

季鏻鹽由于水溶性較好，極大限制了其單獨(dú)作為抗菌材料的應(yīng)用，因此常對(duì)其進(jìn)行接枝改性或與其他材料復(fù)合。常麗（2016）使用不同季鏻鹽（甲基三苯基溴化磷、乙基三苯基溴化磷、己基三苯基溴化磷、辛基三苯基溴化磷、十二烷基三苯基溴化磷）對(duì)聚丙烯腈纖維進(jìn)行改性，改性后纖維具有良好的抗菌性能，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）、白色念珠菌（Candida albicans）的抗菌率在15 min可達(dá)100%，且洗滌50次后仍具有優(yōu)秀的抗菌性能。Chen et al（2018）采用三苯基膦對(duì)菊粉進(jìn)行化學(xué)改性，合成了5種不同鏈長(zhǎng)的新型菊粉衍生物，采用體外輻射生長(zhǎng)法測(cè)定其對(duì)黃瓜炭疽病菌（Colletotrichum lagenarium）、蘆筍莖枯病菌（Phomopsis asparagi）和西瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）3種植物病原體的抑菌活性，結(jié)果顯示接枝季鏻鹽的烷基鏈越長(zhǎng)或帶正電荷的吸電子能力越強(qiáng)，抗菌效果越強(qiáng)。

1.1.3 胍鹽類

胍鹽類抗菌劑由于含有 NH活性基團(tuán)，其易接受質(zhì)子，形成陽(yáng)離子（ NH+），帶負(fù)電荷的細(xì)菌會(huì)被陽(yáng)離子吸引，進(jìn)而使細(xì)菌無(wú)法分裂繁殖，喪失活性，同時(shí)抑制其呼吸機(jī)能發(fā)生死亡。1861年Streeker發(fā)現(xiàn)了胍基，其結(jié)構(gòu)見圖1c，其中R可以是氫原子、烷基或胍基等。胍是亞胺脲，又稱作氨基甲酸脒，其在殺菌方面具有速效、對(duì)皮膚黏膜無(wú)刺激性、對(duì)金屬和織物無(wú)腐蝕性、受有機(jī)物影響輕微、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

由ICI泛美公司開發(fā)的多亞乙基雙胍鹽酸鹽作為工業(yè)廣譜殺菌劑，用于醫(yī)院的表面消毒及食品和酒精飲料工業(yè)。1,6-2(4-氯苯基雙胍)已烷是廣泛使用的消毒劑，常用于皮膚消毒，或用作牙膏、面霜等化妝品的防腐劑。芳基雙胍如1-(3-氯-4-庚氧苯基)雙胍對(duì)部分革蘭氏陽(yáng)性和陰性菌具有較好的殺菌活性。Fong et al（2010）報(bào)道了氯己定二乙酸酯（CHX）改性的聚氨酯-蒙脫土（PEUMMT）納米碳酸鹽抗菌材料，CHX（雙胍類分子）既作為抗菌劑，又作為有機(jī)硅酸鹽分散改性劑，CHX改性后的材料剛度增加，同時(shí)對(duì)葡萄球菌具有較好的抗菌活性，原因是CHX可以吸引帶負(fù)電荷的細(xì)菌，限制其運(yùn)動(dòng)，造成“接觸死亡”。Mattheis et al（2011）通過(guò)三胺結(jié)構(gòu)與鹽酸胍的縮合反應(yīng)，合成了一種新的具有環(huán)結(jié)構(gòu)的寡胍，分子間的反應(yīng)順序形成了新的結(jié)構(gòu)，其在15 —30 min就能達(dá)到很強(qiáng)抗菌效果，該類胍鹽的重復(fù)結(jié)構(gòu)增加了抗菌單元，抗菌活性有了很大提高。

1.2 大分子型

大分子型有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料分為天然類和人工合成類，天然類主要為殼聚糖及其衍生物，人工合成類的主要是聚季銨鹽、聚季鏻鹽、聚胍類等（表2）。人工合成類的制備方法包括物理和化學(xué)方法，物理方法就是將有效抗菌基團(tuán)共混加入材料中；化學(xué)方法包括兩種途徑：（1）通過(guò)帶官能團(tuán)的單體進(jìn)行均聚、共聚等（Albert et al，2003）；（2）在高分子基體上接枝引入抗菌官能團(tuán)（Song et al，2009）。物理方法制備的抗菌材料容易產(chǎn)生脫落或泄漏；化學(xué)方法制備的抗菌材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在低的蒸汽壓下不易揮發(fā)，不易滲透進(jìn)入人體皮膚，使用壽命長(zhǎng)，且易于加工和儲(chǔ)存?？咕鷦┙?jīng)高分子化后，相對(duì)分子質(zhì)量增大，所帶陽(yáng)離子基團(tuán)增多，正電荷密度提高。高的正電荷密度有助于材料吸附菌體及與細(xì)胞膜結(jié)合。因此，總體來(lái)說(shuō)，相對(duì)分子質(zhì)量的增大，有利于抗菌材料更好地發(fā)揮抗菌性能。同時(shí)，小分子抗菌劑經(jīng)大分子化后穩(wěn)定性和抗菌持久性均得到大幅度提高。大分子的相對(duì)分子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量分布、交聯(lián)結(jié)構(gòu)、大分子在溶液中的形態(tài)都有可能對(duì)抗菌影響產(chǎn)生較大影響。隨著研究的深入，大分子型有機(jī)抗菌材料正在向高活性、高生物相容性和低毒性的方向發(fā)展。

