銀納米顆粒的制備﹑抑菌機(jī)制及應(yīng)用的研究進(jìn)展

房 迅，王嘉偉，吳迎花，屈靖朝，李錦輝，郭少波,2，劉智峰,2

（1.陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學(xué)，秦巴生物資源與生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723000）

納米材料一般指粒徑介于1~100nm 之間，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域的粒子，因具有小尺寸效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng)﹑宏觀量子隧道效應(yīng)等獨(dú)特的性質(zhì)，被應(yīng)用于化妝品﹑保健品及建筑材料的生產(chǎn)中。因納米顆?？梢援a(chǎn)生殺菌成分，抑制細(xì)菌的正常生長，目前已研究制造出抗菌納米材料，應(yīng)用于食品包裝材料，醫(yī)療衛(wèi)生以及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域。

銀納米顆?？梢葬尫懦?0~15000 個銀原子，位于材料表面的銀原子可以被氧化而游離出銀離子，銀離子會與細(xì)菌細(xì)胞膜上的-SH 結(jié)合，從而抑制細(xì)菌的正常呼吸；銀離子還會損傷線粒體產(chǎn)生ROS，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，干擾DNA 的正常復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，銀離子還可以促進(jìn)傷口愈合，臨床上在處理糖尿病人下肢靜脈的潰瘍傷口時，使用的銀離子泡沫敷料不僅能促進(jìn)傷口愈合，還能發(fā)揮銀離子的抗菌作用，降低皮膚的愈合難度，縮短皮膚的修復(fù)時間[1]。Haidari 等人[2]首次合成了3種不同尺寸的銀納米顆粒，研究發(fā)現(xiàn)其對5 種常見的細(xì)菌菌株都有明顯的抑菌活性。相較于Ag NPs（6.53nm），較小尺寸的Ag NPs（1.87nm）和Ag NPs（2.93nm）表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑菌性。Dong 等人[3]以酪蛋白水解物為還原劑，NaOH 為催化劑，合成了不同粒徑的銀納米顆粒，并研究了其對需鈉弧菌的抑菌活性。結(jié)果表明，粒徑尺寸越小，對需鈉弧菌的抑菌活性越強(qiáng)。Deshmukh 等人[4]采用超聲波輔助葫蘆籽提取物還原AgNO3，合成了粒徑20nm 的球形銀納米顆粒，并采用抑菌圈法研究了其對E. coli 和S.aureus 的抑菌活性。結(jié)果表明，葫蘆籽提取物中的氨基酸﹑多肽和蛋白質(zhì)，可有效阻止Ag NPs 的團(tuán)聚，使得制備的銀納米顆粒表現(xiàn)出良好的抑菌活性。本文對銀納米顆粒的制備方法和抑菌機(jī)制，以及其在食品包裝﹑醫(yī)療衛(wèi)生﹑環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用等進(jìn)行了綜述。

1 制備方法

1.1 化學(xué)法

化學(xué)還原制備法是銀納米顆粒最常用的制備方法之一，主要是在液相中將銀鹽與適量的還原劑反應(yīng)，將Ag＋還原為Ag，再進(jìn)一步聚集生長為單質(zhì)銀顆粒。該方法制備得到的銀納米顆粒，雜質(zhì)含量較高，易團(tuán)聚，粒度分布寬。劉春華等人[5]在一定的條件下通過化學(xué)還原法，制備了粒徑達(dá)到25~30 nm 的銀納米粒子。陽運(yùn)華等人[6]以硝酸銀﹑聚乙烯吡咯烷酮等為原料，制備了尺寸和形貌均一﹑具有碳銀納米核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并以大腸桿菌為代表菌株進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其對大腸桿菌表現(xiàn)出良好的抗菌性能。

1.2 物理法

物理法制備銀納米顆粒的一個主要方法，是采用粉碎手段，包括超聲﹑機(jī)械粉碎﹑電火花沖擊等方法，直接粉碎銀原料，從而得到所需要的銀納米顆粒。粉碎法雖然成本較低，操作簡易，但制備得到的銀納米顆粒的純度低，且粒徑分布不均勻，難以獲得較小粒徑的銀納米顆粒。

真空冷凝法也是物理法制備銀納米顆粒的常用方法。在真空環(huán)境或惰性氣體環(huán)境中，使用高頻電弧或激光激發(fā)產(chǎn)生高溫，將銀原料氣化形成等離子態(tài)，再急速冷卻使之凝結(jié)而得到Ag NPs。采用該方法，可得到結(jié)晶組織好﹑純度更高﹑粒度可控的銀納米顆粒，不足之處是真空冷凝法對技術(shù)﹑設(shè)備和銀原料純度的要求都較高，且制備得到的銀納米粒子容易發(fā)生團(tuán)聚。

