纳米银在抗菌方面的研究进展

纳米银在抗菌方面的研究进展

摘要：纳米技术是本世纪最有前途的新技术之一，纳米材料被广泛应用于生物、医药、化工及其他工业领域。纳米颗粒是指直径在1-100nm之间的粒子，也称为超微粒子，纳米材料的优异特性取决于其独特的微观结构，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，因而显示出不同于常规材料的热、光、电、磁、催化和敏感等特性。国内、外研究人员将纳米材料和技术与银的特性相结合，研制出纳米银材料应用于各领域，例如建筑涂料、环境净化、医疗、医药、陶瓷、塑料、纸制品、纺织品、化妆品等领域，主要是运用了纳米银独特的抗菌性能和抗菌机制[1]。

关键词：纳米银；抗菌；应用

1 纳米银的抗菌机理

有关纳米银抗菌作用机制，Dibro等认为，纳米银的作用方式与银离子相似，但它们的有效浓度不同，纳米银是在纳摩尔水平，而银离子是在微摩尔水平。因此，纳米银的抗菌性能尤其对致病的的杆菌、球菌、丝菌的杀灭作用远远大于传统的银离子杀菌剂。纳米银微粒可杀死细菌、真菌、支原体、衣原体等致病微生物。通常纳米银颗粒直径（10-100nm）极其微小，独特的小尺寸效应和表面效应可以轻易地进入病原体，与菌体中酶蛋白质巯基（-SH）迅速结合；一些以巯基（-SH）为必要基团的酶便失去活力，使致病菌不能代谢而死亡，从而达到杀菌、修复组织、促进伤口愈合的作用。Lok等[2]将大肠杆菌短期暴露在纳米银中，运用蛋白质组学分析纳米银的抗菌机制。结果显示，纳米银会导致包膜蛋白前体的积累，大肠杆菌细胞膜被破坏，降低其膜电位，细胞内ATP 水平降低。纳米银的抗菌作用是一种同时作用于细菌细胞内、外的复杂机制。纳米银通过与外膜屏障成分的作用对细胞膜结构和功能构成破坏和扰动，改变膜电势和膜的渗透性，导致细胞的离子转运体系被打乱；纳米银还可以进入细胞内，使细胞内钾和磷酸盐等流失以及细胞内

ATP大量水解、水平急速降低等；还可能与致病微生物中的DNA结合，导致DNA结构变性，抑制DNA复制；纳米银还会诱导产生超氧化物自由基和其他活性氧自由基，进而导致细胞的氧化应激、细胞膜损伤；纳米银在含水环境中可以释放银离子，易与一系列带负电荷的分子结合，从而干扰微生物正常的生理过程；此外，纳米银又是非抗生素类抗菌剂，细菌对银离子不产生耐药性，是一种长效的抗菌剂。

2 纳米银抗菌材料的制备

纳米银为零价,固体呈粉末状,黄褐色,不易氧化,加人自来水后为棕黄色,不产生沉淀,颗粒直径多在10-30nm之间。可呈球形、立方形、杆状等多种形状,还可根据不同的需要制成管状、丝状、多面体、薄膜等。纳米银颗粒的制备按原理分为物理法、化学法和生物法。

2.1 物理法

物理法原理简单,所得产品杂质少、质量好,但对仪器设备要求较高,生产费用昂贵,一般适用于对纳米银粒子的尺寸和形状要求都不高的产业化制备,主要有机械研磨法、激光烧蚀法、等离子法、辐射法等。

C.Bake等人[3]在惰性气氛下金属蒸发、冷凝成核并共聚合成纳米银颗粒,实验表明与大肠杆菌作用的银纳米粒子表面浓度在8μg/cm2时,对大肠杆菌有完全的杀抑作用。Salome Egger等人采用工业火焰喷雾热解法制备Ag-Si复合材料,所制备的材料纳米银颗粒镶嵌在无定形SiO2表面,SiO2的平均直径在lμm,表面的银颗粒在1-10nm,纳米复合颗粒的比表面积在250m2 / g。实验结果发现，Ag-Si复物对细菌的最小抑菌浓度(MIC)值在62.5-500μg/ml(即125-100μg纯Ag/ml)范围,且银对革兰氏阳性菌的抑菌性弱于阴性菌;推测可能与两种菌的细胞壁结构有关,阳性菌的细胞壁结构是多层的肤聚糖,肤聚糖的复杂结构和含有的磷壁酸或脂磷壁酸具有很强的负电性