表2 大分子型有機(jī)陽(yáng)離子及其復(fù)合抗菌材料Tab.2 Summary of macromolecular organic cationic and their composite antibacterial materials

1.2.1 殼聚糖類

殼聚糖（chitosan，CS）是聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，是具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的陽(yáng)離子大分子，分子式(C6H11NO4)n，CS及其衍生物對(duì)真菌、細(xì)菌和病毒具有很高的抗菌活性。其抗菌活性是由帶正電荷的殼聚糖基團(tuán)（葡糖胺的胺基團(tuán)）和細(xì)菌細(xì)胞表面上帶負(fù)電基團(tuán)（如肽聚糖等表面成分）之間的靜電相互作用引起的，這種靜電相互作用會(huì)影響細(xì)胞壁的滲透性，從而引起內(nèi)部滲透不平衡來(lái)抑制微生物生長(zhǎng)，同時(shí)靜電相互作用也會(huì)誘導(dǎo)微生物細(xì)胞壁的肽聚糖水解，促使細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)泄漏，造成細(xì)菌等的死亡（Goy et al，2016）。

天然類型抗菌材料研究最為廣泛的是殼聚糖有機(jī)電荷抗菌材料。汪涵等（2019）用共沉淀法制備了磁性殼聚糖顆粒，發(fā)現(xiàn)隨殼聚糖含量增加，殼聚糖產(chǎn)生的帶正電 —含量同時(shí)增加。由于靜電作用，細(xì)菌細(xì)胞壁與 —長(zhǎng)時(shí)間結(jié)合影響其功能的正常運(yùn)作，最終抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。殼聚糖具有良好的廣譜抗菌性和生物相容性，無(wú)毒，對(duì)人體免疫抗原小，且具消炎、促進(jìn)傷口愈合等功效。但是，殼聚糖的抗菌性能受濃度、相對(duì)分子質(zhì)量、酸度、脫乙酰度的影響，使其應(yīng)用范圍受到限制。為進(jìn)一步提高殼聚糖的抗菌活性，很多研究開始對(duì)殼聚糖進(jìn)行物理或化學(xué)修飾。Antunes et al（2015）通過(guò)靜電紡絲手段制備了由去乙?；?精氨酸修飾的殼聚糖紡絲薄膜用于傷口敷料（圖3a），精氨酸修飾可以增加材料表面可用帶正電荷基團(tuán)數(shù)量，從而增強(qiáng)材料與細(xì)菌細(xì)胞壁的靜電相互作用。結(jié)果表明：修飾后的殼聚糖具有更高的抗菌活性，并且可改善組織再生和加快創(chuàng)面愈合，具有優(yōu)異的生物相容性。

1.2.2 聚季銨鹽類

聚季銨鹽（poly(quaternary ammonium salt)，PQAS）抗菌材料是通過(guò)將帶有季銨基活性官能團(tuán)的單體聚合而成，或是通過(guò)在高分子聚合物基體上接枝小分子季銨鹽獲得。其先利用電荷作用吸附到菌體表面，再穿透細(xì)胞壁，破壞細(xì)胞壁和膜結(jié)構(gòu)，造成胞內(nèi)物質(zhì)外泄，影響細(xì)胞代謝過(guò)程，最后菌體死亡。聚季銨鹽的抗菌性能受相對(duì)分子質(zhì)量、陽(yáng)離子密度、反離子類型、疏水性（烷基取代基、側(cè)/端基、聚合物鏈結(jié)構(gòu)）及親-疏水平衡等因素影響。一般相對(duì)分子質(zhì)量增大，材料中陽(yáng)離子密度增大，會(huì)增強(qiáng)材料對(duì)微生物細(xì)胞的吸附、結(jié)合和破壞作用，從而提高抗菌性能。但相對(duì)分子質(zhì)量也存在一個(gè)合適的區(qū)間，相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大的材料就難以進(jìn)入細(xì)胞中發(fā)揮作用。烷基鏈長(zhǎng)度也會(huì)顯著影響材料抗菌性能。材料的吸附能力、親-疏水平衡發(fā)生變化，其在細(xì)胞表面的形態(tài)及其穿透細(xì)胞膜的能力也會(huì)發(fā)生改變。