1.3 生物法

植物還原法是生物法制備銀納米顆粒的常用方法之一，是在一定的條件下，以植物體中的活性有效成分為還原劑，將Ag＋還原得到Ag NPs。有研究者以梔子黃為提取物合成銀納米顆粒，并涂層于棉織物，發(fā)現(xiàn)涂銀織物對E. coli 和S. aureus 的抑菌圈均大于7mm[7]。陳滿堂[8]采用超聲提取了枸杞水提物作為還原劑，在可見光條件下，以AgNO3為前驅(qū)體制備的Ag NPs，對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均表現(xiàn)出良好的抗菌活性。Abdi 等人[9]用天然紅根瘤菌的不同部位，合成了粒徑為10~19nm 的銀納米顆粒，其對革蘭氏陽性病原菌具有很強(qiáng)的抗菌活性。郭文陽等人[10]在光照條件下，利用黑曲霉HQ-1發(fā)酵濾液與AgNO3迅速反應(yīng)生成了銀納米顆粒，93.4%銀納米顆粒的粒徑都集中在10nm 以下，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有良好的抑菌性。

2 抑菌機(jī)制

2.1 破環(huán)細(xì)胞壁

銀納米顆粒接觸細(xì)胞后，會破壞細(xì)胞壁中的肽聚糖的主鏈，導(dǎo)致脂磷壁酸分解，并破壞磷脂酰乙醇胺中的磷酸胺和脂肪酸基團(tuán)[11]。有研究者發(fā)現(xiàn)，Ag NPs 與含有硫﹑氧或氮的生物分子中的電子給體基團(tuán)會發(fā)生強(qiáng)烈結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁出現(xiàn)缺陷，最終造成細(xì)菌細(xì)胞死亡[12]。此外， Ag NPs 會與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞壁發(fā)生結(jié)合，然后攻擊微生物中含有巰基的蛋白，破壞細(xì)胞壁的完整性。陳美婉等人[13]也指出，Ag NPs 與細(xì)胞壁中的肽聚糖發(fā)生反應(yīng)，形成不可逆復(fù)合物，阻塞細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

2.2 增加膜的通透性

銀納米顆粒會增加細(xì)胞膜的通透性，使病原菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)流失。銀納米顆?？梢耘c白色念珠菌表面結(jié)合，使其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，致使菌體內(nèi)容物發(fā)生滲漏[14]。銀納米顆粒作用于阿薩希毛孢子菌后，不但會使其菌絲變得稀疏且皺縮，還會使部分菌絲的細(xì)胞壁及細(xì)胞膜受到破壞，內(nèi)容物泄漏而導(dǎo)致菌絲干癟死亡[15]。具有銀納米顆粒涂層的不銹鋼材料與銅綠假單胞菌作用一段時間后，可發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜都出現(xiàn)了孔洞，整個細(xì)胞開始皺縮，形貌發(fā)生了明顯變化[16]。

2.3 抑制細(xì)菌呼吸

銀納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后，會與細(xì)胞內(nèi)L-半胱氨酸上的巰基（-SH）結(jié)合，使脫氫酶失活，進(jìn)而影響細(xì)胞的呼吸作用[17-18]。Kim 等人[19]發(fā)現(xiàn)，Ag NPs可以與半胱氨酸的硫基（-SH）發(fā)生相互作用而形成-SAg，抑制正常的酶促反應(yīng)，進(jìn)而影響大腸桿菌正常的生命活動。同時，Ag NPs 也可以與蛋白質(zhì)的二硫鍵反應(yīng)，使呼吸鏈上的脫氫酶失活，最終造成細(xì)菌死亡。

2.4 產(chǎn)生活性氧

銀納米顆粒進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后，會在各種細(xì)胞器內(nèi)累積，最終造成細(xì)胞死亡。銀納米顆粒在線粒體內(nèi)的積累會誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），從而影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性及細(xì)胞壽命[20]。Danilczuk 等人[21]研究電子自旋共振光譜后發(fā)現(xiàn)，銀納米顆?？梢哉T導(dǎo)產(chǎn)生羥基自由基。Zhu 等人[22]研究發(fā)現(xiàn)，Ag NPs 誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS 以及MAPK 和AKT 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，對人體肝細(xì)胞癌HePG-2 細(xì)胞的凋亡有一定的影響。Song 等人[23]制備了銀/姜黃素復(fù)合納米顆粒，發(fā)現(xiàn)姜黃素不僅增強(qiáng)了Ag 與細(xì)菌膜的結(jié)合能力，同時也加快了Ag＋的釋放速度，產(chǎn)生的ROS 隨之增加，最終造成細(xì)胞膜損傷。