,能够隔离Ag+,使Ag+不能到达细胞质膜。

2.2 化学法

化学法合成的纳米银粒子主要应用于对纳米粒子性能要求较高的光学、电学和生物医学等领域,其关键技术是如何控制颗粒的尺寸、较窄的粒度分布和获得特定而均匀的晶型结构。化学制备方法主要有液相化学还原法、电化学还原法、光化学还原法等。液相还原法一般指在液相条件下,将Ag+还原为单质银,还原剂常用硼氢化钠、柠檬酸钠、乙二醇、抗坏血酸、葡萄糖等,通过控制不同的反应条件得到不同粒径和形貌的纳米银颗粒。例Ivan Sondi等人在室温900rpm搅拌条件下,将l0cm3的维生素C溶液(浓度为1mol∕dm3)以3cm3/ min的速度倒到90cm3的5wt%的达哈19 (磺酸的一种铵盐)和0.3 mol∕dm3的AgNO3溶液中,制成Ag水溶胶,再经水洗、冷冻干燥获得纳米尺寸的银颗粒。Sukdeb等人[4]采用形成种子和不同条件生长两步骤制备不同形貌的纳米银颗粒。首先在0.5mlAgNO3(0.01M)和20ml柠檬酸钠(0.00lM)混合液中在搅拌条件下快速注人0.5ml的NaBH4 (10mM), 搅拌5min后陈放 1.5h 形成种子。在100mlAgNO3。(0.001M)沸腾液中加人3mlAg种子液和柠檬酸钠水溶液,使混合液中柠檬酸钠的浓度达到0.001M,加热混合液直至颜色成青黄色,再冷却到室温,通过过滤提纯、漂洗、冷冻干燥得到球状纳米尺寸银粉末。细长(杆状)或切去顶端的三角形的银纳米颗粒的制备是用5 ml的AgN03 (0.0lM)、10ml的抗坏血酸(0.1M)、146ml的cetyltrimethyl嗅化按(0. 1M)、5ml 的银种子液和lml的NaOH(1M)混合搅拌,溶液颜色几分钟内从明黄到棕、到红再到绿。溶液分别在21℃、35℃和21℃培养12h、5min和24h,培养液的颜色从绿色变为红色, 通过离心分离提纯, 沉淀物中得到高纵横比的杆状纳米颗粒, 上清液中得到切去顶端的三角形的银纳米颗粒。国内胡荣等人[5]以AgNO3和NaBH４为主要原料,采用甲苯为溶剂、十六烷基三甲基嗅化铵为表面活性剂合成纳米银颗粒,所得到的纳米银颗粒为球形粒径均一,直径约为 4.9nm 左右,单分散性良好,还可以进一步通过自组装排列成二维有序结构。孙磊等人以单宁酸为还原剂、聚乙烯毗咯烷酮为修饰剂制备了水溶性表面修饰纳米银颗粒[6];所制备的纳米银颗粒为面心立方晶体结构,平均粒径为巧15-17nm,样品在水相中能长时间稳定分散,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抗菌作用。张莉等人[7]采用间接电还原法,控制磷钨酸的还原电位，使磷钨酸还原成杂多蓝,然后加人硝酸银制备出单分散性好、粒径小且粒径范围较窄的立方晶系银纳米颗粒,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的抗菌性能。马守栋等人[8]采用不添加稳定剂的化学合成法和以超滤法将反应体系中的杂质除去制备高纯度的纳米银,制备出的纳米银平均粒径为18.29nm,分布窄,表面带负电荷,对多种菌抗菌活性强。

2.3 生物法

生物法是人们利用微生物体系制备纳米银颗粒,国内外有用细菌微生物、植物提取物等还原制备银纳米颗粒的报导。Hiu Wang等人[9]研究了在厌氧条件下的沙雷菌减少有毒的Ag(I) 形成Ag(0)纳米颗粒元素,用XRD测到100μmAg(I)与沙雷菌作用24小时后再对混合液进行离心分离沉淀物变为棕黑色,沉淀物由AgCI和Ag3PO4混合物变为主要是Ag(0)了。Nicholas Law 等人[10]研究了在废水中通过地杆菌属把Ag+或银沉淀转变成银纳米颗粒。S.S Birla等人研究了用真菌(头状茎点霉)细胞滤液与lmmol/L的AgNO3溶液生物合成银纳米颗粒