银抗菌的安全性

银抗菌的安全性

邢彦军1 ,2 , 宋阳3 , 吉友美1 , 戴瑾瑾1 (1) 东华大学化学与化工学院,上海201620 ; (2) 东华大学教育部生态纺织重点实验室,上海201620 ;(3) 东华大学,国家染整工程技术研究中心,上海201620

抗菌纺织品的研究与应用与人类健康密切相关,因而越来越受到人们的重视。抗菌纺织品可以明显地提高产品的附加值,满足人们对健康环保的需求,因此市场潜力很大。

纺织品的抗菌整理多采用主动抗菌,即通过一定方式将特殊的抗菌物质引入纺织材料,以达到抗菌的目的。目前多采用双胍类、异噻唑啉酮类、有机硅季铵盐类和酚类等溶出型有机抗菌剂。但是,长期使用这些抗菌剂很容易产生耐药性菌种,大大影响了抗菌效果。相反,无机抗菌杀菌剂具有抑菌持久性、广谱性、高度安全性等优点,因而其应用领域不断扩展。金属离子抗菌剂是一类重要的无机抗菌剂,其中银离子的抗菌能力远远强于其他抗菌金属离子,故银系无机抗菌剂在抗菌纺织品上的应用越来越广泛。本文对银抗菌剂的安全性、抗菌性能、抗菌机制、银系抗菌纤维和纺织品制备方法、国内外抗菌纺织品测试方法以及目前尚存的问题进行了评述。

1 银的抗菌性

微量的、相对无毒的金属具有杀灭病原体和防止它们增殖的“微量作用效应”。在所有金属中,银最具微量生物活性。银的使用最早可以追溯到18世纪使用硝酸银治疗胃溃疡[1]。19世纪第1次确定了银离子的抗菌活性,到了20世纪20年代,胶体银由于可以有效地处理伤口而被美国食品药品署(FDA)认可[2-3]。与其他抗菌剂相比,银系抗菌剂具有抗菌性能高(见表1) ,不易产生抗药性的特点,具有很高的安全性。在温暖潮湿的环境里,银离子具有非常高的生物抗菌活性。同时,银系抗菌剂还具有很多优点,如对皮肤没有刺激性,不影响纺织品的服用性能,因此银系抗菌剂适合于抗菌功能纺织品的制备[4-5]。

表1 用于纺织品的不同抗菌剂性能比较

注: + 表示有效; + + + 表示高效; - 表示无效。测定方法不同,不同抗菌剂间无法进行比较。

2 银的安全性

我国民间很早就认识到银有抗菌作用,并记述了银的毒性,明代医学家李时珍在《本草纲目》中对银的性质有所记述:“生银、味辛、寒、无毒”。从生理学上讲,银不属于人体必需的微量元素,但由于食物和饮水的摄取或者职业的原因,人体内仍然可以检测到银的存在(质量浓度<213μg/L) [6] 。疾病治疗过程中所使用的含银药膏、绷带或者导尿管等所含的银也会进入人体的循环系统。

在大多数情况下,银与人体细胞中的金属硫蛋白作用会形成蛋白络合物,从而减小了银的毒性。含银医用敷料所释放的银除了形成硫化物或氯化物沉淀,与伤口的分泌物反应形成稳定的复合物外,有较少部分也会通过开放的伤口进入人体。研究报道,受伤皮肤吸收的银离子量远高于健康人体的皮肤[7]。从理论上讲,银会沉积于人体的任何组织之中,但只有皮肤、大脑、肝、肾、眼睛和骨髓是目前研究最多的部位。大多数的银主要通过肝和肾排出人体,同时头发和指甲的生长也提供了一个排泄途径[4-5]。

目前对银的摄入和银在人体中新陈代谢的研究还较少,只有少数关于磺胺嘧啶银的临床研究。自引入市场以来,磺胺嘧啶银已经在临床上使用了几十年,病人每天最多可使用30g(含银9.06g)。研究表明在使用磺胺嘧啶银时,10 %的银会被人体吸收,而高度血管化的伤口吸收更高[8]。使用磺胺嘧啶银的病人体内血银质量浓度可高达>300μg/L,但至今未发现明显的毒副作用[9-11]。Wysor 采用口服或皮下注射的方法将1050mg/kg的磺胺嘧啶银(含30 %银,相当于70kg的人使用2 2g的银)用于小鼠,连续实验1个月后,受试动物无死亡,体重无减轻,没有行为改变和腹泻;组织切片分析发现,受试动物无明显病变。

