纳米氧化锌抗菌性能及机制的研究进展-OpenRepositoryofNational

纳米氧化锌抗菌性能及机制的研究进展

况慧娟ꎬ杨㊀林ꎬ许恒毅ꎬ张婉怡

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室ꎬ江西南昌３３００４７)

㊀㊀摘要:纳米氧化锌因具有优良的抗菌性能ꎬ已成为目前抗菌材料研究的新热点ꎮ本文对现有相关研究成果进行了总结㊁归纳和分析ꎬ详细介绍了纳米氧化锌的强抗菌性能ꎬ并介绍了粒径大小㊁浓度㊁与细菌作用时间㊁细菌的类型及外界条件等因素对其抗菌性能的影响ꎬ深入探讨了纳米氧化锌的抗菌机制ꎬ主要包括锌离子的释放㊁与细菌表面的相互作用㊁活性氧及光催化机制ꎬ进一步对纳米氧化锌在今后研究中的抗菌机制和安全性研究及其应用范围等方面进行了综述ꎮ

关键词:抗菌药ꎻ纳米结构ꎻ氧化锌ꎻ药理作用

中图分类号:Ｒ９７９.７ꎬＴＢ３８３㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１０００￣３００２(２０１５)０１￣０１５３￣０５

㊀㊀ＤＯＩ:１０.３８６７/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣３００２.２０１５.０１.０２４

㊀㊀据世界卫生组织报告ꎬ目前７０％~９０％的致痢

疾(志贺菌属)㊁肺炎(肺炎链球菌)㊁淋病和医院感

染(金黄色葡萄球菌等)流行菌株对第一代抗生素

耐药[１]ꎬ极大地影响了疾病治疗ꎬ威胁到人类的健康和生命安全ꎮ在众多纳米材料抗菌剂中ꎬ纳米氧

化锌对大肠杆菌㊁金黄色葡萄球菌㊁沙门菌属等致病

菌具有强烈的抑制或杀灭作用[２]ꎬ并且纳米级的氧化锌作为一种新型锌源ꎬ在具有选择毒性及良好的生物相容性的同时ꎬ还具有较高的生物活性㊁良好的免疫调节能力和高吸收率等特点[３]ꎬ因而愈发受到相关研究者的重视ꎮ然而纳米氧化锌抗菌机制尚不明确ꎬ本文通过对相关研究报道进行总结和分析ꎬ阐述了纳米氧化锌抗菌性能的影响因素以及作用机制ꎬ同时对纳米氧化锌在抗菌方面的研究和应用进行了展望ꎬ以期能为今后纳米氧化锌的研究和应用提供参考ꎮ

１㊀影响纳米氧化锌抗菌性能的因素

１.１㊀纳米氧化锌粒径大小

当粒子的粒径降到纳米级(１~１００ｎｍ)时ꎬ㊀

㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(８１２０１６９１)ꎻ

江西省科技厅青年科学家(井冈之星)培养对象项目(２０１４２ＢＣＢ２３００４)ꎻ南昌大学分析测试中心基金资助项目(２０１２０１８)

作者简介:况慧娟(１９９１－)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事纳米材料的毒性研究ꎻ许恒毅(１９８１－)ꎬ男ꎬ博士ꎬ副研究员ꎬ主要从事食品生物技术与纳米生物技术的研究ꎮ

㊀㊀通讯作者:许恒毅ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｋｉｄｙｘｕ＠１６３.ｃｏｍꎬＴｅｌ: (０７９１)８８３０４４４７￣９５１２纳米粒子具有较高的表面活性和较大的比表面积ꎬ增加了与细菌接触和反应的面积ꎬ因而纳米氧化锌对细菌的毒性显示出一定的粒径依赖性[４]ꎮＲａｇｈｕｐａｔｈｉ等[５]研究了６种不同粒径的氧化锌粒子对金黄色

葡萄球菌生长的抑制效果ꎮ结果发现ꎬ当纳米氧化锌粒径>１００ｎｍ(浓度为６ｍｍｏｌ Ｌ－１)时ꎬ对金黄色葡萄球菌没有明显的生长抑制作用ꎬ而当其粒径<１２ｎｍ时ꎬ不仅抑制该菌的生长ꎬ甚至对其有致死作用ꎮ