2.5 損傷DNA

銀納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后，會影響DNA 的正常復(fù)制，使DNA 的合成量減少[24]。銀納米顆粒也會使部分DNA 縮聚在一起，增加DNA 的降解量[25]。有研究表明，Ag NPs 能使細(xì)胞內(nèi)的染色體發(fā)生斷裂，損壞DNA 雙鏈，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生癌變，對機(jī)體產(chǎn)生基因毒性[26]。Hatcher 等人[27]發(fā)現(xiàn)，Ag NPs 對含P﹑S的核酸的親和作用較強(qiáng)，認(rèn)為Ag NPs 與細(xì)胞的核酸可能存在一定的作用。Feng 等人[28]發(fā)現(xiàn)，Ag NPs能與致病菌的堿基發(fā)生結(jié)合形成交叉鏈接，置換出嘌呤和嘧啶中相鄰氮之間的氫鍵，使細(xì)菌DNA 的復(fù)制能力喪失。

3 應(yīng)用

3.1 食品包裝領(lǐng)域

聚乙烯和聚丙烯等有機(jī)聚合物是常見的食品包裝材料[29]，但這些有機(jī)材料在環(huán)境中易形成微塑料，對人體和環(huán)境造成了一定的危害。基于公眾對食品中微生物污染的關(guān)注，人們一直在積極尋求具有低毒性和耐藥性的高效抗菌劑。有研究者將Ag NPs 摻入用作食品包裝材料的玉米醇溶蛋白膜中，制備出的新型涂料具有強(qiáng)大的抗菌活性，對人體細(xì)胞卻是低毒性的[30]。Yang 等人[31]將Ag NPs 負(fù)載在殼聚糖上并摻入聚乙烯醇中，以開發(fā)新型的活性食品包裝薄膜。研究發(fā)現(xiàn)所制備的復(fù)合薄膜對大腸桿菌的抑菌圈直徑可達(dá)到16.07mm。加入Ag NPs后，復(fù)合薄膜的水蒸氣滲透性和水溶性降低，有利于食品保鮮，在水果儲運(yùn)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

3.2 醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

銀納米顆粒用于傷口敷料中，可以有效抑制細(xì)菌的生長，促進(jìn)傷口愈合，減少傷口的感染風(fēng)險，還具有抗氧化﹑抗炎和止血等作用。Sarviya 等人[32]制備了一種含銀納米顆粒的超細(xì)納米纖維網(wǎng)，Ag NPs與細(xì)胞內(nèi)的酶和結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合后，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好的抑菌作用，同時因其細(xì)胞的相容性好，在傷口敷料方面有一定的應(yīng)用前景?？谇恢泻械拇罅考?xì)菌﹑真菌和病毒等，會使牙體及牙科材料受到污染，特別是種植義齒時，會增加一定的風(fēng)險。有研究表明，銀納米消毒劑對牙科設(shè)備水管（DUWLs）上的細(xì)菌具有很強(qiáng)的殺菌作用，可以有效預(yù)防DUWLs 污染[33]。Ag NPs 改性的冷熱固化義齒基托樹脂，具有抑制白色念珠菌和金黃色葡萄球菌生長的能力，可減少因義齒與修復(fù)體黏膜接觸而引起的感染[34]。

3.3 環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，資源短缺﹑環(huán)境污染﹑生態(tài)破壞等情況越來越嚴(yán)重，特別是水體和土壤的污染問題備受關(guān)注。有研究者基于氧化羧甲基纖維素的自修復(fù)熒光水凝膠，依托Ag NPs 優(yōu)異的傳感能力和吸附能力，將此水凝膠應(yīng)用于重金屬離子的檢測和吸附，從而為廢水處理提供了新的途徑[35]。Ag NPs 還可以促進(jìn)水體中氮的去除，影響NH4-N 的轉(zhuǎn)化，降低氨氧化細(xì)菌（AOB）的豐度[36]。Midya 等人[37]制備了TiO2@Ag NPs 光催化劑，發(fā)現(xiàn)Ag NPs 的存在增強(qiáng)了催化劑的可見光光催化活性，對水體中的有機(jī)污染物甲基橙（MO）的降解，表現(xiàn)出更高的光催化效率。

4 結(jié)語

利用銀納米顆粒獨(dú)特的抑菌活性，可以制作食品包裝膜和其他功能性包裝材料，也可以用于制作傷口敷料和繃帶等。銀納米顆粒還可以應(yīng)用于牙科材料的制備﹑重金屬的檢測和有機(jī)物的降解中，可對食品包裝﹑醫(yī)療衛(wèi)生以及環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生很大的推動力。雖然銀納米顆粒在抑菌領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景，但仍存在著許多挑戰(zhàn)，還需要不斷進(jìn)行探索和創(chuàng)新。