納米抗菌材料的研究進(jìn)展

孔秋晨，佘慧明，楊粵軍

（湖南師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)系，湖南長沙 410006）

耐藥菌是指具有耐藥性的病原菌，在長期的抗生素選擇之后出現(xiàn)的對(duì)相應(yīng)抗生素產(chǎn)生耐受能力的微生物。細(xì)菌的耐藥性是指細(xì)菌多次與藥物接觸后，對(duì)藥物的敏感性減小甚至消失，致使藥物對(duì)耐藥菌的療效降低甚至無效。而長時(shí)間抗生素的濫用促進(jìn)了耐藥菌的產(chǎn)生，這增加了感染性疾病治愈的難度，并迫使人類尋找新的對(duì)抗微生物感染的方法。由于抗菌納米材料具有更高的膜通透性，具有充當(dāng)外排泵抑制劑的能力且具有多種抗菌作用，與傳統(tǒng)抗生素相比，不易誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性，成為學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的新型抗菌物質(zhì)。

1 抗菌多肽（Antimicrobial Peptide，AMPs）納米材料

AMPs的作用機(jī)制可分為孔隙形成機(jī)制和地毯形成機(jī)制[1]。由于其本身的性質(zhì)，AMPs存在高毒性、低生物利用度、易被蛋白酶降解、低靶點(diǎn)效率等缺點(diǎn)，限制了其作為抗菌藥物的應(yīng)用。但可以用聚合物、納米顆粒、膠束、碳納米管、樹枝狀大分子和其他類型的系統(tǒng)等作為載體來遞送AMPs，此法使得AMPs替代抗生素進(jìn)行相關(guān)治療成為可能[2]。已經(jīng)證明，AMPs在納米顆粒中的自組裝可以增加細(xì)菌表面正電荷的局部密度和肽質(zhì)量，從而增強(qiáng)AMPs的抗菌活性。值得注意的是，將AMPs直接共軛到合成粒子上不僅方便，而且可以提高性能，如RUDEN等[3]通過AMPs固定化Ag納米顆粒，并證明該法可顯著增強(qiáng)材料的抗菌活性；偶聯(lián)AMPs到Au納米顆粒上可以增強(qiáng)肽的穩(wěn)定性和對(duì)所需病原體的輸送效力[4]。

2 金屬基納米顆粒

2.1 單金屬氧化物納米材料

金屬氧化物納米顆粒因?qū)?xì)菌具有明顯的毒性且誘導(dǎo)耐藥性的傾向遠(yuǎn)低于抗生素而受到廣泛關(guān)注。以單一金屬組成的多種納米氧化物（Fe3O4、TiO2、CuO、ZnO）作為新型抗菌藥物，對(duì)人體細(xì)胞的毒性相對(duì)較低，制備成本低，可通過調(diào)節(jié)微粒大小有效抑制多種細(xì)菌，具有阻止生物膜形成的能力，甚至可以消除孢子，適合應(yīng)用在織物抗菌藥物、護(hù)膚產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)和食品添加劑行業(yè)[5]。

2.2 多金屬氧化物納米材料

多金屬氧化物納米材料可有效消除各種細(xì)菌菌株，包括對(duì)現(xiàn)有治療方案具有高度抗藥性的菌株。VIDIC等[6]發(fā)現(xiàn)，燃燒技術(shù)制備的ZnMgO具有兩種純組分的優(yōu)勢(shì)：納米ZnO的高抗菌活性和納米MgO的低細(xì)胞毒性。使用這種混合金屬氧化物處理24 h后，革蘭氏陽性菌（B. subtils）被完全抑制，革蘭氏陰性菌（E.coli）被部分抑制。ZAWADZKA等[7]發(fā)現(xiàn)，與純TiO2相比，包覆Ag納米粒子的TiO2納米粒子對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌效果更強(qiáng)，耐久性更高。作者認(rèn)為納米顆粒與細(xì)菌細(xì)胞表面結(jié)合時(shí)可以直接機(jī)械破壞細(xì)菌細(xì)胞，而粒子表面釋放的銀離子則進(jìn)一步增強(qiáng)了殺菌活性。

