當(dāng)細(xì)菌遭遇納米材料

薛斌

在我們生活的世界上，細(xì)菌無處不在。大多數(shù)細(xì)菌都是可以與我們和平共處的，但也有一小部分致病細(xì)菌，比如大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、綠膿桿菌、沙門氏菌和肉毒桿菌等，嚴(yán)重威脅著人類的健康。近年來印度、日本等國家出現(xiàn)的多種抗生素都無法殺死的“超級細(xì)菌”，如同在提醒我們，細(xì)菌并沒有繳械投降。值得慶幸的是，納米材料的出現(xiàn)為人類與細(xì)菌的新較量帶來了希望。

既古老又年輕的納米材料

納米是長度計量單位，1納米是十億分之一米，1根頭發(fā)的直徑約為6萬納米。在三維空間里至少有一個維度處在1～100納米范圍內(nèi)的材料，或者由這一類材料作為基本單元組裝而成的材料稱之為納米材料，也被叫作超微顆粒材料。

納米材料是一類古老而新型的材料，說它古老是因為人類歷史上很早就在使用納米材料，比如中國古代制墨時，多用松木燒出煙灰作原料，而墨的松煙就是零維的碳納米顆粒;說它新是因為科學(xué)家們正在用各種先進(jìn)的新技術(shù)制造納米材料，并且發(fā)現(xiàn)了它的許多奇特性質(zhì)和應(yīng)用價值。

根據(jù)納米材料的形狀特征，可以把它劃分為零維、一維、二維和三維等四類。

零維納米材料包括量子點(diǎn)、納米球等，金（Au）納米粒子便屬于這個范疇。一維納米材料包括納米棒、納米管等，典型的例子有碳納米管。二維納米材料包括納米片，典型的例子是石墨烯。三維納米材料通常是由以上低維納米材料作為構(gòu)筑單元組裝而成，包括海膽形、花球形等，構(gòu)成貝殼的碳酸鈣就屬于三維納米材料。

零維納米材料——納米球一維納米材料——納米棒二維納米材料——納米片花球形的三維納米材料

納米抗菌材料大盤點(diǎn)

納米材料由于尺寸極小，產(chǎn)生了許多傳統(tǒng)材料并不具備的物理和化學(xué)特性，這些特性賦予了納米材料抗菌的功能。又由于納米抗菌材料可以同時作用于多個細(xì)胞靶點(diǎn)，讓細(xì)菌短時間內(nèi)不會產(chǎn)生顯著的突變，從而降低了細(xì)菌獲得耐藥性的機(jī)會，體現(xiàn)出了納米抗菌材料的優(yōu)越性。

那么納米抗菌材料是怎樣工作的呢？原來，納米抗菌材料有許多鋒利的棱角和邊緣，就像一把把“納米刀”，一旦細(xì)菌與之接觸，就會被刺破細(xì)胞膜，造成內(nèi)容物流出，進(jìn)而被殺死。自然界中，蟬翼表面就存在納米棒狀陣列結(jié)構(gòu)，這些納米棒就像排列整齊的鋼針一樣，對附著在上邊的細(xì)菌有很好的殺滅效果。

納米抗菌材料與細(xì)菌接觸后會誘導(dǎo)其細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而使細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA等成分被氧化破壞。有些情況下納米抗菌材料也會使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫和單線態(tài)分子氧等活性氧物種，這些物質(zhì)的過度累積會造成細(xì)菌細(xì)胞的凋亡。

納米材料還存在光熱效應(yīng)，即擁有把光轉(zhuǎn)化為熱的能力。例如金（Au）納米顆粒和硫化鉬（MoS?）納米片就可以吸收對人體組織具有較好穿透性的近紅外光，產(chǎn)生的熱可以殺滅體內(nèi)的細(xì)菌以及腫瘤細(xì)胞，因此這些納米材料又被稱為“光熱抗菌劑”。

半導(dǎo)體材料的光催化作用也是殺菌的重要途徑。經(jīng)常出現(xiàn)在防曬霜中的二氧化鈦，治療皮炎的藥膏里含有的氧化鋅，就是典型的金屬氧化物半導(dǎo)體材料。納米尺寸的二氧化鈦和氧化鋅被紫外光激發(fā)后，產(chǎn)生的光生電子和空穴可以與水或氧氣分子結(jié)合產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的活性氧物種，細(xì)菌會被這些物質(zhì)氧化殺死。但這類材料的局限性在于，它們只能被紫外線激發(fā)，紫外線在太陽光譜中的比例很小，而且紫外線會對人體皮膚造成損害。

納米尺寸的金屬顆粒由于表面原子大量暴露，增加了這些原子的活潑性，因此可以使表面原子失去電子的過程變得更容易，從而緩慢地釋放出金屬離子。這些金屬離子可以穿過細(xì)菌的細(xì)胞膜破壞細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，從而引起細(xì)菌的死亡。而金屬銀（Ag）和銅（Cu）本身就是很好的抗菌材料，這也是古往今來銀質(zhì)餐具和銅質(zhì)把手受到歡迎的原因。既可以彰顯氣派，又可以殺菌消毒。得益于這一先天優(yōu)勢，納米尺寸的銀和銅顆粒在抗菌方面更可以大顯身手。其實，日常生活中接觸到的納米銀抗菌噴劑以及納米抗菌洗衣機(jī)正是利用的這個原理。

