用于抗新型冠狀病毒的無機表面材料及其作用機制

李丹，肖麗萍，范杰

（浙江大學化學系,浙江省應用化學重點實驗室,杭州 310027）

新型冠狀病毒全稱為嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2），是引起新冠肺炎（COVID-19）的病毒.自2019年12月我國公開報道第一例新冠肺炎病例以來［1］，COVID-19已迅速成為一場席卷全球的大流行病，對人類的健康和全球的經濟等產生了災難性的影響.截止到2022年5月，全球累計感染人數超過5.1億，死亡人數超過620萬［2］.

SARS-CoV-2的主要傳播途徑為接觸傳播、污染物傳播和氣溶膠傳播［3～6］.因此，開發(fā)一種能夠快速、有效抑制SARS-CoV-2的表面材料，以阻斷這3種傳播途徑，對減少病毒的傳播至關重要.無機材料廉價易得、有明確的抗微生物特性，在抑制SARS-CoV-2表面材料的應用中具有巨大潛能.本文首先介紹了SARS-CoV-2的基本結構及生命周期、傳播途徑和活性檢測方法；然后重點綜述了具有抗病毒特性的無機表面材料（金屬單質及其衍生物、石墨烯及其衍生物和沸石等）的研究進展，對這些材料抑制SARS-CoV-2的實際和潛在應用進行介紹，同時闡述其可能的作用機制（圖1）；最后，對無機抗病毒表面材料領域面臨的機遇與挑戰(zhàn)進行了展望，為設計高效的無機抗病毒表面材料提供了新思路.

Fig.1 Schematic diagram of inorganic-based antiviral surface materials

1 SARS-CoV-2

病毒是由DNA或RNA基因組及保護性蛋白質外殼組成的非細胞型生物，其復制、轉錄、翻譯等生命必需活動都需在宿主細胞中進行.冠狀病毒則是一種高度多樣化的包膜陽性單鏈RNA病毒家族，分為α，β，γ和δ4種屬，可感染鳥類、人類和其它哺乳動物.已知有7種冠狀病毒會引起人類感染，其中HCoV 229E，HCoV NL63，HCoV HKU1和HCoV OC43［7］均為低致病率的病毒；而另外3種冠狀病毒：嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）［8，9］、中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）［10，11］和嚴重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）［1，12］，能對人類造成致命的肺炎感染.

SARS-CoV-2屬于β屬冠狀病毒家族，具有冠狀病毒的典型結構特征：形狀近似球形，直徑在60～140 nm，病毒顆粒表面有形似“日冕”的刺突蛋白［1］.自SARS-CoV-2病毒被首次分離以來，科學家已對其基本結構、生命周期及傳播機制進行了詳細研究，這些基本認識能夠幫助人們更加有針對性地采取針對新冠肺炎的治療措施，同時也為防控SARS-CoV-2的傳播提供參考.

1.1 SARS-CoV-2的基本結構及生命周期

SARS-CoV-2具有陽性單鏈RNA基因組，大小約29.9 kb，包含約30000個核苷酸.基因組包含12個功能性開放閱讀框（ORF）［13］，它們共編碼至少29種蛋白：16種非結構蛋白（NSPs）、9種輔助蛋白、4種結構蛋白［包括刺突蛋白（S）、膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）和核衣殼蛋白（N）］（圖2）［14］.

S蛋白主要負責SARS-CoV-2與宿主細胞的結合與膜融合，包含2個亞基：受體結合亞基S1和膜融合亞基S2.S1亞基負責與靶細胞上的受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）結合，其中，S1所包含的受體結合域（RBD）是識別與結合ACE2的關鍵位點.S2亞基則與宿主細胞進行膜融合，使病毒基因組進入宿主細胞［15］.研究發(fā)現，SARS-CoV-2的S蛋白與ACE2受體具有較高的親和力，比SARS-CoV的S蛋白與ACE2受體的結合能力高10～20倍［16］.

