纳米银抗菌剂的研究和应用

文章编号:1001-7658(2009)04-0424-03=综述>

纳米银抗菌剂的研究和应用

陈美婉彭新生吴琳娜吴传斌

(中山大学药学院,中山大学药物制剂工程研究开发中心,广州510006)

关键词纳米银;抗菌剂;杀菌效果;抑菌

中图分类号:R187.1文献标识码:A

纳米银作为金属银的一种特殊形态,是指粒径在1~ 100n m之间的金属银微粒组成的粉体。由于其颗粒极其微小,表面积较大,使其具有显著的表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应,因而使纳米银具有超强的活性及渗透性,其杀菌作用是普通银的数百倍。另外,由于纳米尺度的金属银的表面电子特性,它可以与细菌的蛋白质分子上的疏基、胺基等吸电子基团形成配体,从而进一步增强了抗菌效果。纳米银是一类新型抗菌剂,具有强大抑菌、杀菌作用及其广谱的抗菌活性,具有传统无机抗菌剂无法比拟的抗菌效果,无耐药性,安全性高。随着抗生素的细菌耐药性日益严重,纳米银在消毒杀菌领域的研究和应用越来越受到了广泛的关注。

人类发现银有广谱杀菌作用已有很长时间,早在远古时代,就有用银器存放食物,防止细菌生长的记载112。随着科学技术的进步,人们发现银是一种安全的广谱性杀菌材料,其应用也逐渐推广开来。如今临床上人们已广泛使用磺胺嘧啶银、氟哌酸银、锌银乳膏、磺胺嘧啶银胶原蛋白膜、辐照氟银猪皮等治疗烧伤烫伤以防止绿脓菌等细菌的繁衍,硝酸银水溶液作为眼科消炎、银汞合金作为牙科材料及含银水溶液治疗牙痛、胶态银在妇科洗剂中均应用广泛。在日常生活在中也可用载银活性炭或银丝编织过滤器净化饮用水等。

1纳米银的抗菌机理

纳米银由于其结构单元尺寸介于宏观物质和微观原子和分子之间,表现出特别的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,可以轻易地进入病原体122;纳米银粒子尺寸小,表面所占的体积百分数大,表面的键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加,具备了作为抗菌剂的基本条件;具有很强穿透力,能全面充分接触并攻击病原体,从而发挥更强的生物效应,具有安全性高,抗菌范围广,持续杀菌时间长等优点132。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142。纳米银微粒可杀死细菌、真菌、支原体、衣原体等致病微生物15,62。

纳米银抗菌剂的作用主要包括3个环节:¹与致病菌代谢酶中的巯基结合,使酶失活172;º与暴露的细菌细胞壁发生肽聚糖反应,形成可逆复合物,使细菌不能将氧和能量转运进细胞;»与致病微生物中的DNA结合,导致DNA结构变性,抑制DNA复制182。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192,是一种具有长效的抗菌剂110,112。

2纳米银的制备

纳米银制备技术一直是研究者广泛关注的热点。纳米银的制备方法主要分为直接制备法和间接制备法两大类1122。¹直接法是指直接从普通的银单质制备纳米银颗粒,直接法又可分为真空气体冷凝法、溅射法、激光高温燃烧法、机械研磨法等。这些直接制备方法可较大量地制造纳米银粒,且制备的颗粒纯度较高,但需要在低压惰性气体气氛中和专业的设备内生成,原料成本也较高。º间接法也称还原法,是指将银离子还原从而得到纳米银颗粒。根据所用还原剂或还原方法的不同,可分为三类:物理还原法、化学还原法和生物还原法。

物理还原法包括光量子还原法、超声波还原法、微波法等。董绍俊等提出了合成粒径为纳米级和微米级银的方法1132。一定粒径的纳米银在柠檬酸盐中通过发光源介导生长合成,合成的纳米银是平均粒径为25~1073n m和厚度为10~22n m的单晶体,这些粒子的光学面内偶极的电浆子共振从458-2400nm都可被调谐。采用对照试验研究其增长机理发现,合成的溶液中过量的柠檬酸盐是控制纳米银长宽比的关键。类似溶液中表面活性剂或者聚合物,在合成的纳米银粒子中,柠檬酸盐离子也能够被动态吸收和在一定的条件下促进纳米银地增长。