Carrasco et al（2015）將陽(yáng)離子雙層碎片和聚電解質(zhì)通過(guò)層層自組裝技術(shù)組裝成新型陽(yáng)離子納米顆粒殺菌材料，對(duì)四種臨床重要性的耐藥（MDR）菌株進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚季銨鹽-聚二烯丙基二甲基氯化銨作為納米顆粒外層對(duì)這些微生物表現(xiàn)出顯著的效果，具有廣譜抗MDR微生物活性，包括革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌和酵母。Zeng et al（2020）報(bào)道了一種由C3對(duì)稱剛性單體2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪和柔性連接劑1,2-二溴乙烷反應(yīng)生成的抗菌聚合物納米膠囊，將聚合物納米膠囊構(gòu)造成陽(yáng)離子空心球，其主鏈由吡啶季銨鹽形成，當(dāng)陽(yáng)離子納米膠囊接近大腸桿菌時(shí)，細(xì)菌膜上帶負(fù)電荷的磷脂分子被吸引到陽(yáng)離子表面，導(dǎo)致細(xì)胞破裂，此抗菌聚合物納米膠囊的MIC為0.04 mg ? mL?1，MBC為0.1 mg ? mL?1。此外，很多關(guān)于聚季銨鹽與其他抗菌材料的復(fù)合材料也在逐漸研究中。Li et al（2017）自組裝合成了一種新型的多功能基于ABA型三嵌段共聚物抗菌水凝膠（圖3b），該共聚物以鄰苯二酚官能化的聚乙二醇作為A嵌段，以聚2-(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基碘化銨（PMETA，聚季銨鹽）作為B嵌段，這種自愈性水凝膠不僅克服了植入體內(nèi)的水凝膠材料易受蛋白質(zhì)和微生物積累的困擾，還克服了由于日常身體運(yùn)動(dòng)恒定的機(jī)械力導(dǎo)致的水凝膠變形或損傷。它具有很好的熱敏性、自愈性，對(duì)大腸桿菌具有明顯的抑制作用。Wang et al（2019）制備了一種聚季銨鹽封端的銀納米顆?？咕牧希≒QASAgNPs），與作為陽(yáng)性對(duì)照的聚乙烯吡咯烷酮封端的銀納米顆粒（PVP-AgNPs）相比，PQAS-AgNPs對(duì)水中的枯草芽孢桿菌具有出色的抗菌活性，活性來(lái)源于PQAS和AgNPs的協(xié)同抗菌作用，通過(guò)ATP監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，PQAS-AgNPs破壞了細(xì)胞的呼吸鏈，降低了ATP的合成，破壞了細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的功能，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。

1.2.3 聚季鏻鹽類

聚季鏻鹽（poly(quaternary phosphonium salt)，PQPS）也是一種典型的聚陽(yáng)離子抗菌材料，可通過(guò)含有季鏻鹽的單體進(jìn)行共聚或在大分子基體上修飾含季鏻基團(tuán)的物質(zhì)制備。Kanazawa et al（1993a，1993b，1993c）研發(fā)了以季鏻鹽為抗菌基團(tuán)的陽(yáng)離子大分子抗菌材料，此類大分子抗菌材料對(duì)金黃色葡萄球菌及大腸桿菌具有較好的抗菌性能。此后有關(guān)聚季鏻鹽抗菌材料的研究也逐漸增多。

圖3 大分子型有機(jī)陽(yáng)離子殼聚糖、聚季銨鹽、聚季鏻鹽、聚胍抗菌材料Fig.3 Macromolecular organic cationic chitosan, poly(quaternary ammonium salt), poly(quaternary phosphonium salt),poly(guanidine salt) antibacterial material

劉宏芳等（2009）采用氯甲基化苯乙烯為載體，通過(guò)載體上的氯甲基與三苯基膦進(jìn)行季鏻化反應(yīng)，合成了水不溶大分子陽(yáng)離子抗菌材料，聚三苯基季鏻鹽熱穩(wěn)定性好，且對(duì)SRB、TGB菌種有很好的抗菌作用。Qiu et al（2014）以氯化橡膠為載體，三苯基膦、三丁基膦、三正丁胺為原料，通過(guò)分子親和取代反應(yīng)，成功制備了大分子三苯基季鏻鹽、三丁基季鏻鹽、三正丁基季銨鹽抗菌材料，材料熱穩(wěn)定性都有所提高，且季鏻鹽的穩(wěn)定性高于季銨鹽，同時(shí)具有優(yōu)良的抗菌性能。1 mg · mL?1濃度充分接觸24 h對(duì)革蘭氏陰/陽(yáng)性菌的殺菌率達(dá)100%。Li et al（2013）采用三苯基膦為原料，通過(guò)兩步法對(duì)環(huán)氧橡膠進(jìn)行開環(huán)和季鏻化改性，將季鏻鹽抗菌活性基團(tuán)共價(jià)接枝于環(huán)氧橡膠主鏈中制得大分子季鏻鹽抗菌材料（圖3c），對(duì)大腸桿菌抗菌率達(dá)82.96%。林越威和敖寧建（2019）使用縮醛反應(yīng)，常溫下將季鏻鹽接枝到聚乙烯醇中制得大分子抗菌材料，該材料具有熱塑性并具有良好的抗菌效果，且細(xì)胞毒性較低，可以通過(guò)注塑成型或熔融沉積成型加工，適合于抗菌傷口敷料或3D打印傷口敷料。

