淺談納米材料的抗菌機(jī)理與實(shí)際應(yīng)用

　　納米抗菌材料是納米技術(shù)出現(xiàn)后將抗菌劑經(jīng)過一定處理形成納米抗菌劑, 再與抗菌載體通過一定處理形成擁有抗菌功能的材料。納米銀與納米氧化鎂都具有一定的抗菌作用, 能夠在社會(huì)生產(chǎn)生活領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。

　　《材料科學(xué)與工藝》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，是中國材料研究學(xué)會(huì)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)共同主辦的學(xué)術(shù)性期刊?！恫牧峡茖W(xué)與工藝》主要刊登國內(nèi)外高等院校和研究機(jī)構(gòu)具有創(chuàng)新性、探索性的高水平學(xué)術(shù)論文、科研報(bào)告及階段性研究成果。

　　納米是長度單位, 當(dāng)物質(zhì)達(dá)到納米級(jí)別時(shí)性質(zhì)將會(huì)出現(xiàn)極大的變化。物質(zhì)的表面積變大、晶格破損會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)出現(xiàn)特殊的物理與化學(xué)性質(zhì), 甚至可以將高分子間的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排列, 構(gòu)建擁有新物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的材料。其中, 納米銀與納米氧化鎂就是應(yīng)用十分廣泛的納米材料, 兩者都具有較強(qiáng)的抗菌作用, 并且在社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。

　　1 納米銀的抗菌機(jī)理與應(yīng)用

　　1.1 納米銀的抗菌機(jī)理

　　納米銀及其復(fù)合材料均擁有優(yōu)越的抗菌性能。相對傳統(tǒng)材料來說納米銀的優(yōu)勢十分明顯。納米銀的安全性能高, 對哺乳動(dòng)物毒性較弱, 鮮有并發(fā)癥出現(xiàn)。持久性良好, 可以維系較長時(shí)間的恒定銀濃度, 從而達(dá)到抗菌目的。納米銀不易產(chǎn)生耐藥性, 納米銀處理后的細(xì)菌幾乎無法存活, 能夠產(chǎn)生杜絕細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性。納米銀的抗菌機(jī)理主要有以下幾點(diǎn):第一, 納米銀破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。細(xì)胞是生命體的活動(dòng)基本結(jié)構(gòu), 而細(xì)胞膜則是細(xì)胞與外界間隔的物質(zhì), 也是與外界信息傳遞, 進(jìn)行能量交流的重要場所, 細(xì)胞的完整性對于細(xì)胞正常生理代謝有著十分重要的作用。納米銀與細(xì)胞膜在接觸過程中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與特性出現(xiàn)變化。Sonit等[1]發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米銀粒徑小于20nm的時(shí)候, 納米銀能夠與細(xì)胞膜的構(gòu)成成分含硫蛋出現(xiàn)反應(yīng), 直接損壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu), 使得細(xì)胞膜失去正常作用直至細(xì)胞死亡。第二, 影響細(xì)菌生活環(huán)境。納米銀對細(xì)菌的生長并沒有直接影響, 抗菌作用的形成源自于釋放了銀離子, 并且與氧氣的濃度有關(guān)。Yoshinobu等[2]研究表示, 在有氧環(huán)境中納米銀與Ag2O顆粒都展現(xiàn)出十分明顯的抗菌性。但是細(xì)菌的有氧呼吸狀態(tài)降低了氧氣含量, 使得銀離子有氧濃度下降并且失誤抑菌能力。另外, 陰離子能夠降低細(xì)菌生長過程中必要元素的濃度, 例如可以使得磷酸鹽、脯氨酸等元素丟失, 從而起到抗菌作用。第三, 隔斷DNA復(fù)制。納米銀不僅會(huì)通過破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而祈禱抗菌作用, 還可以通過內(nèi)吞機(jī)制等方式進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部對細(xì)胞進(jìn)行深入的損壞。DNA是最關(guān)鍵的遺傳信息物質(zhì), DNA出現(xiàn)任何問題都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞異?；蛩劳?。DNA只有在松弛解旋狀態(tài)下復(fù)制才能夠成功地完成信息的傳遞。Lansdown[3]的研究指出, 銀離子擁有高強(qiáng)度的滲透性, 能夠滲透到皮下組織, 并且長時(shí)間的釋放納米銀離子, 進(jìn)而抑制DNA的復(fù)制, 形成較強(qiáng)的抗菌能力。納米銀對DNA機(jī)理造成損失的主要原因可能是納米銀與DNA中的硫磷化合物出現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng), 也可能是納米銀與致病菌DNA堿基結(jié)合形成了交叉連接, 并且置換了氫鍵, 進(jìn)而導(dǎo)致DNA出現(xiàn)皺縮, 破壞DNA結(jié)構(gòu)并抑制復(fù)制過程。

