纳米银杀菌机理的研究进展_曲锋

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420 2010, Vol. 31, No. 17
食品科学
※专题论述
纳米银杀菌机理的研究进展
曲 锋,许恒毅,熊勇华,赖卫华,魏 华*
(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,江西 南昌 330047)
摘 要:纳米银因其高效、广谱及不易产生耐药性等优点,已成为目前抗菌材料的研究热点,但其杀菌机理尚有 待于进一步研究。本文综述了纳米银杀菌机理的最新进展,以期为纳米银抗菌材料的应用提供参考依据。 关键词:纳米银;杀菌机理;抗菌材料
原理 超低温条件下机械研磨 在溶液中用激光烧蚀溅射银片,使其破裂 利用脉冲激光将银单质烧蚀蒸发, 将形成的纳米颗粒负载在一定的载体上
优点
原理简单、 产品杂质少、
质量高
将银盐与适当的还原剂在液相中进行反应, 使银离子被还原为银原子并生长为单质颗粒
设备工艺简单、 产率高
水、乙醇等溶剂在γ射线辐照下产生具有很强还原 能力的溶剂化电子,将银离子还原成单质;
纳米银的杀菌效果受多方面的因素影响。纳米银颗 粒自身的粒径、形状、浓度和表面修饰物等均能影响 纳米银和菌体的接触及侵入,造成的杀伤作用强弱也不 同。不同类型的细菌在细胞壁结构上存在很大的差异:
422 2010, Vol. 31, No. 17
食品科学
※专题论述
纳米银
因素
粒径 形状 浓度
表面修饰物
细菌
微生物细胞表面的某些含氧基团通过物理化学 作用使溶液中的银离子还原为原子,反应过程
不依赖于微生物的生物活性
件温和、毒副产物少、 不易团聚
缺点 仪器设备 要求高、 生产费用贵
杂质高、粒径较 大且分布宽
产率低、仪器 设备要求苛刻
粒径分布宽、 成本高、
易污染环境
缺乏高效菌株、 引入细菌导致 产品纯度不高
节成纤维细胞因子,加快创伤的恢复速度并减小产生的 疤痕[16]。将纳米银添加到 PVA 纤维和棉织物,制成的 抗菌织物均表现出强杀菌效果。
Key words:nano-silver;bactericidal mechanism;antibacterial materials
中图分类号:TS207.4
文献标识码:A
文章编号:1002-6630(2010)17-0420-05
银的抗菌性能早在 16 世纪就被广泛地应用于医药 界,如用银片覆盖伤口预防溃烂,用银丝织成纱布包 裹皮肤创伤,婴儿出生时滴上硝酸银溶液可防止黏膜感 染[1]。20 世纪 30 年代,抗生素的发现一度使人们忽视 了对银抗菌性能的利用。然而,随着抗生素等化学药 物的滥用,越来越多的微生物通过变异产生了耐药性, 使得一些由耐药性细菌引起的疾病无法医治。同时也使 具备高效、广谱及不易产生耐药性等优点的银系杀菌剂 再次引起人们的重视。随着纳米技术的迅猛发展,将 金属银加工成纳米银后,原子排列表现为介于固体和分 子 之 间 的 “ 介 态 ”, 其 比 表 面 积 极 大 , 显 示 明 显 的 表 面效应、小尺寸效应和宏观隧道效应,这种活性极强 的纳米银微粒具备超强的抗菌能力[2]。如纳米银抗菌的 有效浓度在纳摩尔水平,低于银离子的微摩尔水平近 1000 倍[3]。然而纳米银抗菌材料得以应用的同时,相关 基础研究则明显滞后,纳米银的抗菌机理尚未认识清 楚,这必将影响纳米银抗菌材料的进一步发展和更为 广泛的应用,本文将纳米银抗菌机理的研究进展做如 下综述。
纳米银破坏了菌体细胞膜的性质,使膜的通透性发 生改变。经纳米银作用后,大量还原糖和蛋白质从菌 体内泄漏到胞外[18];Kim 等[19]也有类似的发现,菌体内