1.2.4 聚胍類

聚胍類（poly(guanidine salt)，PGS）抗菌材料中研究最多的是聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽（PHMB），PHMB是一種新型低聚合陽(yáng)離子化合物，帶正電荷，能夠滲透到微生物體內(nèi)，且容易吸附在帶負(fù)電荷的微生物表面，破壞微生物體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而起到殺菌作用。其結(jié)構(gòu)與雙胍類抗菌劑類似，耐高溫，有助于解決部分抗菌劑不耐高溫的問(wèn)題。

Llorens et al（2015）采用靜電紡絲法制備了負(fù)載PHMB的聚乳酸納米纖維，可作為抗菌的三維生物降解支架材料，隨PHMB負(fù)載量的增加，納米纖維抑制黏附和細(xì)菌生長(zhǎng)的抗菌特性增強(qiáng)，并在成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞系的黏附和增殖方面表現(xiàn)出生物相容性。Rogalsky et al（2016）采用模壓成型法制備了低成本、耐熱、耐水的聚六亞甲基胍十二烷基苯磺酸鹽（PHMG-DBS）的抗菌聚酰胺-11薄膜，在薄膜中引入PHMG-DBS可使表面正電荷密度增加到5.5 × 10?11C · cm?2，該薄膜對(duì)大腸桿菌和枯草芽孢桿菌均有良好的抗菌活性，且具有很高的抗浸出性。Zhang et al（2019）采用胺化和胍化兩步接枝制備了胍基功能化石墨烯納米片，該納米片在溶液中具有較高的分散性，與聚合物基體相容性良好，再利用非溶劑誘導(dǎo)相分離法制備了新型協(xié)同抗菌胍基功能化石墨烯/聚砜（GFG / PSF）混合基超濾膜（圖3d），GFG / PSF膜不僅對(duì)牛血清白蛋白具有優(yōu)越的滲透性和顯著的防污性能，且對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性和長(zhǎng)期持續(xù)效應(yīng)。

2 抗菌機(jī)理

有機(jī)陽(yáng)離子型材料對(duì)細(xì)菌的殺滅作用是以材料所帶正電荷的抗菌官能團(tuán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。有機(jī)陽(yáng)離子型材料與細(xì)菌基本不產(chǎn)生靶標(biāo)-靶點(diǎn)的特異性結(jié)合，而是通過(guò)材料與細(xì)胞表面的靜電相互作用來(lái)束縛細(xì)菌的活動(dòng)自由，從而抑制其呼吸機(jī)能，也會(huì)進(jìn)一步破壞細(xì)胞膜的完整性，造成“接觸式死亡”。因此，這種物理形式的接觸式殺菌，是一種不易產(chǎn)生耐藥性的殺菌方式。一般細(xì)菌外層表面是帶負(fù)電的，這是由于大部分情況細(xì)菌所處生存環(huán)境的pH都大于其等電點(diǎn)，所以細(xì)菌表面呈電負(fù)性狀態(tài)；此外，細(xì)菌細(xì)胞壁的磷壁酸含有大量酸性較強(qiáng)的磷酸基，細(xì)胞膜內(nèi)含有的磷脂及一些膜蛋白水解也帶負(fù)電，更加導(dǎo)致細(xì)菌表面呈負(fù)電荷狀態(tài)。哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜外層呈電中性（Gabriel et al，2007），所以帶正電的有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜具有很強(qiáng)的選擇性。目前對(duì)于有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料抗菌機(jī)理的報(bào)道，歸納為以下兩種作用方式：

