抗菌材料的研究現(xiàn)狀

管瑛，惲亮，韋恩澤，陳恩坤，厲龍，暴海霞

（蘇州市計(jì)量測(cè)試院 國(guó)家空氣凈化產(chǎn)品及氣體檢測(cè)儀器質(zhì)檢中心，江蘇蘇州 215000）

微生物是自然生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，主要包括細(xì)菌、病毒、真菌和少數(shù)藻類等[1]。在種類繁多的微生物種群中，很多是能夠與人類友好共存，為人類生活帶來(lái)便利的有益微生物，如能夠產(chǎn)生青霉素的青霉菌、用于發(fā)酵的食品微生物等。但是，微生物種群中也存在著給人類造成困擾的有害微生物，如造成食品腐爛、瘧疾等疾病的致病菌，以及進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)嚴(yán)重影響人類健康的非典型肺炎病毒（SARS病毒）和目前正在全球肆虐的新型冠狀病毒（COVID-19病毒）。隨著生活水平的提高和科技的進(jìn)步，疾病預(yù)防、衛(wèi)生安全、生存環(huán)境等微生物與人類健康相關(guān)的領(lǐng)域吸引了越來(lái)越多的科研工作者的目光，促進(jìn)了抗菌材料這一研究領(lǐng)域的飛速發(fā)展。

抗菌材料是指具有抑菌或殺菌活性的材料，可以有效防止有害微生物的滋生，其中抗菌劑是抗菌材料的核心組成成分[2]。抗菌材料主要分為無(wú)機(jī)抗菌材料（Inorganic Antibacterial Material，IAM）、有機(jī)抗菌材料（Organic Antibacterial Material，OAM）和復(fù)合型抗菌材料（Hybrid Antibacterial Material，HAM）3大類。二戰(zhàn)時(shí)期，抗菌材料被大規(guī)模應(yīng)用于戰(zhàn)士的衣服，之后在汽車建材、通信、家電和日用品中又得到了廣泛應(yīng)用，帶動(dòng)了抗菌材料的快速發(fā)展[2]。日本是世界上最早啟動(dòng)抗菌材料研究的國(guó)家，是目前國(guó)際抗菌材料研發(fā)和應(yīng)用的前沿國(guó)家[3]。中國(guó)抗菌材料的研發(fā)始于1998年中科院和海爾集團(tuán)合作的“抗菌系列家電及抗菌塑料研制應(yīng)用”項(xiàng)目，自此打開(kāi)了中國(guó)抗菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展大門[4]。目前，抗菌材料已經(jīng)深入到衣、食、住、行等與人們生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。

本文主要闡述了目前國(guó)內(nèi)外無(wú)機(jī)抗菌材料、有機(jī)抗菌材料和聚乙烯醇（PVA）復(fù)合抗菌材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 無(wú)機(jī)抗菌材料

無(wú)機(jī)抗菌材料通常是指將銀、鋅等具有抗菌活性的金屬離子及金屬鹽化物通過(guò)離子交換、物理吸附及多層包覆等手段與不同載體相結(jié)合[5]，具有耐熱性能好、安全性能高和抗菌譜廣等優(yōu)點(diǎn)，但也具有抗菌遲效性、銀鹽、鈦系遇光或長(zhǎng)期保存下易變色等不足之處[2]。根據(jù)不同的作用機(jī)理，無(wú)機(jī)抗菌材料可分為含金屬離子型無(wú)機(jī)抗菌材料和光催化型無(wú)機(jī)抗菌材料。

1.1 含金屬離子無(wú)機(jī)抗菌材料

大多數(shù)金屬離子對(duì)于細(xì)菌、真菌等微生物都可以起到一定的抑制、殺滅作用，在實(shí)際的使用中以銀、銅、鋅等離子及其鹽化物為主要的抗菌成分。當(dāng)微生物與金屬離子接觸后，金屬離子可以穿透細(xì)胞膜進(jìn)入微生物體內(nèi)，并與生物體內(nèi)蛋白質(zhì)及核酸中的硫氮官能團(tuán)（-SH、-NH2）反應(yīng)，蛋白質(zhì)變性使微生物體內(nèi)相關(guān)的酶喪失活性、破壞微生物的物質(zhì)傳輸系統(tǒng)、遺傳系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)，從而造成微生物的死亡[6]。其中銀離子與其他金屬離子相比具有較高的殺菌能力和安全性，因此研究最為廣泛[7]。孫文愷等[8]制備了對(duì)大腸桿菌（E. coli）、金黃色葡萄球菌（S. aureus）及沙門氏菌（Salmonella）有抗菌作用的Ag+、Zn2+和Cu2+負(fù)載型抗菌材料，其中抗菌效果最佳的為Ag+負(fù)載型沸石材料。