Fig.2 Schematic presentation of the virion structure[14]

M蛋白的主要功能包括營養(yǎng)物質的跨膜運輸、新生病毒出芽釋放、病毒外包膜的形成以及特異性體液反應.此外，M蛋白的跨膜結構域可能包含1個T細胞表位簇，具有細胞免疫原性［17］.E蛋白是一種跨膜蛋白，它參與病毒組裝，并且其疏水跨膜結構域對病毒粒子的釋放至關重要［18］.N蛋白是一種磷酸化蛋白質，可形成螺旋衣殼，將陽性單鏈RNA基因組包裹在里面.

SARS-CoV-2的生命周期主要可分為4個階段：吸附于宿主細胞，進入宿主細胞，進行病毒復制以及成熟和釋放.如圖3［19］所示，病毒通過S蛋白與ACE2結合后，細胞膜中的跨膜蛋白酶絲氨酸2（TMPRSS2）蛋白酶切割S蛋白，S2結構域被激活，最終導致病毒與細胞的膜融合［20］.另外，SARS-CoV-2的S蛋白也可被Furin蛋白水解激活［21］.病毒進入細胞后，ORF1a和ORF1b各編碼1個多聚蛋白，這2個多聚蛋白經過加工后可產生16種非結構蛋白（NSP1-16）行使功能，它們負責完成病毒基因組RNA的復制和基因轉錄等功能［22，23］.病毒RNA和N蛋白在宿主細胞細胞質中生物合成，其它結構蛋白則在內質網中生物合成并運輸到高爾基體.病毒RNA-N蛋白復合體和S蛋白、M蛋白及E蛋白隨后在內質網-高爾基中間室中組裝，產生成熟的病毒顆粒.成熟病毒隨后通過出芽過程從高爾基體釋放，再通過胞吐作用從宿主細胞釋放［24，25］.

Fig.3 The SARS-CoV-2 viral life cycle[19]

正確認識病毒的基本結構及生命周期可以為病毒感染的治療提供思路，任何一個蛋白質或者生命過程都可以為藥物治療提供潛在靶點.例如，于2020年5月獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）緊急使用授權的瑞德西韋（Remdesivir）被認為是RNA聚合酶（RdRp）的一種競爭性抑制劑，可有效降低RNA復制［26］，達到治療的效果.另外，了解病毒的基本結構及生命周期也可以為預防病毒感染提供參考，如通過抑制病毒與宿主細胞的吸附及進入達到抑制病毒感染的目的.

1.2 SARS-CoV-2的傳播機制

作為一種呼吸道傳播病毒，SARS-CoV-2的一般傳播途徑包括接觸傳播、污染物傳播和氣溶膠傳播［3～6］.如圖4［27］所示，感染者咳嗽、打噴嚏或說話時排出的呼吸道飛沫中含有病毒，并且這些飛沫中的病毒能在很長一段時間內保持活力和傳染性，導致病毒的快速擴散.呼吸道飛沫可分為大顆粒（＞5 μm）和小顆粒（≤5 μm）［28］.

大顆粒的呼吸道飛沫遷移距離相對較短，約為1 m，進入空氣后立即開始蒸發(fā)并收縮，并由于重力作用迅速沉降在各種物體表面（如桌面、按鈕、扶手和觸摸屏等），使它們成為潛在的感染源，進而導致接觸傳播和污染物傳播［12，29，30］.研究表明，在塑料和不銹鋼表面上3 d后仍可檢測到活SARS-CoV-2病毒［31］，在口罩外層7 d天后仍可檢測到具有感染活性的SARS-CoV-2［32］.

小顆粒的呼吸道飛沫有可能成為懸浮的氣溶膠顆粒，并在空氣中停留較長時間，從而使病毒通過氣溶膠進行長距離傳播（＞1 m）［33，34］.因此，除了使沉積的病毒顆粒滅活以避免前兩種途徑外，戴口罩、隔離等其它感染防控措施也能夠有效防止病毒通過氣溶膠傳播.其中，口罩和呼吸器是保護醫(yī)護人員和可能接觸到病毒的普通民眾的有效和必要設備［35～38］.

