浅谈纳米材料的抗菌机理与实际应用

　　纳米抗菌材料是纳米技术出现后将抗菌剂经过一定处理形成纳米抗菌剂, 再与抗菌载体通过一定处理形成拥有抗菌功能的材料。纳米银与纳米氧化镁都具有一定的抗菌作用, 能够在社会生产生活领域广泛运用。

　　《材料科学与工艺》(双月刊)创刊于1982年，是中国材料研究学会与哈尔滨工业大学共同主办的学术性期刊。《材料科学与工艺》主要刊登国内外高等院校和研究机构具有创新性、探索性的高水平学术论文、科研报告及阶段性研究成果。

　　纳米是长度单位, 当物质达到纳米级别时性质将会出现极大的变化。物质的表面积变大、晶格破损会导致物质出现特殊的物理与化学性质, 甚至可以将高分子间的原子结构进行重新排列, 构建拥有新物理性质与化学性质的材料。其中, 纳米银与纳米氧化镁就是应用十分广泛的纳米材料, 两者都具有较强的抗菌作用, 并且在社会生产领域有着广泛的运用。

　　1 纳米银的抗菌机理与应用

　　1.1 纳米银的抗菌机理

　　纳米银及其复合材料均拥有优越的抗菌性能。相对传统材料来说纳米银的优势十分明显。纳米银的安全性能高, 对哺乳动物毒性较弱, 鲜有并发症出现。持久性良好, 可以维系较长时间的恒定银浓度, 从而达到抗菌目的。纳米银不易产生耐药性, 纳米银处理后的细菌几乎无法存活, 能够产生杜绝细菌产生抗药性。纳米银的抗菌机理主要有以下几点:第一, 纳米银破坏细胞膜结构。细胞是生命体的活动基本结构, 而细胞膜则是细胞与外界间隔的物质, 也是与外界信息传递, 进行能量交流的重要场所, 细胞的完整性对于细胞正常生理代谢有着十分重要的作用。纳米银与细胞膜在接触过程中会导致细胞膜结构与特性出现变化。Sonit等[1]发现当纳米银粒径小于20nm的时候, 纳米银能够与细胞膜的构成成分含硫蛋出现反应, 直接损坏细胞膜的结构, 使得细胞膜失去正常作用直至细胞死亡。第二, 影响细菌生活环境。纳米银对细菌的生长并没有直接影响, 抗菌作用的形成源自于释放了银离子, 并且与氧气的浓度有关。Yoshinobu等[2]研究表示, 在有氧环境中纳米银与Ag2O颗粒都展现出十分明显的抗菌性。但是细菌的有氧呼吸状态降低了氧气含量, 使得银离子有氧浓度下降并且失误抑菌能力。另外, 阴离子能够降低细菌生长过程中必要元素的浓度, 例如可以使得磷酸盐、脯氨酸等元素丢失, 从而起到抗菌作用。第三, 隔断DNA复制。纳米银不仅会通过破坏细胞膜系统结构而祈祷抗菌作用, 还可以通过内吞机制等方式进入细胞内部对细胞进行深入的损坏。DNA是最关键的遗传信息物质, DNA出现任何问题都会导致细胞异常或死亡。DNA只有在松弛解旋状态下复制才能够成功地完成信息的传递。Lansdown[3]的研究指出, 银离子拥有高强度的渗透性, 能够渗透到皮下组织, 并且长时间的释放纳米银离子, 进而抑制DNA的复制, 形成较强的抗菌能力。纳米银对DNA机理造成损失的主要原因可能是纳米银与DNA中的硫磷化合物出现了化学反应, 也可能是纳米银与致病菌DNA碱基结合形成了交叉连接, 并且置换了氢键, 进而导致DNA出现皱缩, 破坏DNA结构并抑制复制过程。

　　1.2 纳米银的抗菌应用

　　纳米银在医学领域中的运用:在医学卫生领域纳米银及其复合材料能够广泛适用于治疗烧伤、关节损伤、妇科疾病等方面。例如, 在治疗烧伤方面纳米银敷料可以凭借着极高的银溶出率与抗菌效果降低烧伤创面感染, 促进人体新生肉芽的生长, 并且使用过中毒副作用极小, 同时减少传统外用药所导致的过敏与抗药性。纳米银在关节损伤方面也有一定的疗效, 骨髓炎的传统治疗方式是使用抗生素, 而频繁使用抗生素则十分容易形成抗药性, 并且会影响骨骼组织的生长, 而使用纳米银所制作的骨骼支架不仅可以有效地抑制细菌, 同时还可以帮助骨骼组织新生。纳米银在农业领域的应用:纳米银可以作为抗菌剂使用, 使用纳米银抗菌薄膜包装的水稻能够在一定程度上改善水稻存储期间对周边高温高湿度环境的耐受性, 抵御霉菌与细菌的侵害, 延长水稻的存储时间。

　　2 纳米氧化镁的抗菌机理与应用

　　2.1 纳米氧化镁的抗菌机理

　　Sawai等[4]针对26种陶瓷粉末的抗菌性能进行研究, 等发觉纳米氧化镁的杀菌能力较强。同时, Sawai还使用了氧电极法与化学发光法对纳米氧化镁、纳米氧化钙、纳米氧化锌等物质进行了抗菌机制的分析, 实验结果证明纳米氧化镁中的活性氧自由基能够导致氧化损伤。纳米氧化镁的表面存在大量的晶格局限羟基、游离羟基, 可以作为吸附与表面反应的中心。纳米氧化镁的抗菌作用除了ROS氧化损伤外, 其对微生物的吸附作用也会导致细胞膜出现损伤, 并且纳米氧化镁的粒径越小, 抗菌效果越佳。Dong等[5]研究发现, 纳米氧化镁可以经过与菌细胞直接接触以破坏膜结构的完整性。纳米氧化镁吸附作用所造成的机械损伤不仅能够解释在不存在ROS的情况下纳米氧化镁的抗菌性能良好的问题, 同时还验证了纳米氧化镁粒径越小抗菌性能越佳的机制。因此, 可以通过降低纳米氧化镁的粒径、增加比表面积、强化吸附作用来改善纳米氧化镁的抗菌作用。

　　2.2 纳米氧化镁的抗菌应用

　　纳米氧化镁作为催化剂的应用范围十分广泛, 作为催化剂纳米氧化镁要着力于在制备中控制催化效果的因素, 以合成催化性能良好的产品。纳米氧化镁作为净化吸附剂也有十分明显的优势, 纳米氧化镁不仅吸附量巨大, 吸附速度快, 同时还可能给弥补传统吸附, 如活性炭的单纯吸附无法消除二次污染的缺陷, 要强化纳米氧化镁的吸附作用可以从纳米氧化镁的吸附原理、降解机制等方面入手。纳米氧化镁还能够作为无机抗菌剂来使用, 其能够弥补银系抗菌剂会出现变色、有机抗菌剂存在毒性的缺陷, 是一种应用广泛的抗菌产品。另外, 在纳米陶瓷的制作中加入纳米氧化镁能够使得陶瓷材料的质量更加优越;纳米氧化镁理想的高温稳定性、高热传导性可以作为光电倍增管中次级发射膜来使用。

　　3 结束语

　　总的来说, 纳米材料的抗菌作用十分明显, 使用便捷高效, 抗菌性能理想, 抗菌作用持久。除了纳米银与纳米氧化镁外, 将会有更多的纳米材料作为抗菌材料被使用, 进一步突出纳米材料在生产生活领域的广泛运用。

　　参考文献

　　[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.