化学还原法包括银氨配离子还原法,电化学还原法,微乳胶或反胶团法等。R ong-T arng W u等1142采用有机碱催化还原方法制备高浓度和稳定悬浮液的纳米银。在甲醛还原剂中加入硝酸银,用有机碱三乙胺做为催化剂,低分子量有机化合物硫代水杨酸作为保护剂,该方法制备得到的纳米银平均粒径小于10n m。加入过量的三乙胺因与硫代水杨酸形成了胺盐而有助于该混悬液的稳定。该法制得的纳米银免受其他金属离子的污染,适合用于半导体工业中。陈庆元等1152在十二烷硫酸钠(SD S)四元微乳中自组装和控制合成一定的粒径和形态的纳米银,同时阐述了纳米银的形成机理和探讨其板状结构。实验中,采用紫外光谱,TE M和SE M方

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法来描述纳米银的形态学和结构。结果表明,表面活性剂SDS分子不仅能够在表面形成保护层防止集结,而且像模板一样去定向粒子形成银器,这在片状银粉的形成中发挥着很重要的作用。

物理或化学还原法因为所需实验条件简单、成本低、节能等优点而得到很好的应用。但其所用的化学试剂在一定程度上对人体或环境都有危害,有的稳定剂或分散剂甚至有致癌性,因此安全和绿色生产过程的生物还原法应运而生1122生物还原法包括天然材料还原法和微生物体系法。

采用生物学的方法来制备纳米银,因其更具生物相容性和环境友好性等优点,在制药工程及生物医学(如肿瘤治疗,药物运输,抗菌与消毒等)方面将有极为广阔的发展前景,但采用微生物体系制备纳米银的反应条件不如物理、化学法反应那样易于控制,因此微生物的选择、改性或培养条件需进一步深入研究。利用生物学方法大规模地生产纳米材料是今后纳米技术研究的主题1122。S.Basava ra ja等1162采用半裸镰刀菌胞外生物合成方法合成纳米银。运用生物学环保的方法合成金属纳米粒已发展成为纳米生物技术的一个重要分支。该实验在硝酸银水溶液中注入半裸镰刀菌的过滤液,进行A g+到A g0的反应,得到稳定性好和晶状的纳米银,其粒径为10~60n m,且为球状体。

3纳米银的应用

纳米材料因其粒径急剧减小,比表面积、表面能和表面张力都极度增大,同时具有体积效应和量子尺寸效应,使其在光、热、电、磁、机械性和化学特性等方面表现出不同于传统材料的特性。纳米银微粒所具有的抗紫外线、吸收可见光和红外线、高强度和韧性、良好的导电性或静电屏蔽效应、抗菌、灭菌、除臭等优异功能。纳米银粒抗菌剂目前主要用作抗菌织物,如抗菌纱布,用于治疗烧伤、烫伤(如创可贴)和外科手术纱布。美国生产的纳米银织物(商品名:A CT I-COAT)其抗菌性能高于可溶性银离子,也优于已问世60余年的无抗药性的磺胺嘧啶银。纳米银现已广泛应用于抗菌材料的制备,市场上已经出现抗菌陶瓷材料、抗菌涂料以及抗菌织物等各种功能性产品182。

近年来,纳米银也应用到妇科疾病的治疗中。纳米银妇女外用抗菌器由PEG-6000、卡泊姆等医用高分子材料和极少量的纳米银组成。当抗菌药片进入阴道后,迅速溶解,医用高分子材料在黏膜上形成特殊保护膜1172,可以轻易地进入病原体,与细胞代谢中的硫基结合,使代谢关键酶失活,从而杀灭微生物1182。近年研究表明,纳米银颗粒可以和病原体的DNA碱基结合,并形成交叉链接,置换了嘌呤和嘧啶中相邻氮之间的氢键,使DNA变性,不能复制,使细菌失活1172。纳米银妇女外用抗菌器对轻、中度慢性宫颈炎有明显疗效,尤其对有生育要求的年轻慢性宫颈炎患者更有应用价值。陈粹1192等对纳米银凝胶加重组牛碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)治疗烧伤后残余创面的疗效作了观察,表明治疗组创面愈合时间与对照组相比,有显著意义的差异;治疗组治疗1周后创面细菌转阴率为59%,对照组为4%,差异有非常显著意义(P<0101),作者得出了纳米银凝胶有较强的抗感染作用,毒副作用小,与bFGF联合应用可有效加速残余创面愈合的结论。