Fig.4 Common transmission pathways of respiratory diseases[27]

1.3 病毒活性檢測方法

病毒活性的檢測對藥物治療效果、材料抗病毒效果的評判至關重要.傳統(tǒng)的病毒活性檢驗方法以活細胞培養(yǎng)為工具，通過病毒接種至細胞后，觀察接種細胞的病變效應（CPE）來量化具有感染活性的病毒，主要有半數組織細胞感染劑量（TCID50）測定及空斑形成試驗（PFU）等.近年來，已相繼開發(fā)出一些以病毒的基因或蛋白為基礎的檢測方法，例如實時熒光定量聚合酶鏈反應（qPCR）和酶聯(lián)免疫吸附試驗（ELISA）等技術.另外，也可以通過對病毒顆粒直接計數進行活性確定，例如流式細胞分析和電子顯微鏡技術等.其中，TCID50及qRT-PCR是目前應用最多也是最成熟的技術.

1.3.1 半數組織培養(yǎng)感染劑量（TCID50）測定TCID50指使用不同稀釋度的病毒接種至細胞后引起50%死亡或病變時的病毒稀釋度，它反映了病毒感染性的強弱，而不是病毒顆粒的數目.通常應用Spearman-Karber或Reed-Muench公式計算得到TCID50值［39］.在進行材料抗病毒性能比較時，一般用TCID50的對數值（lgTCID50）進行比較，材料的抗病毒活性值（Mv）定義為作用前后lgTCID50的差值；也可以用抗病毒活性率（%）表示：對應于抗病毒活性率99%，Mv=3則對應于則抗病毒活性率99.9%.在ISO18184：紡織品抗病毒活性檢測中，將2.0≤Mv＜3.0的抗病毒效果定義為好，Mv＞3.0的抗病毒效果定義為極好［40］.

盡管TCID50測定長期以來作為病毒活性檢測和抑制驗證的標準，但仍存在一些缺點.一方面，并不是所有病毒都能在細胞培養(yǎng)中產生CPE，為了產生CPE，細胞系必須與病毒互相匹配；另一方面，CPE觀察受到觀察者的主觀因素影響較大，需要大量的平行樣本獲得相對準確的統(tǒng)計結果.因此，傳統(tǒng)TCID50測定方法耗時長、成本高且容易受人為因素影響.

1.3.2 實時熒光定量聚合酶鏈反應（qPCR）qPCR是一種可用于定量檢測病毒的分子方法，具有準確、快速的特點.其過程可簡單概括為：從樣本中提取病毒的DNA或RNA，并根據目標病毒選擇特定的引物和熒光探針，然后在實時PCR熱循環(huán)儀上建立反應并進行擴增［41］.當擴增反應結束后，可得到循環(huán)閾值（Ct值），即每個反應管內的熒光信號到達設定閾值時所經歷的循環(huán)數.每個模板的Ct值與該模板的起始拷貝數的對數值存在線性關系，成為定量的依據.qPCR這一檢測方法特異性強、準確度高、檢測速度快，但也有可能產生假陰性或假陽性，試劑盒污染等問題.

2 抗SARS-CoV-2病毒的無機表面材料

在當今的全球社會中，病毒可以迅速和容易地跨越國界傳播，對全球民眾的健康和經濟造成災難性影響.由于病毒多樣的感染傳播方式，如通過接觸、污染物和氣溶膠傳播，沒有單一的辦法來防止病毒的傳播，使問題更加嚴重.病毒離開人體后，需要面臨人體外一系列復雜而動態(tài)的環(huán)境條件.因此，我們有很多機會利用各種材料設置障礙，在病毒粒子到達宿主并突破最終的生物和免疫防御之前，阻止它們并使其失活.其中，適當的個人防護設備（PPE）和公共場所（如學校、醫(yī)院或機場）的抗病毒表面對減少病毒傳播十分重要.病毒在材料表面的活性主要受四方面因素影響［42，43］（圖5）：（1）病毒本身結構特點，如是否具有包膜等；（2）物理條件，如相對濕度、溫度、光照等；（3）表面的性質，如孔隙度、粗糙度及親疏水性等；（4）化學物質，如pH值、活性離子和抗病毒物質的存在等.每種病毒都以其獨特的方式與材料表面進行相互作用，因此，要得到有效的抗SARS-CoV-2病毒表面材料，可以加入對這幾種因素的考量，以達到最優(yōu)的抗病毒性能.