2.3 貴金屬納米材料

銀納米粒子（Ag NPs）是目前研究最多的抗菌貴金屬納米材料之一，對(duì)包括耐藥菌在內(nèi)的多種病原體都顯示出較高的抗菌活性。Ag NPs主要通過對(duì)細(xì)胞膜造成物理損傷、產(chǎn)生活性氧（ROS）和自由基、在釋放銀離子后引起關(guān)鍵成分的功能異常等途徑發(fā)揮作用。但也有研究表明，Ag NPs本身及釋放的Ag離子對(duì)宿主具有潛在毒性[8]。

2.3.1 Ag NPs的抗菌特性

SONDI和SALOPEK-SONDI[9]首次報(bào)道了Ag NPs利用大腸桿菌對(duì)革蘭氏陰性菌的殺菌能力，他們發(fā)現(xiàn)納米顆粒在細(xì)胞壁形成的“凹坑”中積累，然后Ag NPs釋放自由基破壞細(xì)胞并消滅細(xì)菌。此外，有研究證實(shí)了Ag NPs釋放銀離子的氧化還原反應(yīng)是破壞細(xì)菌的因素之一，較小的Ag NPs（＜10 nm）從其表面釋放銀離子顯示出比細(xì)菌直接接觸該材料表面更高的抗菌活性[10]。KARMALI等[11]的研究闡明了Ag NPs的大小與抗菌效果之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示材料的直徑越小，殺菌活性越高。此外，Ag NPs對(duì)大腸桿菌O157:H7（易引發(fā)食物中毒）具有很高的抗菌活性，其抗菌對(duì)象包括化膿性鏈球菌、腸炎沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌等[8]。而銀離子對(duì)原核細(xì)胞，特別是革蘭氏陰性菌，有很強(qiáng)的殺菌活性，但對(duì)革蘭氏陽性菌的活性較弱，可能與革蘭氏陽性菌的厚細(xì)胞壁降低了陰離子的作用效果有關(guān)。同時(shí)，有報(bào)道指出Ag NPs有望成為有效的抗生物膜材料，解決醫(yī)學(xué)中有關(guān)持續(xù)感染的問題[12]。

2.3.2 Ag NPs的抗病毒特性

已有體外研究表明，Ag NPs對(duì)HaCaT細(xì)胞具有細(xì)胞毒性，低濃度（10 μmol/L）的Ag NPs具有劑量依賴的安全特性，而高濃度與較高的細(xì)胞死亡率相關(guān)[13]。Ag NPs的細(xì)胞毒性也在其他人類細(xì)胞模型中進(jìn)行了評(píng)估，Ag NPs導(dǎo)致細(xì)胞毒性的機(jī)制可能是通過誘導(dǎo)ROS的過量產(chǎn)生而導(dǎo)致DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡和機(jī)體的漸進(jìn)性衰老[14]。

2.4 金屬基二維抗菌納米材料

已經(jīng)證明，包括Ag、Au、Ti、Cu、Zn、Mg和Ni在內(nèi)的金屬納米顆粒表現(xiàn)出潛在的抗菌活性。但是，與2D納米材料相比，由于比表面積小和表面活性位點(diǎn)少，這些金屬納米顆粒的殺菌效率不高。解決此問題并獲得高性能抗菌效果的策略之一是用金屬納米顆粒修飾2D納米片或制備2D金屬納米片[15-17]。

