淺談納米材料的抗菌機理與實際應用

　　納米抗菌材料是納米技術出現后將抗菌劑經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, 能夠在社會生產生活領域廣泛運用。

　　《材料科學與工藝》(雙月刊)創刊于1982年，是中國材料研究學會與哈爾濱工業大學共同主辦的學術性期刊。《材料科學與工藝》主要刊登國內外高等院校和研究機構具有創新性、探索性的高水平學術論文、科研報告及階段性研究成果。

　　納米是長度單位, 當物質達到納米級別時性質將會出現極大的變化。物質的表面積變大、晶格破損會導致物質出現特殊的物理與化學性質, 甚至可以將高分子間的原子結構進行重新排列, 構建擁有新物理性質與化學性質的材料。其中, 納米銀與納米氧化鎂就是應用十分廣泛的納米材料, 兩者都具有較強的抗菌作用, 并且在社會生產領域有著廣泛的運用。

　　1 納米銀的抗菌機理與應用

　　1.1 納米銀的抗菌機理

　　納米銀及其復合材料均擁有優越的抗菌性能。相對傳統材料來說納米銀的優勢十分明顯。納米銀的安全性能高, 對哺乳動物毒性較弱, 鮮有并發癥出現。持久性良好, 可以維系較長時間的恒定銀濃度, 從而達到抗菌目的。納米銀不易產生耐藥性, 納米銀處理后的細菌幾乎無法存活, 能夠產生杜絕細菌產生抗藥性。納米銀的抗菌機理主要有以下幾點:第一, 納米銀破壞細胞膜結構。細胞是生命體的活動基本結構, 而細胞膜則是細胞與外界間隔的物質, 也是與外界信息傳遞, 進行能量交流的重要場所, 細胞的完整性對于細胞正常生理代謝有著十分重要的作用。納米銀與細胞膜在接觸過程中會導致細胞膜結構與特性出現變化。Sonit等[1]發現當納米銀粒徑小于20nm的時候, 納米銀能夠與細胞膜的構成成分含硫蛋出現反應, 直接損壞細胞膜的結構, 使得細胞膜失去正常作用直至細胞死亡。第二, 影響細菌生活環境。納米銀對細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。Yoshinobu等[2]研究表示, 在有氧環境中納米銀與Ag2O顆粒都展現出十分明顯的抗菌性。但是細菌的有氧呼吸狀態降低了氧氣含量, 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復制。納米銀不僅會通過破壞細胞膜系統結構而祈禱抗菌作用, 還可以通過內吞機制等方式進入細胞內部對細胞進行深入的損壞。DNA是最關鍵的遺傳信息物質, DNA出現任何問題都會導致細胞異常或死亡。DNA只有在松弛解旋狀態下復制才能夠成功地完成信息的傳遞。Lansdown[3]的研究指出, 銀離子擁有高強度的滲透性, 能夠滲透到皮下組織, 并且長時間的釋放納米銀離子, 進而抑制DNA的復制, 形成較強的抗菌能力。納米銀對DNA機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了化學反應, 也可能是納米銀與致病菌DNA堿基結合形成了交叉連接, 并且置換了氫鍵, 進而導致DNA出現皺縮, 破壞DNA結構并抑制復制過程。

　　1.2 納米銀的抗菌應用

　　納米銀在醫學領域中的運用:在醫學衛生領域納米銀及其復合材料能夠廣泛適用于治療燒傷、關節損傷、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面感染, 促進人體新生肉芽的生長, 并且使用過中毒副作用極小, 同時減少傳統外用藥所導致的過敏與抗藥性。納米銀在關節損傷方面也有一定的療效, 骨髓炎的傳統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菌, 同時還可以幫助骨骼組織新生。納米銀在農業領域的應用: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期間對周邊高溫高濕度環境的耐受性, 抵御霉菌與細菌的侵害, 延長水稻的存儲時間。

　　2 納米氧化鎂的抗菌機理與應用

　　2.1 納米氧化鎂的抗菌機理

　　Sawai等[4]針對26種陶瓷粉末的抗菌性能進行研究, 等發覺納米氧化鎂的殺菌能力較強。同時, Sawai還使用了氧電極法與化學發光法對納米氧化鎂、納米氧化鈣、納米氧化鋅等物質進行了抗菌機制的分析, 實驗結果證明納米氧化鎂中的活性氧自由基能夠導致氧化損傷。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導致細胞膜出現損傷, 并且納米氧化鎂的粒徑越小, 抗菌效果越佳。Dong等[5]研究發現, 納米氧化鎂可以經過與菌細胞直接接觸以破壞膜結構的完整性。納米氧化鎂吸附作用所造成的機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, 同時還驗證了納米氧化鎂粒徑越小抗菌性能越佳的機制。因此, 可以通過降低納米氧化鎂的粒徑、增加比表面積、強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用

　　納米氧化鎂作為催化劑的應用范圍十分廣泛, 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品。納米氧化鎂作為凈化吸附劑也有十分明顯的優勢, 納米氧化鎂不僅吸附量巨大, 吸附速度快, 同時還可能給彌補傳統吸附, 如活性炭的單純吸附無法消除二次污染的缺陷, 要強化納米氧化鎂的吸附作用可以從納米氧化鎂的吸附原理、降解機制等方面入手。納米氧化鎂還能夠作為無機抗菌劑來使用, 其能夠彌補銀系抗菌劑會出現變色、有機抗菌劑存在毒性的缺陷, 是一種應用廣泛的抗菌產品。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量更加優越;納米氧化鎂理想的高溫穩定性、高熱傳導性可以作為光電倍增管中次級發射膜來使用。

　　3 結束語

　　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, 將會有更多的納米材料作為抗菌材料被使用, 進一步突出納米材料在生產生活領域的廣泛運用。

　　參考文獻

　　[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.