Fig.5 Surface properties influencing the persistence of viruses[43]

抗病毒物質的存在對于病毒活性的抑制至關重要.要達到抗病毒的目的，需要抑制病毒生命周期中的任一或多個過程.許多無機材料可以通過抑制病毒生命周期中的某一或多個過程達到優(yōu)異的抗病毒活性，并且由于其廉價易制得，容易加工應用在各種設施的表面（如公共交通、醫(yī)院及醫(yī)療設備）的特點，已被廣泛研究.下面將從金屬單質及其衍生物、石墨烯及其衍生物、沸石這三大類無機材料出發(fā)，對它們抑制SARS-CoV-2的實際和潛在應用進行介紹.

2.1 金屬單質及其衍生物

目前已發(fā)現有30多種金屬可能與微生物發(fā)生相互作用，包括銀、金、鉍、鈷、銅、鐵、汞、錳、鎳、鉛、鉑、銻、錫、鈦和鋅等［43］.隨著納米技術的發(fā)展，一系列基于金屬元素的納米粒子被開發(fā)出來.它們具有較大的比表面積，由此帶來了獨特的物理（如等離子體共振、熒光增強）和化學（如催化活性增強）特性，并且被應用到對微生物的抑制過程中.但這些金屬的作用機制還沒有被了解清楚，往往認為與一些病毒生存必需的過程受到影響有關.金屬元素在病毒生命周期的一系列過程中發(fā)揮重要作用，主要包括3個方面：（1）與病毒顆粒接觸并抑制病毒與細胞的附著及進入；（2）產生活性氧或其它自由基黏附在病毒的包膜上，從而破壞病毒核酸和蛋白質的功能；（3）模擬細胞核，增加宿主細胞的免疫應答，抑制病毒的出芽和擴散［44，45］.近年來，金屬單質及其衍生物已被廣泛用于各種抗病毒表面材料中，如銀、銅、鋅和鈦.

2.1.1 銀單質及其衍生物 銀單質及其衍生物具有優(yōu)秀的抗微生物性能，已被廣泛應用于紡織品、醫(yī)療設備和傷口敷料中［46，47］.銀納米粒子（Ag NPs）可以與病毒包膜相互作用，從而抑制它們與宿主細胞的吸附和進入.銀納米粒子的粒徑對其抗病毒活性有很大影響.Orlowski等［48］通過化學還原法合成了平均粒徑為33 nm的Ag NPs，這種Ag NPs可通過抑制病毒與宿主細胞的黏附而有效控制小鼠單純皰疹病毒2型（HSV-2）感染.Du等［49］制備了平均粒徑小于5 nm的Ag2S納米團簇，并發(fā)現它們通過抑制RNA合成和病毒出芽來實現對豬流行性腹瀉病毒（PEDV）的抑制.

Tremiliosi等［50］證實，由銀納米粒子功能化的滌棉織物對SARS-CoV-2病毒具有抑制作用，在2 min的共孵育后，可實現99.99%的抑制率.此外，它還對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌等病原體有99.99%的抑制作用.Assis等［51］制備了二氧化硅-銀納米粒子-聚乙酸乙烯酯復合物，其可實現對SARS-CoV-2 2 min內99.05%和10 min時99.85%的抑制率.在對機制的研究中發(fā)現，二氧化硅可以通過表面等離子體共振效應增強銀納米粒子誘導產生活性氧（ROS）的能力，從而導致病毒的滅活.