目前,以纳米银抗菌非织造布为原料的各种医用、卫生、日用和工业用途的抗菌产品已经陆续上市。国内市场上成功推出了以纳米银创口贴、纳米银烧烫伤贴和具有双重防护效果的纳米银抗菌口罩等。近年来,先后开发了纳米银抗菌卫生巾、纳米银卫生护垫、纳米银抗菌纸尿裤等并推向市场。新近开发的有纳米银抗菌除臭袜子和各类空调抗菌过滤介质、抗菌揩布、抗菌地拖、抗菌湿巾等。在人们对卫生保健日益重视的今天,纳米银以优异的抗菌效能,其产品和应用越来越广泛。

纳米银还可应用到抗菌内墙涂料中。抗菌内墙涂料可有效抑制和杀灭环境中的有害病菌,降低环境微生物对人体的危害,进而达到清洁环境的目的,对保护人类健康,改善生活环境具有十分重要的意义。无机抗菌剂在安全性、持久性、广谱抗菌性、耐热性等方面存在优势,克服了普通的涂料防霉杀菌剂使用毒性较大,易溶出,耐热、耐久性能差的缺点,日益受到人们重视。陈丽琼1202等以纳米银溶胶为抗菌剂制得纳米银抗菌内墙涂料。采用紫外-可见分光光度计对纳米银溶胶的结构进行表征,同时对其形态、粒径大小及分布、稳定性、抗菌效率及制得的抗菌内墙涂料的理化性能、抗菌性等进行了研究。结果表明,纳米银溶胶是一种理想的抗菌材料,制得的抗菌涂料具有优异的抗菌性能。

在众多抗菌离子中,A g+具有抗菌广谱、杀菌率高、不易产生抗药性的特点,与无机抗菌载体的结合成为新型抗菌材料研究的一个重要方向。其中,以纳米二氧化钛为载体的复合银系无机抗菌剂的出现表现了巨大的优越性1212。由于纳米A g/T i O

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复合抗菌材料的表面、界面和小尺寸效应等特性,使此种功能材料的光性能、热性能、力性能得到很大提高,如果将其到加入高聚物、陶釉和纤维等材料中制成多种功能材料,可以用于涂料、造纸、化纤、塑料、橡胶和食品包装等行业,应用前景非常广阔。

翟羽1222采用物理和化学方法将托玛琳与纳米银结合起来,研制了纳米银/托玛琳复合材料。纳米银/托玛琳复合材料在功能性纤维上的开发及在服装、床上用品上的应用,不仅能满足人们对保暖和美观的需求,更能起到保健作用。可以预防人体心血管疾病的产生,对高血脂、高血压及关节炎的病人均有辅助治疗作用,尤其适用于亚健康人群。该成果已经成功应用于纳米银/托玛琳系列化妆品所用的无纺布中,并取得了较为满意的效果。

4纳米银的缺点

纳米银材料作为抗菌剂具有很多优点,从长期使用的结果来看,一般被认为使用银是安全的,但在不加保护剂的常规条件下,纳米银材料容易发生颗粒聚集而失去纳米特性,或被氧化为棕色的氧化银,这些都会影响该材料的抗菌效果。另外,对于处于纳米级的含银材料,它与生物体接触是否会产生一些负面的效应,对正常细胞是否也具有杀伤作用等涉及到纳米银作为抗菌材料本身的生物安全性问题182。

纳米银材料与普通银材料相比,其物理、化学性质均发生了很大变化,所以对其使用安全性更需进行重新评价。钟

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中国消毒学杂志2009年第26卷第4期