3 光介導(dǎo)的抗菌納米材料

3.1 光熱療法（Photothermal Therapy，PTT）

在近紅外（Near Infrared，NIR）輻射（700～1 100 nm）下，納米材料具有將光轉(zhuǎn)化為熱的能力，因此納米藥劑可通過產(chǎn)生局部熱來治療細(xì)菌感染，但表面化學(xué)可影響PTT介導(dǎo)的細(xì)菌殺滅效率。HU等[18]發(fā)現(xiàn)混合帶電的兩性離子修飾的Au NPs（金納米顆粒）表現(xiàn)出從負(fù)電荷到正電荷的快速pH響應(yīng)轉(zhuǎn)變，這使Au NPs能夠很好地分散在健康組織中（pH 7.4），同時(shí)迅速表現(xiàn)出對(duì)金黃色葡萄球菌（MRSA）生物膜中帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面的強(qiáng)烈吸附（pH 5.5)。Au NPs的聚集增強(qiáng)了NIR光照射下MRSA生物膜的光熱消融，由于分散的Au NPs在近紅外光下沒有光熱效應(yīng)，周圍的健康組織沒有表現(xiàn)出損傷。

3.2 抗菌光動(dòng)力療法（antimicrobial Photo Dynamic Therapy，aPDT）

aPDT是一種利用光敏劑（Photosensitizers，PSs）進(jìn)行的過程，通常應(yīng)用于富氧環(huán)境中。光子的能量被光敏劑吸收，然后轉(zhuǎn)移到周圍的分子上，形成活性氧化物和自由基。這些氧化分子會(huì)損害蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等細(xì)菌大分子，并可能導(dǎo)致細(xì)菌死亡。與抗生素不同，aPDT作為一種新技術(shù)不會(huì)導(dǎo)致突變耐藥菌株的選擇產(chǎn)生，吸引了該領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注[19]。然而，盡管PSs對(duì)革蘭氏陽性菌表現(xiàn)出了良好的抗菌活性，但對(duì)革蘭氏陰性菌的抗菌效率并不高[20]。此外，由于大多數(shù)PSs是疏水性的，水溶性差造成PSs的吸收效率有限以及嚴(yán)重聚集，因此可以利用各種納米載體運(yùn)載PSs以可提高aPDT效率[21-22]。

目前，光照誘導(dǎo)的納米抗菌材料的功能可分為內(nèi)在生成活性氧和作為納米酶催化活性氧生成。研究證明，在模擬光照處理下，自由電子和空穴對(duì)多面體二氧化鈦納米晶的活性氧生成和抗菌活性有促進(jìn)作用；具有適當(dāng)?shù)哪軒ЫY(jié)構(gòu)的CuO納米棒在可見光激發(fā)下產(chǎn)生羥基自由基，有助于活性氧化物產(chǎn)生和改善抗菌性能[23]。

4 碳基納米材料（Carbon-based Nanomaterials，CNMs）

CNMs包括0D富勒烯、納米金剛石（Nanodiamond，ND）、碳點(diǎn)（Carbon Dots，CDs）、石墨烯量子點(diǎn)（Graphene Quantum Dots，GQDs）、1D碳納米管（Carbon Nanotubes，CNT）、2D石墨烯及其衍生物以及石墨碳氮化物（graphitic Carbon Nitride，g-CN）。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和物理化學(xué)性質(zhì)、相對(duì)良好的生物相容性以及環(huán)境友好性，CNMs具有很高的抗菌活性，且增強(qiáng)碳基抗菌材料抗菌活性可以通過在基于CNM的復(fù)合材料中發(fā)揮協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)。[24]

4.1 0D富勒烯

由于富勒烯具有獨(dú)特的幾何形狀以及新穎的光物理性質(zhì)，YANG等總結(jié)了其在抗菌方面發(fā)揮的重要作用及其機(jī)制[25]：PANTAROTTO等和PELLARINI等提取了一組富勒烯肽，具有極強(qiáng)的抑菌活性；MASHINO等進(jìn)一步研究了富勒烯衍生物的抗菌潛力；由于富勒烯分子在細(xì)胞能量代謝鏈中的相互作用，在較高濃度時(shí)可能會(huì)增加O2的吸收，最終導(dǎo)致其向H2O2的轉(zhuǎn)化增加，并可能有助于抑制呼吸鏈；TSAO等發(fā)現(xiàn)羧基富勒烯20通過插入細(xì)胞壁和破壞膜的完整性來發(fā)揮抗菌作用，20及其異構(gòu)體在特定的環(huán)境條件下降低了大腸桿菌對(duì)血腦屏障的滲透性，降低了腦膜炎的發(fā)生率。