2.1.2 銅單質及其衍生物 銅單質及其衍生物被用作抗病毒材料已有上百年的歷史［52，53］，它們的抗病毒機制可以總結為以下兩點：（1）與含硫醇基團和氧位點的高度親和力使核酸和蛋白質的構象結構發(fā)生變化，從而喪失功能［54，55］；（2）Cu2+和Cu+之間的氧化還原循環(huán)可以催化高反應性·OH的產生，從而破壞脂質、蛋白質、核酸和其它生物分子［56，57］.

銅單質對SARS-CoV-2的抑制作用最早由Doremalen等證實［31］，他們發(fā)現在銅表面上4 h后即檢測不到具有感染活性的SARS-CoV-2.Liu等［58］開發(fā)了一種含20%（分量分數）銅的不銹鋼材料，其在3 h和6 h內可降低SARS-CoV-2活性的99.75%和99.99%.并且，再一次證實了純銅對SARS-CoV-2的高抑制作用，僅3 h即可抑制99.99%的病毒，6 h后未檢測到活病毒.相對地，純銀和含銀的不銹鋼對SARS-CoV-2沒有明顯的抑制作用.Hosseini等［59］制備了一種抗SARS-CoV-2的多孔親水氧化銅（CuO）涂層，當將其鍍到玻璃上時，與普通玻璃相比，SARS-CoV-2在30 min和1 h內的傳染性分別降低了99.8%和99.9%.同時，他們在對抑制機制的研究中發(fā)現，SARS-CoV-2與CuO的接觸是抑制感染的必要條件，而非CuO的溶出物，SARS-CoV-2與CuO的接觸失活可能是由靜電相互作用引起的.Behzadinasab等［60］則開發(fā)了一種由氧化亞銅（Cu2O）顆粒與聚氨酯結合的涂層，將其鍍膜至玻璃或不銹鋼上1 h后，與未鍍膜樣品相比，病毒滴度平均降低約99.9%.并且這種涂層具有較好的耐受性，在浸入水中13 d或經歷暴露于病毒和消毒的多個周期后仍保持完好和活性.Hewawaduge等［61］設計了一種含硫化銅（CuS）的三層口罩（圖6），在30 min內能夠有效殺滅SARS-CoV-2；1 h后病毒幾乎完全被殺滅.并且，CuS對SARS-CoV-2的抗病毒活性來源于固態(tài)CuS，而不是溶解CuSO4衍生的Cu2+離子形式.

Fig.6 CuS-impregnated three-layer mask with inactivating effect on SARS-CoV-2[61]

2.1.3 鋅單質及其衍生物鋅單質及其衍生物對多種病毒的抑制作用已被證實，包括人類鼻病毒（HRV）［62，63］，單純皰疹病毒（HSV）［64］.人體免疫缺陷病毒（HIV）［65］.丙型肝炎病毒（HCV）［66，67］和流感病毒（H1N1）［68，69］等，并對其抑制作用的機制進行了研究.對于小核糖核酸病毒，它們的蛋白酶普遍對Zn2+較敏感，進而會使得病毒的多蛋白加工過程受到影響［62，70］.此外，Te Velthuis等［71］發(fā)現Zn2+可以抑制SARS-CoV和馬動脈炎病毒（EAV）的RNA聚合酶活性，從而抑制病毒RNA的復制.Wei等［72］證實鋅鹽對傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的抑制作用來源于影響病毒與受體細胞的融合、病毒在細胞內的生命周期以及新病毒的釋放，而對病毒與受體細胞的結合并沒有影響.

Hosseini等［73］用氧化鋅顆粒制成了抗微生物涂層，其可在1 h內將SARS-CoV-2懸液的傳染性降低99.9%，且這種涂層可應用于各種物體（如扶手和門把手）上，以阻止COVID-19的傳播.Gopal等［74］發(fā)現，含有Zn2+的聚酰胺6.6（PA66）纖維在1 h內對H1N1和SARS-CoV-2抑制率能達到99%，并且在50次以上的標準洗滌中，Zn2+含量和對病毒的抑制性能均保持穩(wěn)定.