1.2 光催化型無(wú)機(jī)抗菌材料

光催化型無(wú)機(jī)抗菌劑通常是指TiO2、Fe2O3、ZnO和SiO2等n型寬禁帶半導(dǎo)體氧化物?？咕饔脵C(jī)制主要是以金屬氧化物作為催化活性中心，通過(guò)吸收光電子能量，發(fā)生電子躍遷產(chǎn)生正電荷空穴，催化空氣中的氧氣和水蒸氣生成強(qiáng)氧化還原能力的羥基自由基和超氧負(fù)離子。這些強(qiáng)氧化物質(zhì)的一部分能直接在生物體內(nèi)聚集，當(dāng)濃度達(dá)到一定閾值后就能發(fā)揮殺菌作用；另一部分與細(xì)菌細(xì)胞的糖苷、蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將其氧化分解使細(xì)胞的生化反應(yīng)紊亂，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖從而產(chǎn)生抗菌性能[9]。

2 有機(jī)抗菌材料

相較于與無(wú)機(jī)抗菌材料，有機(jī)抗菌材料的制備工藝更為成熟，抗菌效果更加顯著，但一般具有較強(qiáng)的毒性、耐熱性差、過(guò)度使用易產(chǎn)生耐藥性。根據(jù)來(lái)源不同，有機(jī)抗菌材料可分為天然有機(jī)抗菌材料（Natural Organic Antibacterial Material，NOAM） 和合成型有機(jī)抗菌材料（Synthetic Organic Antibacterial Material，SOAM）。

2.1 天然有機(jī)抗菌材料

天然有機(jī)抗菌材料是指通過(guò)提取、分離和純化等手段從動(dòng)物、植物、微生物及其衍生物中制備的抗菌材料[10]。根據(jù)來(lái)源不同，天然有機(jī)抗菌材料可分為植物源提取物，殼聚糖、溶菌酶等動(dòng)物源及細(xì)菌素等微生物源抗菌材料，具有抗菌范圍廣、無(wú)毒環(huán)保、資源豐富及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，但也具有藥效短、耐熱性差等缺點(diǎn)[11]。

研究顯示，殼聚糖及其衍生物顯示出良好的抗菌活性，是一種最常用的天然抗菌材料，但pH值、相對(duì)分子質(zhì)量、脫乙酰度等因素會(huì)對(duì)其抗菌活性產(chǎn)生影響。其抗菌機(jī)理主要有2種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)是殼聚糖中NH4

+吸附在微生物表面，在微生物表面形成高分子保護(hù)膜，使參與細(xì)胞代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸過(guò)程受阻，從而起到殺菌作用，同時(shí)殼聚糖也能夠改變細(xì)胞膜的選擇性，造成壁膜分離導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)流失，進(jìn)而殺滅細(xì)菌[12]；另外一種觀點(diǎn)是殼聚糖進(jìn)入細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生絮凝作用，并與微生物的遺傳物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，干擾相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄翻譯過(guò)程，影響微生物的生長(zhǎng)[13]。

2.2 合成型有機(jī)抗菌材料

常用的有機(jī)抗菌材料主要有季胺鹽類、有機(jī)酸類、醇類和酚類等物質(zhì)，其抗菌機(jī)制主要是抗菌材料通過(guò)結(jié)合微生物細(xì)胞膜表面陰離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，或者是與-SH反應(yīng)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，阻礙細(xì)胞膜的合成，抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而起到抗菌效果[14]。ZHOU等[15]設(shè)計(jì)了季銨化NCC晶體，發(fā)現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的肽鏈增加了聚合物的疏水性從而導(dǎo)致其抗菌性能的減弱。

3 PVA復(fù)合抗菌材料

近年來(lái)，聚乙烯醇（PVA）抗菌材料的開(kāi)發(fā)成為人們研究的熱點(diǎn)，具有獨(dú)特的可生物降解性和優(yōu)異的抗菌性。PVA是聚乙酸乙烯酯發(fā)生皂化反應(yīng)生成的高分子有機(jī)化合物，分子鏈內(nèi)含有大量-OH，可交聯(lián)形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是其具有良好抗菌活性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。WANG等[16]采用超聲輻照法，制備了硫化銅/聚乙烯醇-殼聚糖（CuS/PVA-CS）納米復(fù)合材料，該復(fù)合材料對(duì)多種致病菌均起到良好的抑菌作用。EGHBALIFAM等[17]通過(guò)溶液澆鑄法制備了聚乙烯醇/海藻酸鈉/銀納米粒子（PVA/SA/Ag）薄膜，并在不同的γ輻照劑量和銀濃度下，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗菌活性。

4 結(jié)語(yǔ)

社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步大大提升了人們的生活水平，與此同時(shí)，人們的健康意識(shí)和環(huán)保意識(shí)也在不斷提升，人們?cè)跒闋I(yíng)造健康的生活環(huán)境而不懈努力，這在很大程度上促進(jìn)了抗菌材料行業(yè)的發(fā)展。為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)抗菌材料的需求，開(kāi)發(fā)研制高效持久、安全穩(wěn)定、成本低廉且易獲取的抗菌材料是今后的發(fā)展方向。其中有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合抗菌材料因其兼有無(wú)機(jī)抗菌材料的穩(wěn)定性和有機(jī)抗菌材料的高效性將會(huì)成為研究的熱門方向。目前，抗菌材料產(chǎn)業(yè)在我國(guó)仍屬于新興產(chǎn)業(yè)，處于快速發(fā)展階段，在社會(huì)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的大背景下，抗菌材料的研發(fā)和應(yīng)用必將展現(xiàn)出蓬勃的生機(jī)。