纳米银灭菌机制及应用研究进展

陈飞飞 陈芳艳 王叶云 钟杨生 林健荣 李文楚

摘要 纳米银作为一种新型材料，在国际上被广泛应用在医学、食品、化工和通讯等领域。纳米银具有其他材料所不具备的优点，其中广谱的抗菌性和病菌对其无耐药性的影响尤为显著。纳米银破坏细菌的细胞壁和细胞膜，进入细菌细胞质后又通过一系列作用来影响细菌代谢和DNA的复制等，最终达到灭菌的效果。对纳米银的灭菌机制和应用进行了综述，阐述纳米银在灭菌过程中的一些作用机制，并对纳米银的抗菌性研究前景进行了展望。

关键词 纳米银；细胞壁；细胞膜；细菌代谢；DNA

中图分类号 S23 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）09-028-03

Abstract As a new type of material， nanosilver is widely used in medicine， food， chemical industry and communication. Nanosilver has advantages that other materials do not have， broad spectrum of antibacterial ability and nonresistance of bacteria is particularly significant.Nanosilver can destroy bacteria cell wall and cell membrane， after entering bacterial cytoplasm and through a series of action to affect bacteria metabolism and DNA replication， eventually achieve the sterilization effect. The sterilization mechanism and application of nanosilver was reviewed， several action mechanisms in sterilization process were elaborated， and the antibacterial research prospect of nanosilver was forecasted.

Key words Nanosilver； Cell wall； Cell membrane； Bacterial metabolism； DNA

纳米技术一直是21世纪研究的热点，被应用到各个领域。其中，纳米银是纳米技术的一种产物，是金属银粒径在纳米水平上的单质，具有良好的导电、催化和防腐抗菌等作用，因此被广泛应用到工程、工业、食品和医学等领域中[1-2]。从纳米银被发现至今，已有大量试验证明纳米银具有极大的比表面积、小尺寸效应和量子尺寸效应，同时具有广谱抗菌性和细菌对其无耐药性的优点[3-6]，具有其他材料无法比拟的抗菌活性，并且对一些真菌、病毒等也有较强的杀灭作用[7-8]。鉴于纳米银有如此多的优点，因此纳米银作为一种新型材料，被广泛开发应用，使得国内外人们广泛接触到纳米银产品。据报道称，纳米银对人类健康和环境存在很大的威胁，引起科研人员对纳米银材料安全性的关注，近些年对纳米银毒性研究报道的较多，有关体外试验表明纳米银针对各器官产生毒性[9]。ZHANG T等[10]在细胞水平上对纳米银的潜在毒性进行了讨论。为了评定纳米银的毒性问题，许多研究方法应运而生，但大多数只是形态学的测定，很少有从整体上进行测定，因此目前不能全面评定纳米银的安全性[11]。在生物科学和医学研究中，由于纳米银是一种稀有的无机杀菌材料，并且极少量具有很强的灭菌作用[12]，所以纳米银的抗菌性至今仍是重点研究对象。研究纳米银的灭菌机理对进一步开发和有效的利用纳米银具有重要的指导意义。笔者在细胞水平上对纳米银灭菌机制进行了综述，以期为纳米银的灭菌机理研究及其进一步开发利用等提供一些参考。

1 纳米银的灭菌机制

1.1 纳米银直接损伤细菌细胞壁和细胞膜

当纳米银接近细菌时，细菌细胞产生的一种物质—胞外聚合物，它能够减少纳米银表面的银离子和抵抗其灭菌活力[13]。王静等[14]在纳米银溶胶作用大肠杆菌试验中，透射电镜观察发现有些大肠杆菌破损溶解和胞内物质流出，说明纳米银对大肠杆菌细胞壁和细胞膜有一定作用。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构不同，所以纳米银对不同类型细菌的细胞壁作用效果不同[15]。Kim Jun Sung等[16]研究表明低浓度的纳米银对酵母菌和大肠杆菌有明显的抑制作用，但对金黄色葡萄球菌的抑制作用不明显。Li W等[17]研究表明金黄色葡萄球菌在50 μg/mL纳米银溶液中暴露12 h后细胞壁破裂，细胞内容物被释放出来，高浓度的纳米银对革兰氏阳性菌才有效果，说明相同浓度的纳米银对革兰氏阴性菌的效果更好。另外，纳米银与细菌细胞壁上肽聚糖结合，形成不可逆化合物，使氧气和物质不能转入细菌细胞，使得细菌死亡[18]。