与人体皮肤直接接触的医用纤维中含有的金属银和银离子,受汗液、皮脂和组织分泌液的激活而积累在皮肤的表面,其中一些会形成硫化银穿过皮肤的表层而沉淀在皮肤中。虽然高温和高湿环境将加速皮肤和黏膜对银的吸收,但由此造成的银吸收远远低于使用1 % 磺胺嘧啶银软膏病人所吸收的量。

3 不同价态银的抗菌性能

大量研究表明,不同价态的银均具有杀菌效果,但随着价态的变化,其杀菌机制有所不同。总体来说,高价态离子的还原势极高,能够导致原子氧产生的能力也相应的较大,从而极大地提高了抗菌性能。银具有3 种氧化态:Ag(Ⅰ)、Ag(Ⅱ)和

Ag(Ⅲ),不同形态银的抗菌性能的顺序为[12-14]: Ag

4O

4

>Ag(Ⅲ)> Ag(Ⅱ)>>Ag(Ⅰ)>Ag(0)。表2中列出了银单质和不同形

态化合物离子化能力的定性比较。表2 用于抗菌材料的银系化合物

Ag 4O 4是由2个Ag(Ⅰ)和2个Ag(Ⅲ)与4个O 2-紧密结合构成的一种具有活跃电子的分子晶体。由于在同一个分子内存在着Ag+/Ag3+ ,使电位不平衡, Ag 4O 4 具有潜在的电子跃迁的能力和向更稳定状态变化的趋势[15]。Ag 4O 4与病毒、细菌、真菌和原生动物等生物体的膜和衣壳上的特定蛋白表面裸露的-N 基(-NH-,-NH2)和-S 基(S-S,-SH)具有亲和性,可以发生热力学吸附并触发氧化还原反应和由反应产生的Ag2+ 的螯合反应,从而致使蛋白质构象改变, 最终导致病原体死亡[14]。Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)具有比Ag(Ⅰ)更强的杀菌能力,但其杀菌机制目前还未见详细报道。一般认为是Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)的强氧化性使其拥有杀菌能力。Ag(Ⅲ)的杀菌速度平均要比Ag(Ⅰ)快240倍,杀菌效果是Ag(Ⅰ)的200倍[12]。

在这些银的形态中,只有Ag(Ⅰ)和Ag(0)最稳定,并且已经应用于各种抗菌材料[16]。Ag(Ⅰ)中使用最多的是硝酸银和磺酸嘧啶银。硝酸银是非常优异的抗菌剂,其抗菌性能比很多其他抗菌剂(包括磺酸嘧啶银)要好,特别是在消除抗性品系的金黄色葡萄球菌、肺炎球菌以及绿脓杆菌上效果更好[17]。但硝酸银的用量不能超过1% ,否则与活组织细胞接触时会引起细胞电解质钠和钾的流失[18]。磺酸嘧啶银避免了硝酸银的很多缺点,同时广谱抗菌。虽然磺酸嘧啶银在水中的溶解度较小,但它与体液作用释放银离子的能力并不差。当磺酸嘧啶银质量浓度达到50 mg/L 时,95 %的人体伤口中细菌种类都可以有效地消除,然而银离子极易与生物体中的氯离子产生氯化银沉淀,进而诱发人体过敏反应产生。

虽然金属银的离子化速度很慢,但也已经用于治疗伤口。纳米化学的发展加速了微细银颗粒(<20nm)的制备。制备得到的微细银颗粒的可溶性增强,并且由于金属银的离子化和颗粒的表面积成比例,纳米颗粒的高表面积使得银离子的释放速度也相应增加,因此相对于金属银来说,其抗菌性能也极高。然而,抗菌性能提高的同时也意味着毒性的增加。目前对纳米级物质的危险性还有很多争议。研究表明,当以纳米颗粒的形式存在时,纳米银要比一些重金属的毒性还要高[19]。体外试验表明纳米银颗粒会导致哺乳动物的肝细胞中毒[20],甚至可能会导致脑细胞中毒[21]。同时,纳米银颗粒的稳定性较差,储放时易产生凝聚形成微米级粒子,另外高分子基材不容易分散,影响了其应用。

抗菌织物所使用抗菌剂中银的来源和银离子的释放方式及速度对纤维和织物的抗菌性能有着极大的影响。采用不同方法得到的银系抗菌纺织品具有不同的释放体系和浓度。Thomas 和Mc Cubbin 研究了10种采用不同的银抗菌剂、纤维材料以及释放体系的织物并比较了它们的抗菌性能[22]。结果表明:银的总含量是最主要的影响因素,而银在织物中的分布、化学物理形态以及织物的亲湿性等对抗菌性能也有一定影响,因此某一种银抗菌体系的有效银含量能否代表其他银系抗菌体系值得考虑。