初原載于?工大材料匯????2020-03-20

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未來醫(yī)學的明珠

——抗菌納米材料

今天

讓我們來走進

抗菌納米材料

隨著人們健康意識的提高，由抗菌納米材料制作的產(chǎn)品也不斷進入人們的日常生活。如目前市場上出現(xiàn)的納米抗菌洗衣機、抗菌保暖內(nèi)衣、抗菌鞋襪等產(chǎn)品極大地提高了人們的生活質(zhì)量。

01

殺菌原因

這類納米材料為什么會有神奇的殺菌功效呢？主要的原因有如下兩點：

1.金屬離子溶出抗菌原理

首先，市場上主要應用的納米抗菌劑是以銀離子，銅離子，鋅離子為主的金屬離子。這類離子氧化能力較強，能破壞細菌細胞的代謝過程，抑制細菌繁殖。另外，這些金屬離子可以迅速與細菌體內(nèi)蛋白酶的巰基相結(jié)合，使蛋白酶失活，最終致使細菌死亡。而當菌體被殺滅后，Ag+又能游離出來繼續(xù)與其它菌體作用，進行新一輪的殺滅，直到細菌全部殺死為止。

2.接觸型滅菌機理

帶負電荷的微生物細胞容易吸引帶正電的納米顆粒，通過正負電荷的轉(zhuǎn)移來穿透細菌的細胞膜，使其蛋白質(zhì)變性，無法代謝和繁殖，直至死亡。同時，納米顆粒并不會被消耗，能夠保持原有的抗菌活性，因此可以長期有效的起到滅菌作用。

02

抗菌劑

納米抗菌材料的核心是抗菌劑?？咕鷦┲饕譃樘烊弧⒑铣蓛纱箢?。

天然納米抗菌材料主要是沸石類礦物，其主要組成為水鋁硅酸鹽，具有納米孔隙結(jié)構(gòu)。對于分子尺寸的粒子具有較強的吸附能力。天然抗菌材料具有抗菌范圍廣、安全性高、無副作用等特點。因此深受大眾的喜愛。但近年來的研究證明，此類抗菌劑的抗菌能力差、壽命短，使其使用受到限制。

合成抗菌劑又可以分為兩類。一類是離子型抗菌劑，主要有Ag+、Cu2+、Zn2+等金屬離子，其中銀離子抗菌劑的使用最為廣泛。在實驗中，將這類納米微粒放到水里，能夠顯著降低水中細菌的活性，并去除水中的氨。不過，凡事都有兩面性。這類材料的廣泛應用也會帶來嚴重的環(huán)境問題，其中之一就是增加了溫室氣體的排放。第二類材料為光催化型抗菌劑，也稱納米光觸菌材料，常用于玻璃的殺菌，同時也是一種室外建筑材料。

上面的幾種抗菌劑在日常生活中已經(jīng)得到了廣泛的應用。然而，納米抗菌材料的用途并不僅限于此?？茖W家們正在努力將碳納米材料應用于人體抗菌抗病毒，藥物載體，腫瘤治療等生物醫(yī)學領(lǐng)域。

自古以來，人類的進化伴隨著與病菌的博弈。后來，人類發(fā)現(xiàn)抗生素能有效地控制細菌感染，因此抗生素被譽為“醫(yī)學皇冠上的一顆明珠”。然而，抗生素的濫用以及新抗生素研發(fā)緩慢等因素，導致現(xiàn)在的人類可能面臨無藥可醫(yī)的境地。

03

碳納米材料

病菌感染將威脅著公共衛(wèi)生安全，同時新藥開發(fā)的過程中又常常伴隨著復雜嚴苛的技術(shù)要求和難以檢測的毒副作用。在這樣的境況下，基于抗菌納米材料具有合成簡單、成本相對低廉的優(yōu)點，碳納米材料成為了抗菌納米醫(yī)學領(lǐng)域的一個新興研究方向。碳納米材料主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯和納米鉆石及其衍生物，是目前應用非常廣泛的一類納米材料。

石墨烯

石墨烯材料由于其相對低廉的成本和對人和環(huán)境較低的毒性，在抗菌納米醫(yī)學領(lǐng)域吸引了越來越多的關(guān)注。

石墨烯抗菌機制主要有物理穿刺或者叫做“納米刀”切割，石墨烯包覆細菌體導致其跨膜運輸受阻從而遏制細菌生長。同時，石墨烯具有優(yōu)越的電子傳導和電荷儲存性能有利于電荷在其表面?zhèn)鬏敽娃D(zhuǎn)移。電荷通過不斷插入細胞造成細胞膜不穩(wěn)定。這種機制使石墨烯能夠快速有效地消滅細菌。

下圖所表示的實驗為石墨烯材料在創(chuàng)傷治愈中的應用：

富勒烯

石墨烯可以殺菌，而富勒烯則可作為藥物載體。富勒烯，又稱巴基球，是又一種由碳原子形成的一系列籠形分子的總稱。它的顆粒十分微小，進入人體后，可以穿透部分生物體內(nèi)的安全屏障，進入一般的常規(guī)藥物所無法到達的地方，因此富勒烯可以作為潛在的藥物運輸分子，可以有效運輸阿霉素和促紅細胞生成素?？茖W家實驗發(fā)現(xiàn)，在富勒烯輸送促紅細胞生成素EPO時，EPO的濃度達到了單獨使用EPO時的兩倍，大大提高了EPO的生物利用率。

碳納米管

除此之外，碳納米管是一種新型納米材料,它是由碳原子經(jīng)過sp2雜化形成的石墨烯卷成的中空管體。其中空結(jié)構(gòu)為容納藥物和生物特異性分子提供了足夠的空間。但是，沒有一種材料是十全十美的。由于碳納米管不溶于任何溶劑，限制了它在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用。所以，科學家對其表面進行修飾以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性。

據(jù)報道，通過對單壁碳納米管進行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向到特定的腫瘤細胞，在紅外線的照射下能特異性地殺傷腫瘤細胞，而且對正常細胞不會造成不良影響。對于著名抗癌藥物紫杉醇，科學家們的實驗表明，與單獨使用紫杉醇相比，碳納米管承載紫杉醇后，大幅提高了藥物的穿透性和在血液循環(huán)中停留的時間，對腫瘤的生長起到了更加有效的抑制作用，并且對人體正常細胞沒有毒副作用?？梢姡技{米管也是一種很有潛力的腫瘤靶向性藥物載體。

碳納米材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用還處于研究階段，某些材料對人體的安全性、生物相容性還有待考量。不過，許多的納米產(chǎn)品已經(jīng)應用到了我們生活中的各個領(lǐng)域。納米材料的變革必將讓我們的生活更加便捷，精彩。

本期問題：

Q1:銀離子抗菌劑的負面作用是什么？

答案：廣泛的應用會帶來嚴重的環(huán)境問題，增加溫室氣體的排放

Q2:在生活中，你見過哪些由抗菌納米材料制成的商品？

參考資料：

《碳納米材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀及展望》

《納米材料為什么能殺菌》

《抗菌納米技術(shù)》百度百科

圖片來源：網(wǎng)絡

本文圖文提供：吳昊

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