抗菌材料的研究現狀

管瑛，惲亮，韋恩澤，陳恩坤，厲龍，暴海霞

（蘇州市計量測試院 國家空氣凈化產品及氣體檢測儀器質檢中心，江蘇蘇州 215000）

微生物是自然生態系統中的重要組成部分，主要包括細菌、病毒、真菌和少數藻類等[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，為人類生活帶來便利的有益微生物，如能夠產生青霉素的青霉菌、用于發酵的食品微生物等。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，以及進入21世紀以來嚴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步，疾病預防、衛生安全、生存環境等微生物與人類健康相關的領域吸引了越來越多的科研工作者的目光，促進了抗菌材料這一研究領域的飛速發展。

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機抗菌材料（Inorganic Antibacterial Material，IAM）、有機抗菌材料（Organic Antibacterial Material，OAM）和復合型抗菌材料（Hybrid Antibacterial Material，HAM）3大類。二戰時期，抗菌材料被大規模應用于戰士的衣服，之后在汽車建材、通信、家電和日用品中又得到了廣泛應用，帶動了抗菌材料的快速發展[2]。日本是世界上最早啟動抗菌材料研究的國家，是目前國際抗菌材料研發和應用的前沿國家[3]。中國抗菌材料的研發始于1998年中科院和海爾集團合作的“抗菌系列家電及抗菌塑料研制應用”項目，自此打開了中國抗菌產業發展大門[4]。目前，抗菌材料已經深入到衣、食、住、行等與人們生活息息相關的各個領域。

本文主要闡述了目前國內外無機抗菌材料、有機抗菌材料和聚乙烯醇（PVA）復合抗菌材料的研究現狀及發展趨勢。

1 無機抗菌材料

無機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離子交換、物理吸附及多層包覆等手段與不同載體相結合[5]，具有耐熱性能好、安全性能高和抗菌譜廣等優點，但也具有抗菌遲效性、銀鹽、鈦系遇光或長期保存下易變色等不足之處[2]。根據不同的作用機理，無機抗菌材料可分為含金屬離子型無機抗菌材料和光催化型無機抗菌材料。

1.1 含金屬離子無機抗菌材料

大多數金屬離子對于細菌、真菌等微生物都可以起到一定的抑制、殺滅作用，在實際的使用中以銀、銅、鋅等離子及其鹽化物為主要的抗菌成分。當微生物與金屬離子接觸后，金屬離子可以穿透細胞膜進入微生物體內，并與生物體內蛋白質及核酸中的硫氮官能團（-SH、-NH2）反應，蛋白質變性使微生物體內相關的酶喪失活性、破壞微生物的物質傳輸系統、遺傳系統、呼吸系統，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+負載型抗菌材料，其中抗菌效果最佳的為Ag+負載型沸石材料。

1.2 光催化型無機抗菌材料

光催化型無機抗菌劑通常是指TiO2、Fe2O3、ZnO和SiO2等n型寬禁帶半導體氧化物。抗菌作用機制主要是以金屬氧化物作為催化活性中心，通過吸收光電子能量，發生電子躍遷產生正電荷空穴，催化空氣中的氧氣和水蒸氣生成強氧化還原能力的羥基自由基和超氧負離子。這些強氧化物質的一部分能直接在生物體內聚集，當濃度達到一定閾值后就能發揮殺菌作用；另一部分與細菌細胞的糖苷、蛋白質和不飽和脂肪酸等物質發生反應，將其氧化分解使細胞的生化反應紊亂，抑制細菌生長和繁殖從而產生抗菌性能[9]。

2 有機抗菌材料

相較于與無機抗菌材料，有機抗菌材料的制備工藝更為成熟，抗菌效果更加顯著，但一般具有較強的毒性、耐熱性差、過度使用易產生耐藥性。根據來源不同，有機抗菌材料可分為天然有機抗菌材料（Natural Organic Antibacterial Material，NOAM） 和合成型有機抗菌材料（Synthetic Organic Antibacterial Material，SOAM）。

2.1 天然有機抗菌材料

天然有機抗菌材料是指通過提取、分離和純化等手段從動物、植物、微生物及其衍生物中制備的抗菌材料[10]。根據來源不同，天然有機抗菌材料可分為植物源提取物，殼聚糖、溶菌酶等動物源及細菌素等微生物源抗菌材料，具有抗菌范圍廣、無毒環保、資源豐富及良好的生物相容性等優點，但也具有藥效短、耐熱性差等缺點[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、相對分子質量、脫乙酰度等因素會對其抗菌活性產生影響。其抗菌機理主要有2種觀點：一種觀點是殼聚糖中NH4

+吸附在微生物表面，在微生物表面形成高分子保護膜，使參與細胞代謝的營養物質的運輸過程受阻，從而起到殺菌作用，同時殼聚糖也能夠改變細胞膜的選擇性，造成壁膜分離導致細胞質流失，進而殺滅細菌[12]；另外一種觀點是殼聚糖進入細胞會產生絮凝作用，并與微生物的遺傳物質發生反應，干擾相關蛋白的轉錄翻譯過程，影響微生物的生長[13]。

2.2 合成型有機抗菌材料

常用的有機抗菌材料主要有季胺鹽類、有機酸類、醇類和酚類等物質，其抗菌機制主要是抗菌材料通過結合微生物細胞膜表面陰離子進入細胞內部，或者是與-SH反應導致蛋白質變性，阻礙細胞膜的合成，抑制微生物的生長繁殖，從而起到抗菌效果[14]。ZHOU等[15]設計了季銨化NCC晶體，發現過長的肽鏈增加了聚合物的疏水性從而導致其抗菌性能的減弱。

3 PVA復合抗菌材料

近年來，聚乙烯醇（PVA）抗菌材料的開發成為人們研究的熱點，具有獨特的可生物降解性和優異的抗菌性。PVA是聚乙酸乙烯酯發生皂化反應生成的高分子有機化合物，分子鏈內含有大量-OH，可交聯形成大分子網絡結構，該結構是其具有良好抗菌活性的結構基礎。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）納米復合材料，該復合材料對多種致病菌均起到良好的抑菌作用。EGHBALIFAM等[17]通過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，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出較強的抗菌活性。

4 結語

社會的發展進步大大提升了人們的生活水平，與此同時，人們的健康意識和環保意識也在不斷提升，人們在為營造健康的生活環境而不懈努力，這在很大程度上促進了抗菌材料行業的發展。為了滿足人們日益增長的對抗菌材料的需求，開發研制高效持久、安全穩定、成本低廉且易獲取的抗菌材料是今后的發展方向。其中有機/無機復合抗菌材料因其兼有無機抗菌材料的穩定性和有機抗菌材料的高效性將會成為研究的熱門方向。目前，抗菌材料產業在我國仍屬于新興產業，處于快速發展階段，在社會高質量、可持續發展的大背景下，抗菌材料的研發和應用必將展現出蓬勃的生機。