１.２㊀纳米氧化锌浓度及作用时间

除粒径大小对纳米氧化锌抗菌性能有明显的影响外ꎬ纳米氧化锌的浓度及粒子与细菌之间的作用时间对其抗菌性能也存在一定影响ꎮ何临海等[６]研究了不同质量分数的纳米氧化锌对白色假丝酵母(白色念珠菌)的影响ꎮ结果发现ꎬ随着纳米氧化锌质量分数的不断升高ꎬ抗菌率增大趋势逐渐变缓ꎬ说明纳米氧化锌的抗菌率与其质量分数不呈线性关系ꎮ此外ꎬ马占先等[７]研究了不同作用时间与其抗菌率之间的关系ꎬ结果发现ꎬ随着作用时间的延长ꎬ纳米氧化锌的抗菌效率明显提高ꎮ

１.３㊀细菌的类型

研究表明ꎬ革兰阳性菌较阴性菌对纳米氧化锌更为敏感[２]ꎮＰｒｅｍａｎａｔｈａｎ等[８]发现在相同培养条件下ꎬ纳米氧化锌对革兰阳性菌抗菌作用更强ꎬ纳米氧化锌(２５ｎｍ)对革兰阴性菌如大肠杆菌和铜绿假单胞菌(绿脓杆菌)半致死浓度均为５００ｍｇ Ｌ－１ꎬ而其对革兰阳性菌金黄色葡萄球菌的半致死浓度为１２５ｍｇ Ｌ－１ꎮ两类菌细胞壁结构的不同可能是引起纳米氧化锌抗菌效果差异的主要因素ꎮ革兰阳性菌的细胞壁较厚ꎬ主要是由肽聚糖㊁磷壁酸和脂磷壁

酸组成ꎬ而革兰阴性菌的细胞壁组成较为复杂ꎬ不仅具有脂多糖和肽聚糖薄层ꎬ并且其表面还覆盖一层外膜ꎬ该外膜作为阻渗层能有效地减轻活性氧

(ｒｅａｃｔｉｖｅｏｘｙｇｅｎｓｐｅｃｉｅｓꎬＲＯＳ)对菌细胞的毒性作用ꎬ从而减弱纳米氧化锌对革兰阴性菌的毒性[９]ꎮ此外ꎬ纳米氧化锌对细菌毒性强弱还可能与细菌菌膜的极性相关ꎮ据Ｇｏｒｄｏｎ等[１０]研究证实ꎬ革兰阳性菌细胞膜较阴性菌带更多的正电荷ꎬ因此带负电荷的自由基更易穿透带更多正电荷的革兰阳性菌菌膜ꎬ从而对革兰阳性菌造成更大的损伤ꎮ１.４㊀外界条件

１.４.１㊀温度和ｐＨ值

在水溶液体系中ꎬ纳米氧化锌的溶解过程大致可用如下反应表示:ＺｎＯ(固体)＋Ｈ２Ｏ(液体)↔Ｚｎ(ＯＨ)２(固体)ꎬＺｎ(ＯＨ)２(固体)↔Ｚｎ(ＯＨ)＋(溶液)＋ＯＨ－(溶液)ꎬＺｎ(ＯＨ)＋(溶液)↔Ｚｎ２＋(溶液)＋ＯＨ－(溶液)[１１]ꎮ由上述反应方程式得出ꎬ纳米氧化锌溶于水后生成碱性的氢氧化锌ꎬ因此ꎬ在酸性条件中ꎬ纳米氧化锌更易溶解ꎮ此外ꎬ由于纳米氧化锌的溶解度的热焓值为负数ꎬ升高温度会导致其溶解度降低[２]ꎮ综上所述ꎬ降低体系的温度和ｐＨ值能增加纳米氧化锌的溶解度ꎬ促进锌离子的释放ꎬ从而有效增强纳米氧化锌对细菌的毒性效应ꎮ

１.４.２㊀基质

纳米粒子所处微环境在较大程度上影响其抗菌或杀菌效果ꎮＬｉ等[１２]探究了水中几种常见的离子和溶解的有机质对纳米氧化锌对大肠杆菌毒性的影响ꎮ结果发现ꎬ阳离子(如Ｃａ２＋ꎬＭｇ２＋)能与游离的Ｚｎ２＋竞争细菌菌体上的结合位点ꎬ降低了纳米氧化锌对大肠杆菌的毒性ꎬ而阴离子(如Ｃｌ－ꎬＮＯ３－ꎬＳＯ４２－)对纳米氧化锌的毒性无明显影响ꎮ但当体系中加入ＨＰＯ４２－后ꎬ纳米氧化锌对大肠的致死率从９３.３％(无ＨＰＯ４２－时)减小到４.６％(ＨＰＯ４２－５ｍｍｏｌ Ｌ－１)ꎬ作者认为ＨＰＯ４２－能与Ｚｎ２＋结合形成磷酸锌沉淀物从而减少了溶液中游离Ｚｎ２＋的浓度ꎮ此外ꎬ还发现纳米氧化锌对细菌毒性与游离Ｚｎ２＋的浓度成线性关系时ꎬ并且通过减少游离Ｚｎ２＋的浓度能够降低纳米氧化锌对大肠杆菌的毒性[１３]ꎮ进一步研究发现ꎬ有机质如腐植酸㊁单宁酸㊁海藻酸和富里酸等能通过络合游离的Ｚｎ２＋减少释放Ｚｎ２＋的浓度[１４]ꎬ减轻其对大肠杆菌的毒性ꎮ