2.1.4 鈦單質及其衍生物 以二氧化鈦（TiO2）為代表的鈦類衍生物具有卓越的捕光能力，可以產生電子空穴對和ROS，如對微生物有害的超氧自由基（·O2-）和羥基自由基（·OH）［75，76］，從而破壞病毒蛋白質和核酸的正常功能，影響病毒正常的生命周期.Tong等［77］研究了在低照射條件（375 nm，0.4 mW/cm2）下納米TiO2對多種病毒的影響，證實了光活化的TiO2能有效抑制包括SARS-CoV-2及丙型肝炎病毒（HCV）在內的共7種病毒.對HCV的抑制機理研究表明，光誘導的·OH在病毒失活中起主要作用，并且光誘導的自由基并不降低病毒粒子的結構成分水平，而是損害病毒基因組的功能，從而導致病毒失活.Li等［78］將酯化、氮摻雜的TiO（2N-TiO2）和TiO2混合物沉積于由聚乙烯醇（PVA）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）和纖維素納米纖維（CNF）靜電紡絲得到的織物上，制得了一種可重復使用、可生物降解、抗菌的口罩，這種N-TiO2/TiO2沉積口罩具有優(yōu)良的抗菌和光催化再生性能，其在自然太陽光下照射10 min后即可達到對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌100%的抑制率，使用后的口罩可在光照下進行消毒以供重復使用，從而解決口罩短缺、口罩重復使用和廢棄口罩處理方面的問題.

2.2 石墨烯及其衍生物

石墨烯及其衍生物對細菌和病毒具有很強的親和力，對多種病原體均表現出顯著的抑制作用［79～82］.針對其微生物抑制機制有兩種解釋：（1）石墨烯材料能夠通過與特定抗體或配體的相互作用［83］、靜電相互作用［84，85］、誘捕或包裹［86～88］來捕獲病原體；（2）石墨烯薄片可以通過疏水［89～91］或機械相互作用［92，93］破壞病原體.一般認為，基于石墨烯的材料主要通過“結合和包裹機制”對病毒具有活性，因此可抑制病毒與宿主細胞吸附這一過程，也說明石墨烯在病毒與宿主細胞的相互作用過程中僅起到暫時抑制的作用，病毒仍是可以逃脫抑制的.de Maio等［94］研究了溶液中氧化石墨烯結合和誘捕懸浮SARS-CoV-2病毒顆粒的能力，發(fā)現離心作用后的病毒液感染性幾乎完全被抑制，而不離心時，病毒感染性沒有明顯下降，因此確定氧化石墨烯是通過將病毒包裹在顆粒中導致沉淀.進一步地，他們發(fā)現與石墨烯/氧化石墨烯功能化的棉或聚氨酯共孵育2 h后，SARS-CoV-2的感染滴度降低了99%.Goswami等［95］將功能化石墨烯通過浸涂方法用于聚丙烯（PP）布上，實現了對SARS-CoV-2傳播的完全阻斷.Zhong等［96］采用雙模激光誘導正向轉移法將石墨烯沉積在無紡布口罩上，賦予口罩表面超疏水的特性，從而減少對帶病毒的液滴吸附.并且，在陽光照射下，這種口罩表面溫度可迅速升高至80℃以上，使口罩經過陽光消毒后可重復使用.Shan等［97］開發(fā)了一種電熱石墨烯口罩（圖7），其包含柔性導電電極和具有高導電率和熱導率的石墨烯薄膜，與光熱石墨烯口罩相比，可以在不考慮天氣的情況下，在3 V電壓下快速升溫至80℃以上.然而，上述基于石墨烯的口罩的光熱性能可能無法由使用者控制或調節(jié)，因此在佩戴時存在口罩溫度過高的風險.