纳米银穿过大肠杆菌细胞壁后与细胞膜接触，银表面的自由基会攻击膜脂质，能够破坏细胞膜结构和功能，打乱细胞的离子转运体系，从而影响了细胞膜的通透性，导致细菌细胞的渗透压升高，使细胞膜破裂[16，19-20]。一定浓度的纳米银可以在大肠杆菌细胞膜上发生膜囊泡溶解和分散，也可以破坏或抑制细胞膜上的酶活性，从而导致大肠杆菌死亡[21]。纳米银也可能破坏磷脂双分子层，改变细胞膜的通透性，使得细菌死亡。由此可见，纳米银直接破坏细胞壁和細胞膜可能是灭菌的一种重要机制，具体有待进一步研究。

1.2 纳米银对细菌代谢的影响

当纳米银嵌入细胞膜，则释放银离子，破坏细菌细胞膜的通透性，使得细胞内的大量无机盐、蛋白质和还原糖外漏，影响跨膜运输，破坏了细菌细胞与细胞通信、细胞与外界的代谢系统，降低细胞生长速度[22-24]。由于纳米银小尺寸效应等特征，从而能够轻易地进入细菌细胞，但对细胞代谢的影响受纳米银还是银离子的作用尚不清楚。在细胞内，有关试验已经证实含有纳米颗粒的热敏凝胶能够与损害的细菌细胞质凝结[15]，纳米银通过调节酪氨酸磷酸化来干扰细胞信号通路，对细胞活力和分裂有重要作用，影响细菌细胞的代谢[25]。

研究表明，银离子可能与巯基有密切关系[26]，纳米银周围释放的银离子也可能与细菌体内的含有巯基的酶结合，从而使那些以巯基为必需基团的酶失去活性，如纳米银能够诱使大肠杆菌呼吸链上脱氢酶降低活性，并且随着纳米银浓度的升高，脱氢酶活性就越来越低[21]。由此可见，纳米银与呼吸链上面酶结合，使酶失去活性，抑制三磷酸腺苷（ATP）形成和呼吸作用，使得细菌不能获得能量而死亡；也可能与蛋白质三维结构中的二硫键结合，阻断蛋白质的正常生理活性，从而抑制细胞新陈代谢，达到灭菌效果[27]。纳米银能够使得线粒体膜电位下降，造成线粒体功能明显下降，沉积到线粒体中，产生大量的活性氧（ROS），诱导氧化应激反应，损害细胞中的蛋白质和脂质体[11，28-30]，因此纳米银可能损害一些真菌细胞中的细胞器（如叶绿体、核糖体等），抑制细胞内的代谢，从而抑制菌体的繁殖生长。此外，纳米银也可以作用糖和脂肪抑制细菌代谢。

1.3 纳米银对遗传物质DNA的影响

大量研究表明，灭菌过程中纳米银对DNA有影响，但其作用机制尚不清楚。有关试验采用切片法进行研究，透射电镜观察发现纳米银通过大肠杆菌细胞质，进而攻击细胞核质[14]，由此可见在灭菌过程中纳米银可能通过核膜，对细胞核内有重要的影响，但是一般纳米银很难通过核膜。普遍认为，纳米银对DNA损伤存在2种方式：①纳米银损坏核膜，使细胞核破裂直接作用于DNA；②纳米银使溶酶体破裂，脱氧核糖核苷酸酶释放进入细胞核，间接作用于DNA，使得DNA双链断裂[11，29]。此外，细胞内高水平的活性氧也可能损坏DNA[30]。刘鹏鹏等[31]研究发现在PCR体系纳米银可能抑制DNA合成，主要可能是因为其对模板、引物和聚合酶的强吸附作用。只有随机分布在核区松散的DNA才能进行自我复制和转录，经过纳米银颗粒处理的大肠杆菌使DNA降解或者使DNA浓缩呈现紧张状态，DNA失去自我复制和转录成mRNA的能力[32-34]。在红细胞中，纳米银也可能诱导RNA聚合酶聚合失去活性，从而阻碍DNA的转录[35]。纳米银也可能通过与DNA碱基结合，从而破坏了嘌呤和嘧啶相邻氮之间的氢键，使DNA变性，无法正常复制，达到灭菌的效果[36]。纳米银对病菌DNA的作用比较复杂，需要进一步试验研究。