葡萄糖和海藻糖的含量明显增加,释放到胞外的量也明 显增加;正常情况下 0.1% 的 SDS 不能进入完整的菌体 细胞,Lok 等[25]发现细菌经纳米银作用后,SDS 则可以 进入菌体并发挥溶菌作用;细胞内的钾几乎全部流失, ATP 消耗殆尽而且膜电位遭到破坏。1,6 - 二苯基 - 1,3,5己三烯(DPH)通过与细胞膜磷脂双分子层的酰基结合而嵌 入膜内,Kim 等[19]用流式细胞术发现菌体内 DPH 的量随纳 米银浓度的增加而减少,即纳米银破坏了细胞膜的磷脂双 分子层结构,并进一步影响了膜的通透性。Lo k 等[25]发 现,大肠杆菌经纳米银处理后,菌体中 5 种包膜蛋白表 达异常,并证明它们是以各自成熟蛋白前体的形式存 在。作者认为,菌体膜电位的破坏和细胞内 ATP 的大 量消耗造成这些包膜蛋白前体无法穿过胞膜,被加工成 成熟蛋白。纳米银可以降低大肠杆菌呼吸链中脱氢酶的 活性,并且纳米银浓度越高酶活性越低[18]。细菌内多 种蛋白质已被证实会被磷酸化,蛋白质的磷酸化与细胞 内的信号转导有关。Shrivastava 等[20]发现经纳米银处理 后,菌体内有两种蛋白质的磷酸酪氨酸被去磷酸化,据 此认为纳米银通过影响菌体细胞的信号转导,从而抑制 细菌生长。有趣的是,该现象在大肠杆菌(G -) 中被发 现,在金黄色葡萄球菌( G +) 中却没有出现。谢小保等 [24]发现,纳米银使大肠杆菌 DNA 不再随机分布在核区, 而是在核区浓缩呈紧张态,且能够增加大肠杆菌总 DNA 样品的降解程度。
培养 条件
革兰氏阴、阳性菌 浓度
培养基状态
供氧 温度
表 2 纳米银杀菌的影响因素 Table 2 Affecting Factors of the bactericidal effect of nano-silver
影响 同等条件下,纳米银颗粒的粒径越小,杀菌能力就越强 粒径相当,形状分别为三角型、棒型和球型的 3 种纳米银颗粒中, 三角型纳米银颗粒的抗菌性明显强于其他两种形状的颗粒
[30]
[20,26-27] [22-23,31]
[23] [22] [22]
革兰氏阴性菌的细胞壁最外层是一层脂多糖,往内是一 层薄的肽聚糖(7~8nm),脂多糖是由脂类和多糖共价连 接的,整体缺乏强度和硬度;革兰氏阳性菌的细胞壁主 要由肽聚糖构成,线性的肽聚糖由小肽连接成相互交联 的网状立体结构,比阴性菌的厚(20~80nm)且更致密, 纳米银不但难以锚定在其上面,而且难以穿过细胞壁。 诸多研究表明,纳米银对革兰氏阴性菌的抑制或杀伤作 用明显强于革兰氏阳性菌[20,26-27]。培养条件同样可以影 响纳米银的杀菌效果,培养基状态、供氧和培养温度 都是重要的影响因素[22-23]。在液体培养基中的细菌被纳 米银杀死后,细胞内容物与纳米银结合形成沉淀,降 低了液体中局部的纳米银浓度,使得细菌在液体培养 基中对纳米银的耐受能力明显强于在固体培养基。氧 气供给和培养温度能够影响活性氧的产生和 Ag+ 的释放 (表 2)。
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 17 421
方法类别 物理方法
化学方法
微生物方法
制备方法 高能机械球磨法[4]
光照法[5] 蒸发冷凝法[6]
液相化学还原法[7]
光化学还原法[8]
电化学还原法[9-10]
酶催化法[11]
非酶还原法[12-13]
表 1 纳米银的制备方法、原理及优缺点 Table 1 Preparation methods of nano-silver
research progress in bactericidal mechanisms of nano-silver has been discussed, which will provide technical suppelopment and applications of nano-silver as an antimicrobial material.