（1）電荷作用對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁/細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞。有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料的特征基團(tuán)帶有正電荷，能夠借助庫(kù)侖力的作用吸附表面帶有負(fù)電荷的細(xì)菌，使細(xì)菌運(yùn)動(dòng)受阻，無(wú)法對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)，也可由于靜電相互作用使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上所帶負(fù)電荷分布不均，改變細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性，從而破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，最終導(dǎo)致微生物死亡。Ahmed et al（2020）通過(guò)帶正電荷的季胺化氧化石墨烯納米片（GO-PTEMA）來(lái)研究材料與細(xì)菌的相互作用（圖4a），對(duì)照組和氧化石墨烯（GO）處理的細(xì)菌均未發(fā)現(xiàn)死亡，只有GO-PTEMA處理的細(xì)菌呈紅色染色，表明GO-PTEMA薄片破壞了細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。同時(shí)從染色細(xì)菌延時(shí)圖像疊加位移可看到，當(dāng)GO與大腸桿菌一起孵育時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞四處移動(dòng)，而用GO-PTEMA處理后則完全阻止了細(xì)菌的移動(dòng)，GO-PTEMA培養(yǎng)下細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的平均速度遠(yuǎn)低于對(duì)照組，這些數(shù)據(jù)表明GO-PTEMA與細(xì)菌細(xì)胞緊密結(jié)合，細(xì)菌被包裹在聚陽(yáng)離子GOPTEMA薄片中，這是其抗菌作用的主要部分。小分子季銨鹽/季鏻鹽的殺菌機(jī)制總體上相近，源自分子中季氮或季鏻的陽(yáng)離子頭基與細(xì)胞的酸性磷脂雙分子層發(fā)生靜電相互作用，一旦二者結(jié)合，季銨鹽/季鏻鹽的疏水尾基就會(huì)傾向于嵌入到細(xì)菌細(xì)胞膜內(nèi)部，在一定作用時(shí)間下會(huì)阻礙細(xì)菌對(duì)外界的正常離子交換和物質(zhì)交換，并破壞控制細(xì)胞滲透性的原生質(zhì)膜，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，細(xì)胞膜被瓦解（Gao et al，2015）。大分子聚季銨鹽/聚季鏻鹽的殺菌活性基團(tuán)依舊為季氮或季鏻的陽(yáng)離子頭基，但季銨鹽/季鏻鹽經(jīng)高分子化或接枝于高分子基體后，其相對(duì)分子質(zhì)量增大，具有豐富的正電荷和多個(gè)膜結(jié)合位點(diǎn)，正電荷密度顯著提高，更高的正電荷密度使得大分子季銨鹽/季鏻鹽相比小分子來(lái)說(shuō)，在菌體表面的吸附更牢固，與細(xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)合力更強(qiáng)、破壞性更強(qiáng)，但由于相對(duì)分子質(zhì)量增大會(huì)導(dǎo)致分子體積變大，在擴(kuò)散穿透細(xì)胞壁時(shí)阻力增大（Wang et al，2019）。Zeng et al（2020）制備了一種吡啶季銨鹽聚合物中空球形納米膠囊（圖4b），聚合物納米膠囊的陽(yáng)離子表面與細(xì)菌膜接觸或相互作用，吸附細(xì)菌膜中帶負(fù)電荷的磷脂分子，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂并殺死細(xì)菌?？偟膩?lái)說(shuō)，高分子化后比相同結(jié)構(gòu)的小分子單體殺菌性和穩(wěn)定性有所提高。胍鹽類、聚胍類抗菌材料在生理?xiàng)l件下，胍基離子化成一個(gè)帶正電的、能提供氫鍵供體的剛性平面，胍基可與細(xì)胞膜中帶負(fù)電的羧酸根、磷酸根及硫酸根形成牢固的雙氫鍵（Onda et al，1996；Wender et al，2008），結(jié)合力隨著胍基的增多而增強(qiáng)，且胍基聚合物在細(xì)胞膜上最大負(fù)電荷密度的區(qū)域與磷酸根結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞膜的破裂（Michl et al，2014），細(xì)菌對(duì)這種基于靜電作用而產(chǎn)生抗菌效果的機(jī)制很難產(chǎn)生耐受性。

圖4 季銨鹽修飾氧化石墨烯材料與大腸桿菌作用死活染色熒光顯微鏡圖（左），染色細(xì)菌延時(shí)圖像疊加位移（中），細(xì)菌平均運(yùn)動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)（右）（a）（Ahmed et al，2020）；有機(jī)陽(yáng)離子型季銨鹽納米囊泡接觸式殺滅大腸桿菌機(jī)制、材料與細(xì)菌表面作用示意圖（左），未經(jīng)處理的對(duì)照大腸桿菌與季銨鹽納米囊泡混合的大腸桿菌SEM形貌圖（右）（b）（Zeng et al，2020）；微生物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜的橫截面示意圖（上）及細(xì)胞膜與有機(jī)陽(yáng)離子聚合物的選擇性相互作用（下）（c）（Ganewatta and Tang，2015）Fig.4 Fluorescence microscopic view of quaternary ammonium salt modified GO material with E.coli (left), stacking displacement of time-lapse image of dyeing bacteria (middle), statistics on the average movement speed of bacteria (right) (a) (Ahmed et al, 2020); the mechanism of organic cationic quaternary ammonium salt nano-vesicle contact killing E.coli, schematic diagram of surface interaction between materials and bacteria (left), SEM morphology of control E.coli and treated with quaternary ammonium salt nano-vesicles ( right) (b) (Zeng et al, 2020); schematic cross-sections of microbial and mammalian cell membranes (top) and selective interactions between cell membranes and organic cationic polymers (bottom) (c) (Ganewatta and Tang, 2015)