2 纳米银的应用

在古代，人们利用银器存放食物和使用银针检测食物毒性，近代人们已经知道这些现象是由于银离子具有较强的抗菌性。现代科学技术使银被纳米化具有更强的抗菌性，并且纳米银比银离子更稳定，因此被人们应用在多个领域。在医学上，由于纳米银具有极大的比表面积，能够释放大量的银离子，具有防止感染和加快愈合的效果，从而被用作医用敷料[37-39]，并且纳米银抗菌敷料对烧伤的伤口有特别好的效果[40]。变异链球菌是一种致龋菌，而纳米银对唾液链球菌和变异链球菌有很好的抗性，并且未发现其耐药性，因此可以取代氟化物作为新兴的防龋剂[41-42]。另外，纳米银也已经应用在妇科炎症治疗、外形整容手术和医疗器械中。在食品中，纳米材料聚合物作为一种新型的食品包装材料，具有取代传统的包装材料的趋势[43]，因为食品包装材料必须具有以下功能：阻碍微生物污染、保鲜等作用；防止水分、氧气、二氧化碳和其他挥发性物质的渗透；具有一些基本的光学、热性能和机械的基本属性；对环境无污染[44-45]。在日常生活用品中，有一些由纳米银制成的棉织物纺织品被应用，因其具有良好的物理、化学和抗菌性，广受人们喜爱[46]。为了获得干净安全的饮用水，人们必须用一些消毒剂进行处理，而现今人们可以利用纳米银材料制作滤膜装置，可以达到纯化饮用水的效果，且更为方便和安全[47]，也可以利用纳米银制成新型的消毒剂[48]，有很好的消毒效果，尚未发现对其环境有影响[49]。鉴于纳米银的广谱灭菌性，市场上已经出现许多相关产品，比如保鲜膜、抗菌涂料和计生用品等一系列生活用品。

3 小结与展望

纳米银的出现仅仅十多年，人们已经对其抗菌性做了大量的试验研究，主要是在形态、尺寸和剂量进行研究，但是对其灭菌机理还未完全了解。纳米银能够同细菌细胞壁上的肽聚糖作用，在细胞壁上产生小孔并且穿过去，它周围的银离子所带的正电荷与细胞膜上的负电荷相结合，作用于细胞膜，改变了细胞膜的流动性和渗透性等；也可以通过细胞膜进入细胞质，直接攻击细胞器，也可使酶失去活性，还可以通过其他方式来破坏细菌细胞代谢；攻击细菌的DNA，使细菌失去繁殖和生成蛋白质的能力。纳米银通过以上3种方式作用细菌细胞，从而达到灭菌的效果。此外，纳米银杀死细菌后可以沉淀下来，再次被利用杀菌，可达到保护环境的作用。

目前，病菌对药物的抗性是研究热点之一，而病菌对纳米银无耐药性，使得纳米银仍然是个热门的灭菌材料。对纳米银的灭菌机制尚未了解清楚，对许多细菌、真菌和病毒都有一定的作用，但還尚未发现其对微孢子虫的作用研究，可以在这方面做一些研究。纳米银除了可以杀死病菌外，也可以引起病菌衰老、变异等作用，深入研究其杀菌抗病毒机制有利于拓展纳米银的使用范围，可能成为禁用抗生素后的新一代抗菌药物。近年来，人们越来越关注纳米银的安全性，必须确保纳米银长期应用没有副作用，可见对其毒性研究非常重要。

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