　　1.2 納米銀的抗菌應(yīng)用

　　納米銀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用:在醫(yī)學(xué)衛(wèi)生領(lǐng)域納米銀及其復(fù)合材料能夠廣泛適用于治療燒傷、關(guān)節(jié)損傷、婦科疾病等方面。例如, 在治療燒傷方面納米銀敷料可以憑借著極高的銀溶出率與抗菌效果降低燒傷創(chuàng)面感染, 促進(jìn)人體新生肉芽的生長, 并且使用過中毒副作用極小, 同時(shí)減少傳統(tǒng)外用藥所導(dǎo)致的過敏與抗藥性。納米銀在關(guān)節(jié)損傷方面也有一定的療效, 骨髓炎的傳統(tǒng)治療方式是使用抗生素, 而頻繁使用抗生素則十分容易形成抗藥性, 并且會(huì)影響骨骼組織的生長, 而使用納米銀所制作的骨骼支架不僅可以有效地抑制細(xì)菌, 同時(shí)還可以幫助骨骼組織新生。納米銀在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用:納米銀可以作為抗菌劑使用, 使用納米銀抗菌薄膜包裝的水稻能夠在一定程度上改善水稻存儲(chǔ)期間對周邊高溫高濕度環(huán)境的耐受性, 抵御霉菌與細(xì)菌的侵害, 延長水稻的存儲(chǔ)時(shí)間。

　　2 納米氧化鎂的抗菌機(jī)理與應(yīng)用

　　2.1 納米氧化鎂的抗菌機(jī)理

　　Sawai等[4]針對26種陶瓷粉末的抗菌性能進(jìn)行研究, 等發(fā)覺納米氧化鎂的殺菌能力較強(qiáng)。同時(shí), Sawai還使用了氧電極法與化學(xué)發(fā)光法對納米氧化鎂、納米氧化鈣、納米氧化鋅等物質(zhì)進(jìn)行了抗菌機(jī)制的分析, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明納米氧化鎂中的活性氧自由基能夠?qū)е卵趸瘬p傷。納米氧化鎂的表面存在大量的晶格局限羥基、游離羥基, 可以作為吸附與表面反應(yīng)的中心。納米氧化鎂的抗菌作用除了ROS氧化損傷外, 其對微生物的吸附作用也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜出現(xiàn)損傷, 并且納米氧化鎂的粒徑越小, 抗菌效果越佳。Dong等[5]研究發(fā)現(xiàn), 納米氧化鎂可以經(jīng)過與菌細(xì)胞直接接觸以破壞膜結(jié)構(gòu)的完整性。納米氧化鎂吸附作用所造成的機(jī)械損傷不僅能夠解釋在不存在ROS的情況下納米氧化鎂的抗菌性能良好的問題, 同時(shí)還驗(yàn)證了納米氧化鎂粒徑越小抗菌性能越佳的機(jī)制。因此, 可以通過降低納米氧化鎂的粒徑、增加比表面積、強(qiáng)化吸附作用來改善納米氧化鎂的抗菌作用。

　　2.2 納米氧化鎂的抗菌應(yīng)用

　　納米氧化鎂作為催化劑的應(yīng)用范圍十分廣泛, 作為催化劑納米氧化鎂要著力于在制備中控制催化效果的因素, 以合成催化性能良好的產(chǎn)品。納米氧化鎂作為凈化吸附劑也有十分明顯的優(yōu)勢, 納米氧化鎂不僅吸附量巨大, 吸附速度快, 同時(shí)還可能給彌補(bǔ)傳統(tǒng)吸附, 如活性炭的單純吸附無法消除二次污染的缺陷, 要強(qiáng)化納米氧化鎂的吸附作用可以從納米氧化鎂的吸附原理、降解機(jī)制等方面入手。納米氧化鎂還能夠作為無機(jī)抗菌劑來使用, 其能夠彌補(bǔ)銀系抗菌劑會(huì)出現(xiàn)變色、有機(jī)抗菌劑存在毒性的缺陷, 是一種應(yīng)用廣泛的抗菌產(chǎn)品。另外, 在納米陶瓷的制作中加入納米氧化鎂能夠使得陶瓷材料的質(zhì)量更加優(yōu)越;納米氧化鎂理想的高溫穩(wěn)定性、高熱傳導(dǎo)性可以作為光電倍增管中次級(jí)發(fā)射膜來使用。

　　3 結(jié)束語

　　總的來說, 納米材料的抗菌作用十分明顯, 使用便捷高效, 抗菌性能理想, 抗菌作用持久。除了納米銀與納米氧化鎂外, 將會(huì)有更多的納米材料作為抗菌材料被使用, 進(jìn)一步突出納米材料在生產(chǎn)生活領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Sonit K G, Gopinath P, Anumita P, et al.Green fluorescent proteinexpressing Escherichia coli as a model system for investigating the antimicrobial activities of silver nanoparticles[J].Langmuir, 2006, 22 (22) :9322-9328.

　　[2]Yoshinobu M, Kuniaki Y, Shin-ichi K, et al.Mode of bactericidal action of silver zeolite and its comparison with that of silver nitrate[J].Appl.Environ.Microbiol., 2003, 69 (7) :4278-4281.

　　[3]Lansdown A B.A review of the use of silver in woundcare:facts and fallacies[J].Br J Nurs, 2004, 13 (6 Suppl) :S6-19.

　　[4]Sawai J, Kawada E, Kanou F, et al.Detection of active oxygen generated from ceramic powders having antibacterial activity[J].Journal of Chemical Engineering of Japan, 1996, 29 (4) :627-633.

　　[5]Dong C, Song D, Cairney J, et al.Antibacterial study of Mg (OH) 2 nanoplatelets[J].Materials Research Bulletin, 2011, 46 (4) :576-582.