Fig.7 Reusable self-sterilization masks based on electrothermal graphene filters[97]

2.3 沸 石

沸石是一種具有規(guī)則孔道結構的硅鋁酸鹽晶體，由［SiO4］和［AlO4］四面體通過共享頂點氧原子構成的陰離子骨架結構需要由額外的陽離子平衡，其化學通式可表示為Mn/m（SiO2）（AlO2）n·xH2O（M為陽離子，價態(tài)為m）.一般認為，沸石可通過靜電作用非特異性地吸附病毒，從而抑制病毒與宿主細胞的吸附.Grce等［98］發(fā)現天然斜發(fā)沸石對病毒具有一定的抑制作用.他們選取了人腺病毒5型、單純皰疹病毒1型（HSV-1）和人腸道病毒（柯薩奇病毒B5和?？刹《?）作為研究對象，發(fā)現沸石對病毒的抑制作用與沸石濃度及病毒的種類和濃度有關.當沸石濃度達到50 mg/mL時，可對病毒增殖達到最高的抑制作用，這可以由沸石通過吸附病毒達到抑制病毒與宿主細胞吸附的作用機制來解釋.但研究同時發(fā)現，沸石對HSV-1、柯薩奇病毒B5和埃可病毒7的抑制作用優(yōu)于腺病毒5，這一結果無法用沸石對病毒的抑制作用僅來源于非特異性吸附作用來解釋.

由于純沸石對微生物的抑制作用并不理想，研究者們開始利用具有明確抗微生物作用的金屬離子與沸石孔道及籠中的陽離子進行交換，從而賦予沸石優(yōu)異的抗微生物特性.已有許多文獻報道交換了Ag+，Zn2+，Cu2+等陽離子的沸石具有優(yōu)異的抗微生物效果［99～101］.Bright等［102］用不同金屬離子交換的沸石粉末懸浮液分別孵育人體冠狀病毒229E（HCoV-229E）和貓傳染性腹膜炎病毒（FIPV），發(fā)現在3.5%Ag/6.5%Cu，20%Ag和0.6%Ag/14%Zn/80%ZnO 3個實驗組中，3.5%Ag/6.5%Cu對病毒的抑制效率最高，1 h內就能使病毒活性顯著降低.作者進一步用3.5%Ag/6.5%Cu沸石-塑料孵育人體冠狀病毒229E和貓杯狀病毒株F-9，實驗結果表明加了沸石的塑料相較于未加沸石的塑料對病毒的抑制效果有明顯提升.Imai等［103］先在紡織物（100%棉）上化學合成A沸石，再以銅離子進行交換（0.5 g/m2），以此銅沸石織物測試對禽流感病毒H5亞型中高、低致病性H5N1和H5N3的抑制作用，發(fā)現即使在短時間內將材料與病毒液共孵育，病毒活性也得到了有效抑制.對于這一銅沸石織物的抗病毒性能，作者解釋為病毒結構被銅離子快速、高度地破壞.

一般認為，與游離的金屬離子相比，在沸石孔道及籠中的金屬離子在實際應用中意義更加重大.一方面，游離的金屬離子容易氧化，而在沸石孔道及籠中的金屬離子更加穩(wěn)定，從而可保持長時間的抗微生物活性［104］；另一方面，沸石孔道及籠中的金屬離子濃度遠高于一般的金屬離子溶液，沸石表面高濃度的金屬離子可以保證高效的抗微生物活性，同時，沸石骨架對金屬離子的可控性釋放可以保證較低的人體毒性和環(huán)境危害.

SARS-CoV-2的受體結合域RBD等電點為8.9，因此，沸石的負電表面可以與RBD發(fā)生靜電相互作用.進一步地，進行離子交換后的沸石孔道中富集的金屬離子可以與病毒發(fā)生相互作用，從而導致病毒活性的喪失.因此，金屬離子交換的沸石在SARS-CoV-2的抑制方面具有潛在應用價值.