（2）對(duì)細(xì)菌體內(nèi)蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)或其他活性物質(zhì)的擾亂和破壞。由于細(xì)胞膜內(nèi)含有的磷脂及一些膜蛋白水解也帶負(fù)電，有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料進(jìn)一步會(huì)使細(xì)胞膜上結(jié)構(gòu)蛋白破壞、酶變性（Zhang et al，2018b；Fukushima et al，2019），或胞內(nèi)K+、細(xì)胞質(zhì)、DNA、RNA等泄漏，菌體死亡（Ding et al，2018）。如殼聚糖由于分子中的陽(yáng)離子型氨基帶正電，首先可以吸附在細(xì)菌表面（肽聚糖等負(fù)電基團(tuán)表面成分），之后通過(guò)滲透作用進(jìn)入致病菌細(xì)胞內(nèi)，與細(xì)胞體內(nèi)帶有陰離子物質(zhì)的蛋白質(zhì)等吸附結(jié)合，通過(guò)擾亂細(xì)胞正常生理代謝活動(dòng)從而殺滅病原菌（Chang et al，2015；Atay and ?elik，2017）。殼聚糖還通過(guò)滲入作用進(jìn)入菌體，不僅可以和DNA等核內(nèi)遺傳物質(zhì)結(jié)合，干擾遺傳物質(zhì)的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，抑制mRNA的合成，也可與細(xì)胞器及細(xì)胞質(zhì)結(jié)合，干擾微生物細(xì)胞內(nèi)的正常代謝，達(dá)到抗菌的作用（朱旭明和鄭鐵生，2007）。

綜上發(fā)現(xiàn)，有機(jī)陽(yáng)離子型殺菌材料的殺菌機(jī)理主要有兩個(gè)方面，簡(jiǎn)單分為以下步驟：首先，帶有正電荷的有機(jī)陽(yáng)離子材料與細(xì)菌表面接觸，通過(guò)正負(fù)電荷的靜電相互作用吸附到菌體表面；然后，靜電相互作用會(huì)阻止細(xì)菌移動(dòng)，使細(xì)菌無(wú)法對(duì)周圍環(huán)境變化做出反應(yīng)，從而導(dǎo)致部分細(xì)菌發(fā)生饑餓死亡；其次，材料會(huì)進(jìn)一步經(jīng)過(guò)滲透和擴(kuò)散作用穿透細(xì)胞壁，破壞細(xì)胞壁及其合成；與細(xì)胞膜結(jié)合，擾亂細(xì)胞膜組成，破壞細(xì)胞膜形態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，離子通路被打開；造成胞內(nèi)物質(zhì)如K+、細(xì)胞質(zhì)、DNA、RNA等泄漏，胞內(nèi)蛋白變性絮凝，阻礙微生物的各項(xiàng)生化反應(yīng)，干擾微生物生長(zhǎng)和維持生命所需物質(zhì)的產(chǎn)生過(guò)程；最后，菌體死亡。此類材料這種接觸式電荷殺菌只會(huì)與表面負(fù)電荷的致病微生物之間發(fā)生強(qiáng)的靜電相互作用，不會(huì)對(duì)表面電中性的哺乳動(dòng)物細(xì)胞造成損傷，這種較強(qiáng)選擇性降低了其對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的毒性（圖4c）（Ganewatta and Tang，2015）。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人們對(duì)健康、衛(wèi)生問(wèn)題的關(guān)注度越來(lái)越高，有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料已開始應(yīng)用在不同領(lǐng)域，主要有抗菌纖維紡織品領(lǐng)域、日用化工產(chǎn)品領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域，部分水處理領(lǐng)域也開始使用有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料（Li et al，2019；Zhang et al，2019；Liu et al，2020a）。

3.1 纖維紡織品領(lǐng)域

紡織制品在適宜的溫濕度下易滋生細(xì)菌，在過(guò)去20 a里，抗菌纖維紡織制品的市場(chǎng)需求急增，為抗菌材料與紡織品的結(jié)合提供了廣闊的應(yīng)用前景?？咕椢镏饕菍⒖咕牧吓c紡織制品通過(guò)在線處理法或后處理法結(jié)合。目前應(yīng)用較多的是在線處理法，即通過(guò)化學(xué)結(jié)合的方式對(duì)纖維紡織品化學(xué)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，或利用物理方法將抗菌材料添加到纖維內(nèi)部，此方法所得抗菌纖維紡織制品抗菌效果持久，耐洗性較好。后處理法是在纖維紡織品的印染/整理過(guò)程中采用涂層、噴涂、浸漬、浸軋等工藝，將抗菌材料固定在纖維紡織品表面，賦予其抗菌功能。常規(guī)后處理有四種原理：（1）將抗菌材料吸附在纖維紡織品表面；（2）讓抗菌材料的特殊官能團(tuán)與紡織品表面官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)或接枝；（3）在生產(chǎn)過(guò)程中的整理劑、柔軟劑等中添加抗菌材料；（4）利用環(huán)氧樹脂再通過(guò)熱固化反應(yīng)將抗菌材料固定于纖維紡織品表面（丁帥，2010；陸運(yùn)濤等，2010；夏海民等，2010）。