4.2 CDs

由于CDs具有無毒、光穩(wěn)定性，且具有可用于微生物粘附和相互作用的表面多功能性，可通過大量廉價(jià)的前體生產(chǎn)出來，因此用途十分廣泛。CDs表現(xiàn)出較強(qiáng)的光動(dòng)力效應(yīng)，其抗菌的主要過程可能與活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的產(chǎn)生有關(guān)：光激發(fā)的CDs能夠產(chǎn)生活性氧殺死或抑制細(xì)菌，作用機(jī)理包括CDs粘附于細(xì)菌表面，光誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，破壞和滲透細(xì)菌細(xì)胞壁/膜，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激及DNA/RNA損傷，從而改變或抑制重要基因的表達(dá)。除了對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、耐多藥大腸埃希菌和耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（MRSA）具有抗菌活性外，CDs還對(duì)真菌以及病毒具有一定抗性[26]。

4.3 GQDs

由于具有體積極小、量子密閉、邊緣效應(yīng)、生物相容性高、毒性低及水溶性好等優(yōu)點(diǎn)，GQDs成為了解分子層面上生物系統(tǒng)和細(xì)胞過程的最佳材料之一，同時(shí)也是替代對(duì)生物系統(tǒng)有毒的無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子（如 CdS、CdSe、ZnS和 Si）的合適材料[27]。KARAHAN等[28]發(fā)現(xiàn)GQDs的殺傷作用可能是幾個(gè)機(jī)制的綜合，包括物理穿刺（又稱“納米刀”機(jī)制）、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞/膜組件損傷、膜運(yùn)輸堵塞或生長限制、通過插入和破壞性提取膜組分來破壞膜的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同，這些主要機(jī)制的組合效應(yīng)表現(xiàn)為完全破壞細(xì)胞包膜（即殺菌效應(yīng)）或抑制生長（即抑菌效應(yīng)）。此外，RISTIC等[29]通過研究提出GQDs具有相對(duì)選擇性的光動(dòng)力抗菌活性，懸浮的GQDs能夠在光激發(fā)時(shí)產(chǎn)生ROS。因此，GQDs是光動(dòng)力療法的潛在材料，在這種療法中，光激發(fā)化合物通過能量或電子傳輸?shù)椒肿友?，從而利用產(chǎn)生的ROS殺死細(xì)胞。

4.4 2D石墨烯

具有大表面積和易于表面功能化的2D納米材料可與細(xì)菌膜緊密互動(dòng)，從而有助于增強(qiáng)抗菌效果。與傳統(tǒng)抗生素相比，基于2D納米材料的抗菌劑的使用劑量低，因此可克服耐藥性問題并在一定程度上減少其他不良副作用。2D石墨烯及其衍生物已在催化、光學(xué)/電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)（腫瘤診斷和治療、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和抗菌治療）中顯示出較高的應(yīng)用價(jià)值[30]。

4.5 石墨碳氮化物

近年來，作為一種新興的氮化物基聚合物半導(dǎo)體材料，類石墨相氮化碳（g-C3N4）納米片因具有層狀結(jié)構(gòu)和窄帶隙，表現(xiàn)出高效的光催化性能、較大的表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的電子帶結(jié)構(gòu)，在抗菌方面引起了極大的關(guān)注[31]。WU等[32]曾使用原位還原法合成了Ag/聚多巴胺/g-C3N4生物光催化劑抗菌劑，通過Ag離子和g-C3N4納米片之間的協(xié)同作用顯示出優(yōu)異的抗菌活性。同時(shí)，WANG等[33]用還原氧化石墨烯（rGO）和g-C3N4納米片涂覆環(huán)辛硫（α-S8）設(shè)計(jì)了一種新型的無金屬異質(zhì)結(jié)，用于可見光下的光催化消毒。結(jié)果表明，S8（核心）/rGO（內(nèi)殼）/g-C3N4（外殼）（CNRGOS8）在有氧條件下表現(xiàn)出更高的抗菌作用，而S8（核心）/g-C3N4（內(nèi)殼）/rGO（外殼）（RGOCNS8）在厭氧條件下具有出色的抗菌能力。此外，LI等[34]制造了功能化的親水性復(fù)合膜g-C3N4納米片，發(fā)現(xiàn)隨著g-C3N4納米片的改性，抗菌能力大大提高。