2010年諾貝爾物理學(xué)獎明星納米材料石墨烯就是綜合利用了多個抗菌機(jī)理。石墨烯最初是由科學(xué)家通過膠帶從石墨（鉛筆芯的主要成分）表面剝離下來的，結(jié)構(gòu)上它是由單層碳原子排列成的無數(shù)個六邊形相連構(gòu)成，相當(dāng)于單層的石墨，屬于二維碳納米材料。石墨烯具有鋒利的邊緣、巨大數(shù)量的表面暴露原子，既可以作為 “納米刀”，又可以使細(xì)菌產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時還可以作為“支撐體”和“穩(wěn)定器”與其他納米材料構(gòu)成復(fù)合物，發(fā)揮協(xié)同作用提高抗菌效果。

?被納米抗菌材料鋒利的棱角和邊緣刺破的細(xì)菌

當(dāng)納米材料“闖進(jìn)”醫(yī)療領(lǐng)域

納米材料一方面利用仿生學(xué)原理將醫(yī)療器械表面進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)圖案化處理，比如仿照鯊魚、海星、壁虎、鯨的皮膚構(gòu)造制造納米尺寸的凸起、凹坑、柱體、溝槽，以防止細(xì)菌在其表面黏附，實現(xiàn)對細(xì)菌的被動防御。另一方面可以在醫(yī)療器械表面包覆具有殺菌功能的納米材料，實現(xiàn)對細(xì)菌的主動殺滅。這兩方面的綜合運(yùn)用，可以有效提高介入性醫(yī)療器械在抗感染方面的安全性。

水凝膠是由聚合物“鏈條”通過物理或化學(xué)相互作用交聯(lián)而成的極易吸收水分的3維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。具有高水溶脹性、高透氧性、較好的生物相容性、易于負(fù)載可控釋藥物等特性。水凝膠既可以在發(fā)達(dá)的孔道中負(fù)載具有抗菌活性的無機(jī)納米顆粒，比如銀、銅、氧化鋅和二氧化鈦等，也可以負(fù)載抗生素，又可以與石墨烯等碳納米材料形成復(fù)合抗菌水凝膠，還可以通過精心選擇聚合物單體和交聯(lián)劑，實現(xiàn)對水凝膠親水性和孔隙率的精確調(diào)控，以改善其本身的抗菌活性。

納米二氧化鈦的抗菌原理示意圖

這些策略的協(xié)同作用可以有效延長水凝膠抗菌材料的抗菌時效、增強(qiáng)它的機(jī)械強(qiáng)度、進(jìn)一步改善它的生物相容性。正因如此，抗菌水凝膠廣泛應(yīng)用于傷口護(hù)理、治療口腔感染、胃腸道感染、骨髓炎及加工隱形眼鏡等領(lǐng)域。

納米銀抗菌噴劑??石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)（圖片來源 / 維基百科）

?壁虎腳仿生材料（圖片來源/《先進(jìn)材料》雜志）??智能仿生眼（圖片來源/《先進(jìn)材料》雜志）

相信伴隨著科學(xué)家對納米材料的深入研究，人類會發(fā)現(xiàn)越來越多的新型納米抗菌材料，對納米抗菌材料的特性產(chǎn)生更全面的認(rèn)識。未來的納米抗菌材料會在創(chuàng)傷愈合、組織及器官移植、食品保鮮等多個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

納米抗菌材料的未來應(yīng)用（包括創(chuàng)可貼、手術(shù)刀、人工關(guān)節(jié)、心臟支架、導(dǎo)尿管、義齒、保鮮膜等）

知識拓展

水凝膠科技最新進(jìn)展

2020年11月，材料學(xué)期刊《先進(jìn)功能材料》上發(fā)表了關(guān)于具有雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗菌水凝膠的研究論文。這種水凝膠以天然瓊脂糖與聚肽為原料，通過酶催化偶聯(lián)反應(yīng)與溫度調(diào)控的氫鍵驅(qū)動凝膠化反應(yīng)一鍋法得到。研究表明該水凝膠本身即具有抗菌能力，此外瓊脂糖的天然屬性賦予了它優(yōu)異的生物相容性，瓊脂糖緊密的螺旋結(jié)構(gòu)保證了它良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，羰基基團(tuán)與生物組織的化學(xué)作用則賦予了它獨(dú)特的黏附特性。2020年12月，化學(xué)期刊《ACS納米》上報道了一種多功能抗菌水凝膠。該工作受到海洋貽貝粘附時發(fā)生的兒茶酚反應(yīng)啟發(fā)，設(shè)計了以環(huán)境友好的生物質(zhì)材料木質(zhì)素為原料的水凝膠綠色合成路線。抗菌活性評價實驗表明該水凝膠對革蘭氏陽性和陰性菌都具有顯著的抑制作用。并且這種水凝膠還具有其它特點(diǎn)，包括堅固而富有彈性、能粘附于皮膚組織及其他各種表面、有自修復(fù)能力等。

（責(zé)任編輯 / 陳天昊? 美術(shù)編輯 / 李子夜）