目前有機(jī)陽(yáng)離子型的電荷殺菌材料已作為一種效果顯著、耐久性佳的新型抗菌材料廣泛應(yīng)用在棉紡織領(lǐng)域（Feng et al，2016；Zhang et al，2017），其制成的手術(shù)服、手術(shù)帽、口罩、衛(wèi)生包覆材料、醫(yī)用繃帶和醫(yī)院床品，可極大降低醫(yī)院的細(xì)菌濃度，制成的服裝不僅可以讓使用者預(yù)防疾病傳染，還可以使衣物不受發(fā)霉等困擾。用抗菌紡織品制成的內(nèi)衣褲、鞋襪及尿布，可防止衣物產(chǎn)生異味，防止襪子上的腳癬菌繁殖，防止嬰兒因接觸尿布而產(chǎn)生紅斑或過(guò)敏。日本富士紡織推出了添加殼聚糖衍生物的CHITOPOLY纖維，與棉混紡后用于嬰兒貼身內(nèi)衣。天然提取的殼聚糖及其衍生物在抗菌織物應(yīng)用最為廣泛，其生物安全性高，織物多次洗滌仍具有優(yōu)異的耐久性（Onda et al，1996；王亞等，2018；鄭云龍等，2020）。如Gadkari et al（2020）將聚陰離子聚苯乙烯磺酸鹽和聚陽(yáng)離子載銀殼聚糖納米粒子通過(guò)靜電層層自組裝技術(shù)在棉織物上形成自組裝涂層以賦予棉織物優(yōu)異的抗菌性能（圖5a）。

3.2 日用化工產(chǎn)品領(lǐng)域

抗菌制品越來(lái)越多的走進(jìn)日用化工產(chǎn)品領(lǐng)域。生活中常用的塑料制品，如廚房用具、衛(wèi)生間用品、垃圾箱、食品包裝材料等，在合適的溫濕度下容易滋生細(xì)菌繁殖，因此對(duì)此類材料進(jìn)行抗菌功能化是極其必要的。2003年，日本的抗菌塑料應(yīng)用廣泛；20世紀(jì)90年代初，我國(guó)中科院化學(xué)研究所、清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也開始了對(duì)抗菌塑料的研究。在居住環(huán)境中使用抗菌功能涂料，可以抵抗感染殺滅細(xì)菌，在人口密集，平均抵抗力較低的學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所十分有意義?？咕苛弦话闶侵苯訉⒖咕牧吓c涂料基體進(jìn)行共混，在不影響涂料本身物理化學(xué)性能的情況下再賦予抗菌功能。目前性能最好的是聚陽(yáng)離子型抗菌材料，其抗菌性好、長(zhǎng)效、低毒、安全。生活中的日用品、食品包裝材料很多也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了抗菌功能化。

美國(guó)ARP（Allied Resinous Products）公司研制的有機(jī)系抗菌劑Bacti clean可以在277℃的加工溫度下與大部分塑料進(jìn)行共混，其可將塑料上黏附的細(xì)菌在一定時(shí)間內(nèi)殺死或抑制其繁殖，從而減少人和物的細(xì)菌交叉感染。殼聚糖基（曾安蓉等，2020）、聚胍基（李杰等，2012）、聚季鏻鹽（段婷婷等，2012）抗菌塑料也已廣泛應(yīng)用。Liu et al（2020b）為了解決窗戶涂料在自清潔的同時(shí)還能控制室溫的需求，研發(fā)了一種季銨鹽雙功能抗菌/熱致變色涂料（圖5b）。Min et al（2020）以季銨鹽改性殼聚糖和聚乙烯醇為原料，采用簡(jiǎn)便環(huán)保的水溶液澆鑄法制備了一種透明、生物可降解、防霧、抗菌的多功能食品包裝復(fù)合材料（圖5c）。簡(jiǎn)單的季銨化改性賦予涂層優(yōu)良的抗菌功能，在日常的食品包裝、果蔬包裝中具有廣闊的應(yīng)用前景（Belkhir et al，2017）。此外，有機(jī)陽(yáng)離子抗菌材料在牙科洗滌材料或漱口水中也有應(yīng)用（Antonucci et al，2012）。

圖5 有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的應(yīng)用Fig.5 Application of organic cationic charge sterilizing materials

3.3 生物醫(yī)藥領(lǐng)域

微生物感染已成為人類健康的一大殺手，尤其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，所有醫(yī)療器械的表面都很容易為致病菌等微生物的生長(zhǎng)提供合適條件和環(huán)境。因此針對(duì)生物醫(yī)藥領(lǐng)域的材料，如醫(yī)療器械、骨齒科植入材料、傷口敷料等材料的抗菌功能就顯得尤為重要。目前，生物醫(yī)藥領(lǐng)域中絕大多數(shù)抗菌材料均是在原有表面進(jìn)行接枝引入抗菌官能團(tuán)從而賦予其抗菌功能。