5 半導(dǎo)體納米材料

5.1 過渡金屬二硫?qū)僭?氧化物（Transition Metal Dichalcogenides/ Oxide，TMDC/O）

MoS2、MoO2、MoSe2、WO3-x和 WS2是研究最廣泛的TMDC/O模型，由這些材料制成的納米片可用作光熱/光催化抗菌劑的候選物[35-36]。MA等[37]證明了MoS2納米片具有較高的光熱轉(zhuǎn)化效率，在控制808 nm激光照射后NO的釋放，觀察到PTT和NO釋放的協(xié)同作用對(duì)大腸桿菌和糞腸球菌具有優(yōu)異的滅殺效果。此外，LIU等[38]制造了幾層垂直排列的MoS2（FLV-MoS2）薄膜，這些薄膜具有收集可見光全光譜的能力，可以有效地進(jìn)行光催化水消毒；在FLVMoS2膜上額外沉積Cu或Au可以幫助電子-空穴對(duì)分離并催化ROS產(chǎn)生，使FLV-MoS2在20 min內(nèi)即可快速滅活＞99.999%的細(xì)菌。

5.2 黑磷（Black Phosphorus，BP）

由于無金屬的半導(dǎo)體特性和取決于厚度的帶隙特點(diǎn)，BP納米片在整個(gè)可見光區(qū)域具有非常寬的光吸收率[39]。因此，二維層狀BP納米片可用于在可見光下產(chǎn)生光熱效應(yīng)，并應(yīng)用于PDT[40]。此外，HUANG等[41]使用絲素蛋白作為去角質(zhì)劑制備了具有微弱溶液加工性能的薄層BP@絲素蛋白納米片，該BP@絲素蛋白納米片不僅可以制成各種形式，而且顯示出優(yōu)異的PTT消毒和傷口修復(fù)能力。

5.3 MXenes

MXenes是2D過渡金屬碳化物/氮化物家族中一個(gè)非常新的成員，Ti3C2Tx（碳化鈦）是其中最具代表性的材料[42]。研究表明，Ti3C2Tx納米片由于超薄的層狀形態(tài)和獨(dú)特的理化特性而具有出色的抗菌性能[42-44]。RASOOL等和SHAMSABADI等在氬氣（Ar）中超聲處理合成Ti3C2Tx膠體懸浮液，抗大腸桿菌和枯草芽孢桿菌性能優(yōu)越[45-46]。

6 結(jié)語

本文系統(tǒng)地綜述了目前研究較多的納米抗菌材料及其主要的抗菌機(jī)制。盡管這些材料具有優(yōu)秀的抗菌活性，但仍然存在需要關(guān)注的重要問題：（1）抗菌多肽已被認(rèn)為是解決現(xiàn)有抗生素缺乏的潛在替代選擇，但由于諸如全身和局部毒性、循環(huán)半衰期短（對(duì)蛋白水解的敏感性）和高制造成本，其距離大規(guī)模應(yīng)用仍然比較遙遠(yuǎn)；（2）盡管金屬或金屬離子具有明顯的抗菌性能，但仍需要研究降低其體內(nèi)長期毒性的方法；（3）聚合物納米結(jié)構(gòu)本身及與其他抗菌材料（如Ag離子和抗菌多肽）整合在一起時(shí)，顯示出非常好的抗菌活性，但目前仍缺乏對(duì)其生物相容性和對(duì)宿主毒性的深入研究。