２㊀纳米氧化锌的抗菌机制

目前ꎬ有较多关于纳米氧化锌抗菌或杀菌的研究报道ꎬ现有文献对其抗菌或杀菌机制主要归纳为３个方面:①游离Ｚｎ２＋的释放ꎻ②纳米粒子和菌体表面相互作用ꎻ③ＲＯＳ的产生[２]ꎮ

２.１㊀锌离子

金属离子(如Ｚｎ２＋)的代谢平衡对细菌的存活至关重要ꎬ因为金属离子不仅对生物体内参与代谢的物质如酶㊁辅酶和催化剂等起重要调节作用ꎬ而且还是酶和ＤＮＡ结合蛋白的结构稳定剂ꎮ因此ꎬ高浓度的金属离子会破坏菌体内原有稳态ꎬ继而对细菌产生毒性[１５]ꎮ有研究表明ꎬ纳米氧化锌在含水介质中不断地缓慢释放Ｚｎ２＋ꎬ且Ｚｎ２＋能够透过细胞膜进入细胞内ꎬ在破坏细胞膜的同时与蛋白质上的某些基团反应ꎬ破坏菌体结构和生理活性ꎬ并进入菌体内破坏电子传递系统的酶且与－ＳＨ反应ꎬ达到杀菌目的ꎮ并且ꎬ在杀灭细菌后ꎬＺｎ２＋可以从细胞中游离出来ꎬ重复上述过程[１６]ꎮＬｉ等[１２]研究了纳米氧化锌㊁分析纯氧化锌以及Ｚｎ２＋在超纯水共孵育条件下对大肠杆菌的毒性差异ꎮ结果发现ꎬ纳米氧化锌对细菌的毒性主要来源于Ｚｎ２＋的释放ꎮ另外ꎬ金属离子对细菌毒性强弱取决于环境条件中自由离子的浓度ꎮ单宁酸相较于腐植酸㊁富里酸和海藻酸能更大程度地减弱纳米氧化锌对细菌的毒性ꎬ这是因为单宁酸能络合更多游离Ｚｎ２＋ꎬ从而提高了细菌的存活率ꎮＬｉ等[１７]还研究对比了实验中常用的共孵育介质(超纯水㊁生理盐水㊁ＰＢＳ缓冲液㊁ＬＢ培养液和ＭＤ培养液)对纳米粒子抗菌作用的影响ꎮ结果发现ꎬ纳米氧化锌在这５种共孵育液中对细菌的毒性大小依次为超纯水>生理盐水>ＭＤ培养液>ＬＢ培养液>ＰＢＳ缓冲液ꎮ这可能是由于不同孵育介质与纳米氧化锌形成含锌的沉淀物或复合物ꎬ降低了游离的Ｚｎ２＋浓度ꎬ最终减弱了纳米氧化锌对细菌的毒性ꎮ

此外ꎬ也有研究通过离心纳米氧化锌胶体悬浮液得到不含纳米粒子的上清液ꎮ结果发现ꎬ上清液几乎没有抑菌作用ꎻ而含纳米氧化锌颗粒的胶体悬浮液则具有较强的抗菌作用ꎬ抑菌率可以达到９５％[５]ꎮ而也有研究者使用１０倍于纳米氧化锌浓度的ＺｎＣｌ２进行对比研究ꎬ发现ＺｎＣｌ２对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都未获得理想的抗菌效果[１８]ꎮ因此ꎬ推测锌离子释放机制可能不是纳米氧化锌抗菌的主要机制ꎮ

２.２㊀粒子与细菌表面的相互作用

金属氧化物的抗菌性也可归因于纳米粒子与细菌表面的相互作用ꎬ继而引起细菌表面损伤ꎮ纳米粒子的比表面增大ꎬ使其具有明显的表面效应ꎬ更易与细菌膜发生相互作用和大面积接触ꎬ继而引起