Winkel et al（2015）在鈦合金表面修飾季鏻鹽能大大減少病原菌的附著，減少生物膜的形成，且對(duì)人類正常細(xì)胞（人體牙齦纖維細(xì)胞和人體表皮纖維細(xì)胞）幾乎無(wú)副作用；有機(jī)陽(yáng)離子修飾鎂合金（Pei et al，2019）、鈦合金和Ti6Al4V合金（Battocchio et al，2019）等體內(nèi)植入材料具有一定血液相容性和抗菌活性，增加了醫(yī)療器械的使用壽命，目前已應(yīng)用在心血管和骨科領(lǐng)域。傷口敷料是生物醫(yī)藥領(lǐng)域使用最廣泛的傷口治療和包扎用品。多項(xiàng)報(bào)道顯示：殼聚糖基抗菌凝膠有良好的抗菌性能，可以抑制傷口周圍細(xì)菌的繁殖，促進(jìn)傷口愈合，且具有優(yōu)異的生物相容性。該材料可用于皮膚愈合的創(chuàng)面敷料或繃帶，這種敷料不僅具有抗菌作用，還能在傷口界面保持潮濕的環(huán)境，起到冷敷和緩解疼痛的作用（Vasile et al，2014；Amato et al，2018；Vijayakumar et al，2020）。此外，還有季銨鹽基的交聯(lián)共混醫(yī)藥包裝薄膜（Pour et al，2015）、殼聚糖細(xì)胞生長(zhǎng)支架材料（圖5d）（Wu et al，2021）、殼聚糖季銨鹽改性樹脂義齒材料（Antonucci et al，2012；Song et al，2016）等。

4 總結(jié)與展望

在全球面臨新冠疫情的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，在我國(guó)政府大力倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)背景下，抗菌材料及抗菌產(chǎn)業(yè)將在世界傳染病防治、環(huán)境污染防治、生物醫(yī)藥、大健康產(chǎn)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域大有作為。有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料具有優(yōu)異的抗菌性能，能夠?yàn)槿藗兊纳】岛蜕a(chǎn)安全提供強(qiáng)有力的保障。本文通過(guò)綜述有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的本質(zhì)特性，充分闡述了該類材料的具體類型、結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)性質(zhì)、殺菌效果、抗菌機(jī)理及應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

盡管目前已取得不錯(cuò)進(jìn)展，但有機(jī)陽(yáng)離子型電荷殺菌材料的開發(fā)和應(yīng)用還存在諸多難點(diǎn)，亟需深化拓展。理想型的抗菌材料應(yīng)具備抗菌效率高、見效快、不產(chǎn)生耐藥性、穩(wěn)定性優(yōu)、安全無(wú)毒生物相容性好、制備工藝簡(jiǎn)單、加工性好、使用便捷等特點(diǎn)。預(yù)計(jì)未來(lái)對(duì)有機(jī)陽(yáng)離子型抗菌材料的研究主要集中在以下幾個(gè)方向：（1）深入系統(tǒng)研究材料的抗菌作用機(jī)理。材料與微生物作用時(shí)對(duì)微生物具體生命結(jié)構(gòu)的損傷和破壞，特別是有關(guān)阻止生物膜的形成及其相關(guān)機(jī)制。除了關(guān)注材料的正面效應(yīng)外，還應(yīng)進(jìn)行全面的毒性研究，對(duì)材料的毒理學(xué)研究應(yīng)包括應(yīng)用基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等相關(guān)生物學(xué)技術(shù)，結(jié)合相關(guān)儀器平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料對(duì)機(jī)體各器官、組織、細(xì)胞及生物大分子的相互作用及損害機(jī)理，對(duì)作用機(jī)理的理解有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和研發(fā)更加有效的抗菌材料。（2）開發(fā)復(fù)合型/智能型抗菌材料?，F(xiàn)有研究中已出現(xiàn)了無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)-有機(jī)、有機(jī)-有機(jī)復(fù)合抗菌材料，復(fù)合材料在使用過(guò)程中發(fā)揮著“1 +1＞2”的協(xié)同作用，未來(lái)應(yīng)更多關(guān)注多種物質(zhì)復(fù)合材料，從各個(gè)方面提升材料的綜合性能。同時(shí)還應(yīng)開發(fā)相關(guān)智能殺菌材料，如可以殺死細(xì)菌和釋放死菌尸體的可切換響應(yīng)智能材料，賦予多重功能，拓寬其應(yīng)用范圍。（3）應(yīng)加強(qiáng)研制特異性較強(qiáng)的抗菌材料。其應(yīng)針對(duì)某類致病菌有極強(qiáng)的殺滅能力，但對(duì)有益微生物無(wú)影響，便于在特定的環(huán)境中使用。（4）設(shè)計(jì)研發(fā)合成工序簡(jiǎn)單、成本低廉、功能多樣化、綠色環(huán)保的抗菌材料。合成工序、生產(chǎn)成本、功能及環(huán)保性等因素將直接決定材料的市場(chǎng)化應(yīng)用前景，應(yīng)該從這些方面著手，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化，讓最新的科學(xué)成果更快地走入人們的生活。