当细菌遭遇纳米材料

薛斌

在我们生活的世界上，细菌无处不在。大多数细菌都是可以与我们和平共处的，但也有一小部分致病细菌，比如大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌和肉毒杆菌等，严重威胁着人类的健康。近年来印度、日本等国家出现的多种抗生素都无法杀死的“超级细菌”，如同在提醒我们，细菌并没有缴械投降。值得庆幸的是，纳米材料的出现为人类与细菌的新较量带来了希望。

既古老又年轻的纳米材料

纳米是长度计量单位，1纳米是十亿分之一米，1根头发的直径约为6万纳米。在三维空间里至少有一个维度处在1～100纳米范围内的材料，或者由这一类材料作为基本单元组装而成的材料称之为纳米材料，也被叫作超微颗粒材料。

纳米材料是一类古老而新型的材料，说它古老是因为人类历史上很早就在使用纳米材料，比如中国古代制墨时，多用松木烧出烟灰作原料，而墨的松烟就是零维的碳纳米颗粒;说它新是因为科学家们正在用各种先进的新技术制造纳米材料，并且发现了它的许多奇特性质和应用价值。

根据纳米材料的形状特征，可以把它划分为零维、一维、二维和三维等四类。

零维纳米材料包括量子点、纳米球等，金（Au）纳米粒子便属于这个范畴。一维纳米材料包括纳米棒、纳米管等，典型的例子有碳纳米管。二维纳米材料包括纳米片，典型的例子是石墨烯。三维纳米材料通常是由以上低维纳米材料作为构筑单元组装而成，包括海胆形、花球形等，构成贝壳的碳酸钙就属于三维纳米材料。

零维纳米材料——纳米球一维纳米材料——纳米棒二维纳米材料——纳米片花球形的三维纳米材料

纳米抗菌材料大盘点

纳米材料由于尺寸极小，产生了许多传统材料并不具备的物理和化学特性，这些特性赋予了纳米材料抗菌的功能。又由于纳米抗菌材料可以同时作用于多个细胞靶点，让细菌短时间内不会产生显著的突变，从而降低了细菌获得耐药性的机会，体现出了纳米抗菌材料的优越性。

那么纳米抗菌材料是怎样工作的呢？原来，纳米抗菌材料有许多锋利的棱角和边缘，就像一把把“纳米刀”，一旦细菌与之接触，就会被刺破细胞膜，造成内容物流出，进而被杀死。自然界中，蝉翼表面就存在纳米棒状阵列结构，这些纳米棒就像排列整齐的钢针一样，对附着在上边的细菌有很好的杀灭效果。

纳米抗菌材料与细菌接触后会诱导其细胞产生氧化应激反应，从而使细菌的细胞结构和脂质、蛋白质和DNA等成分被氧化破坏。有些情况下纳米抗菌材料也会使细菌细胞内部产生超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢和单线态分子氧等活性氧物种，这些物质的过度累积会造成细菌细胞的凋亡。

纳米材料还存在光热效应，即拥有把光转化为热的能力。例如金（Au）纳米颗粒和硫化钼（MoS?）纳米片就可以吸收对人体组织具有较好穿透性的近红外光，产生的热可以杀灭体内的细菌以及肿瘤细胞，因此这些纳米材料又被称为“光热抗菌剂”。

半导体材料的光催化作用也是杀菌的重要途径。经常出现在防晒霜中的二氧化钛，治疗皮炎的药膏里含有的氧化锌，就是典型的金属氧化物半导体材料。纳米尺寸的二氧化钛和氧化锌被紫外光激发后，产生的光生电子和空穴可以与水或氧气分子结合产生具有强氧化性的活性氧物种，细菌会被这些物质氧化杀死。但这类材料的局限性在于，它们只能被紫外线激发，紫外线在太阳光谱中的比例很小，而且紫外线会对人体皮肤造成损害。

纳米尺寸的金属颗粒由于表面原子大量暴露，增加了这些原子的活泼性，因此可以使表面原子失去电子的过程变得更容易，从而缓慢地释放出金属离子。这些金属离子可以穿过细菌的细胞膜破坏细胞内的物质，从而引起细菌的死亡。而金属银（Ag）和铜（Cu）本身就是很好的抗菌材料，这也是古往今来银质餐具和铜质把手受到欢迎的原因。既可以彰显气派，又可以杀菌消毒。得益于这一先天优势，纳米尺寸的银和铜颗粒在抗菌方面更可以大显身手。其实，日常生活中接触到的纳米银抗菌喷剂以及纳米抗菌洗衣机正是利用的这个原理。