表1 總結了目前文獻報道的明確具有抗SARS-CoV-2病毒效果的無機表面材料[31,51,58―61,73,74,94,105―109].Table 1 Summary of literature on inorganic surface with anti-SARS-CoV-2 properties with reported mechanism of action and persistence

3 總結與展望

新冠肺炎疫情的突然爆發(fā)讓具有抗病毒特性的無機表面材料受到了關注.本文綜述了以金屬單質及其衍生物、石墨烯及其衍生物、沸石為代表的3類無機表面材料在抗病毒應用中的表現及相關作用機制.對于金屬單質及其衍生物，它們應用較為廣泛，既可以制成合金或者通過鍍膜、涂層技術應用于公共場所和醫(yī)療設備中，也可以直接添加到紡織物中、通過紡絲技術制成敷料或者口罩進行利用.同時它們具有廣譜性的抗病毒效果，并且不易產生耐藥性.但含金屬材料要達到高效的抑制率往往需要較長的作用時間，難以達到日常防護的需求.對于石墨烯及其衍生物類材料，它們通常是以浸漬或沉積的方式負載于紡織物上，以口罩的形式進行使用.石墨烯及其衍生物通過光致升溫達到對病毒的高效滅活，但它們的光熱性能可能無法由使用者控制或調節(jié)，因此在使用過程中存在溫度過高的風險.對于金屬離子交換后的沸石，盡管已被證實對多種病毒具有抑制效果，但它們往往是通過浸漬的方式負載于紡織物或者是涂覆于不同表面上，這個過程中使用的黏合劑不僅堵塞沸石孔道，不利于抗病毒性能的發(fā)揮，并且通過黏合劑固定的沸石仍然面臨著較大的脫落風險.

在大量抗病毒材料的研發(fā)過程中，還有許多問題需要引起重視.首先，既需要保證材料具有高的抑制率，又要考慮材料對人體健康和環(huán)境的安全性等.其次，應降低抗病毒材料的制備難度及生產成本，從而保證后續(xù)材料的大規(guī)模生產是可行的，使其真正地應用到人們的日常生活中，而不僅限于實驗室的研發(fā)階段.同時，盡管已有較多文獻探究病毒在不同表面材料上活性的變化情況，但測試過程及方法缺乏規(guī)范性，這也導致難以對不同類型材料進行系統(tǒng)研究及比較.目前已有多項標準用于檢測、評估對病毒的殺滅活性，例如針對紡織物抗病毒活性檢測的ISO18184、針對塑料及其它無孔表面抗病毒活性檢測的ISO21702等等，但在文獻中還缺少應用.最后，還需要拓深對材料與病毒相互作用的認識，明確抑制機制，從而指導今后抗病毒材料的設計.

銅是最簡單、有效的抗病毒材料之一，并且它對SARS-CoV-2的抑制作用已經被多方面證實.但它的缺陷也是顯而易見的，要達到較高的抑制率（99%），往往需要30 min及以上的時間，而人們每不到3 min就會下意識地觸摸自己的臉部［110］，這一過程就可能會導致病毒從物體表面轉移到皮膚黏膜上，因此銅發(fā)揮抑制作用所需的長時間限制了它的應用.同樣地，沸石也已被應用于抗病毒材料的設計中，但主要問題同樣是效果不佳，這可能歸因于其抗病毒效果來源于非特異性吸附.基于沸石優(yōu)異的離子交換特性，可通過離子交換得到不同交換度的銅基沸石.已有研究將銅基沸石應用于抗病毒材料中，但尚未針對SARS-CoV-2進行抑制作用的探究，銅基沸石對SARS-CoV-2的潛在抑制作用值得進行探索.SARS-CoV-2要感染宿主細胞，首先需要病毒顆粒表面刺突蛋白所包含的受體結合域RBD與宿主細胞上的ACE2受體進行識別與結合.在RBD與ACE2識別、結合的過程中，銅基沸石是否能發(fā)揮作用，從而影響到RBD-ACE2的結合，這可以作為一個切入點進行探究.同時在抗病毒作用的發(fā)揮中，沸石是僅作為銅離子的載體，還是通過其本身特性（包括負電表面、多孔性等）與銅離子共同發(fā)揮協(xié)同作用，仍值得深入研究.