Research Progress in Bactericidal Mechanisms of Nano-silver
QU Feng,XU Heng-yi,XIONG Yong-hua,LAI Wei-hua,WEI Hua* (State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)
纳米银的浓度越高,杀菌效果就越强 SDS 是离子型表面活性剂,能穿透并破坏细胞壁; Tween-80 是非离子型表面活性剂,与细胞壁接触机会较少 经 SDS 修饰的纳米银,其杀菌性明显强于 Tween-80 修饰的纳米银
纳米银对革兰氏阴性菌的杀伤作用明显强于革兰氏阳性菌 纳米银杀菌效果的强弱随着被作用细菌数量的增加而减弱
Abstract :Nano-silver has become a hot topic in the field of antibacterial materials due to its high efficiency, wide spectrum
and low drug-resistance to bacteria. However, the bactericidal mechanisms of nano-silver are still unclear. In this paper, current
目前,纳米银已应用于水净化领域。J ai n 等[14]将 纳米银加入聚氨酯泡沫体中,含 105cells/mL 大肠杆菌的 水以 0.5L/min 的流速通过该泡沫体后,全部细菌被杀 死。Gong 等[15]制备了 Ag 和 Fe3O4 的复合纳米颗粒,它 兼备了 Fe3O4 的超顺磁性和 Ag 的强杀菌性,不仅有效 杀死了细菌,而且完成处理后可利用磁场将其从水中清 除,如此既避免了对环境造成污染,又可循环使用。
在光照或辐射的条件下,有机物能产生自由基, 使溶液中的银离子还原成银原子
直接用电解的方法将高价态的银离子还原为零价态, 电解液中存在某种稳定剂,保护被还原出的银粒子,
形成分散的纳米银颗粒
产品纯度高 简便易行
微生物体所产生的酶起催化作用,作为电子传递体将氢气、 甲酸盐等还原性物质的电子传递给银离子,使之被还原 原料价廉易得、反应条
1 米银的制备及其应用
按照原理不同,纳米银颗粒的制备方法可以分为物 理方法、化学方法和生物还原法 3 大类,如表 1 所示。
随着科技的进步,未来的纳米银生产技术将向低成 本、低消耗、低污染的方向发展。在物理、化学制 备方法相对已较为成熟的情况下,具有独特的技术和成 本优势的生物还原法将可能成为未来纳米银生产技术的 突破口,寻找新的具有较强银还原能力的菌种并优化其 还原条件将是这种新技术的主要发展方向。
最近一些研究表明,纳米银与多种抗生素和传统中 药均有协同杀菌的作用,明显增强了原药物的杀菌效 能,在药物载体领域展现出良好的应用前景[17]。
2 纳米银对细菌的杀伤效果及影响因素
近年来,纳米银对细菌形态的损伤有了许多共性研 究:经纳米银作用后,菌体细胞畸形且不完整;细胞 外膜受到损伤,胞壁上出现小坑,胞膜上出现小孔; 纳米银不仅作用于细胞外膜,而且进入了菌体细胞内 部[18-24]。Shrivastava 等[20]用透射电镜仔细观察了纳米银 与细菌作用的过程:起初纳米银成簇地锚定在细胞壁 上,这些位点可能是细胞壁上带负电的功能团;随后纳 米银进入菌体,并锚定于细胞内的几个位点,在细胞 膜上形成齿孔;后期观察到黑色碎片状的沉淀物, Shrivastava 等[20]认为该沉淀物是细菌内容物和纳米银结 合的产物,这可能是一种降低局部纳米银浓度的防御机 制,使得细菌延长了延滞生长期而没有被全部杀死。谢 小保等[24]也观察到相似的过程:纳米银粒子先在细胞壁 上产生小的孔洞,通过这些孔洞进入周质空间,导致 细胞膜成分泄漏和破坏细胞膜,进而进入细胞内部,纳 米银粒子使 DNA 浓缩呈紧张态,并与破损细菌的细胞 质结合积聚,最后引起胞内物质流失。
纳米银可通过尼纶、网布、水状胶质、甲基纤维 素、聚乙烯和聚丙烯等为载体,制成医用敷料,适用 于大部分的外伤治疗。纳米银通过减少创伤的发炎和调
收稿日期:2010-05-10 基金项目:江西省优秀博士学位论文培育计划基金项目(YBP08A03) 作者简介:曲锋(1986 —),男,硕士研究生,研究方向为纳米材料毒性。E-mail:qufeng7@ * 通信作者:魏华(1966 —),男,研究员,博士,研究方向为食品生物技术。E-mail:hua_wei114@
60μg/mL 的纳米银能完全抑制固体培养基上大肠杆菌的生长;而在液体培养基中, 即使 100μg/mL 的纳米银也不能完全抑制细菌的生长
有氧条件下,纳米银可以迅速杀菌;厌氧培养条件下则没有杀菌效果 纳米银在 37℃具有明显的杀菌效果;而在 4℃和 25℃只表现出轻微的抑制作用
参考文献 [28-29] [21] [23,27]
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