2010年诺贝尔物理学奖明星纳米材料石墨烯就是综合利用了多个抗菌机理。石墨烯最初是由科学家通过胶带从石墨（铅笔芯的主要成分）表面剥离下来的，结构上它是由单层碳原子排列成的无数个六边形相连构成，相当于单层的石墨，属于二维碳纳米材料。石墨烯具有锋利的边缘、巨大数量的表面暴露原子，既可以作为 “纳米刀”，又可以使细菌产生氧化应激反应，同时还可以作为“支撑体”和“稳定器”与其他纳米材料构成复合物，发挥协同作用提高抗菌效果。

 被纳米抗菌材料锋利的棱角和边缘刺破的细菌

当纳米材料“闯进”医疗领域

纳米材料一方面利用仿生学原理将医疗器械表面进行纳米结构图案化处理，比如仿照鲨鱼、海星、壁虎、鲸的皮肤构造制造纳米尺寸的凸起、凹坑、柱体、沟槽，以防止细菌在其表面黏附，实现对细菌的被动防御。另一方面可以在医疗器械表面包覆具有杀菌功能的纳米材料，实现对细菌的主动杀灭。这两方面的综合运用，可以有效提高介入性医疗器械在抗感染方面的安全性。

水凝胶是由聚合物“链条”通过物理或化学相互作用交联而成的极易吸收水分的3维多孔网络结构材料。具有高水溶胀性、高透氧性、较好的生物相容性、易于负载可控释药物等特性。水凝胶既可以在发达的孔道中负载具有抗菌活性的無机纳米颗粒，比如银、铜、氧化锌和二氧化钛等，也可以负载抗生素，又可以与石墨烯等碳纳米材料形成复合抗菌水凝胶，还可以通过精心选择聚合物单体和交联剂，实现对水凝胶亲水性和孔隙率的精确调控，以改善其本身的抗菌活性。

纳米二氧化钛的抗菌原理示意图

这些策略的协同作用可以有效延长水凝胶抗菌材料的抗菌时效、增强它的机械强度、进一步改善它的生物相容性。正因如此，抗菌水凝胶广泛应用于伤口护理、治疗口腔感染、胃肠道感染、骨髓炎及加工隐形眼镜等领域。

纳米银抗菌喷剂  石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构（图片来源 / 维基百科）

 壁虎脚仿生材料（图片来源/《先进材料》杂志）  智能仿生眼（图片来源/《先进材料》杂志）

相信伴随着科学家对纳米材料的深入研究，人类会发现越来越多的新型纳米抗菌材料，对纳米抗菌材料的特性产生更全面的认识。未来的纳米抗菌材料会在创伤愈合、组织及器官移植、食品保鲜等多个领域发挥越来越重要的作用。

纳米抗菌材料的未来应用（包括创可贴、手术刀、人工关节、心脏支架、导尿管、义齿、保鲜膜等）

知识拓展

水凝胶科技最新进展

2020年11月，材料学期刊《先进功能材料》上发表了关于具有双重网络结构的抗菌水凝胶的研究论文。这种水凝胶以天然琼脂糖与聚肽为原料，通过酶催化偶联反应与温度调控的氢键驱动凝胶化反应一锅法得到。研究表明该水凝胶本身即具有抗菌能力，此外琼脂糖的天然属性赋予了它优异的生物相容性，琼脂糖紧密的螺旋结构保证了它良好的力学性能和稳定性，羰基基团与生物组织的化学作用则赋予了它独特的黏附特性。2020年12月，化学期刊《ACS纳米》上报道了一种多功能抗菌水凝胶。该工作受到海洋贻贝粘附时发生的儿茶酚反应启发，设计了以环境友好的生物质材料木质素为原料的水凝胶绿色合成路线。抗菌活性评价实验表明该水凝胶对革兰氏阳性和阴性菌都具有显著的抑制作用。并且这种水凝胶还具有其它特点，包括坚固而富有弹性、能粘附于皮肤组織及其他各种表面、有自修复能力等。

（责任编辑 / 陈天昊  美术编辑 / 李子夜）