纳米纤维素结合银纳米粒子用于抗菌材料的研究进展

刘鹏涛，王 聪，栾云浩，刘婉嫕，李宇航，曹 慧

(天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457)

纳米纤维素是地球上最丰富的天然高分子化合物[1]，根据纤维尺寸及制备方法的不同将纳米纤维素分为纤维素纳米晶体(CNC)、纤维素纳米纤维(CNF)和细菌纳米纤维素(BNC)．纳米纤维素具有很多优异的理化性质，如具有低密度(约1.6g/cm3)、高拉伸强度(130～150GPa)、高比表面积(＞100m2/g)、可生物降解并且可再生等优点，属于绿色生物质资 源[1–2]．纳米纤维素被广泛应用于水凝胶、气凝胶、生物医药、光电材料、纳米复合材料等领域[3]．其中，纳米纤维素基复合材料，如医用抗菌敷料、抗菌包装材料以及水处理材料得到了科研人员的广泛研究．

由于金属纳米粒子独特的光学、电学和生物学特性，使得它们在众多领域中脱颖而出，例如催化[4-5]、生物传感[6-7]、抗菌[8-9]和药物递送等领域[10-11]．在不同的金属纳米粒子中，银纳米粒子的研究最为广泛．针对不同类型的病原体，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎杆菌等，银纳米粒子对其均具有显著的抗菌活性．银系抗菌材料属于无机抗菌剂的一种，具有低毒、耐热、抗菌持久和广谱抗菌等优点，可广泛应用于生物医学领域[12]．但是，由于银纳米粒子极其微小、很容易团聚，抗菌性能会由此受到影响．因此，将纳米银负载在无机氧化物或高分子材料上，使其均匀分布，有助于保持良好的抑菌效果．

纤维素材料不仅可以提供丰富的微孔作为微反应器以合成银纳米粒子并抑制其聚集，还可以为抗菌活性分子的接枝提供丰富的含氧基团．因此，纤维素可以用于固定银纳米粒子和其他抗菌活性分子，以增强抗菌性能．本文主要综述近年来新兴的纳米纤维素结合纳米银粒子制备抗菌材料及其在抗菌领域的应用，同时对未来发展趋势进行展望．

1 纳米纤维素结合银纳米粒子复合抗菌材料的制备方法

纳米纤维素具有优异的机械性能、化学反应性能、可降解性和生物相容性[13]，但自身不具备抗菌性，通常采取抗菌剂与纳米纤维素结合的方式制备抗菌复合材料．纳米纤维素具备网络结构，其分子链上含有大量的羟基，在水中会带有大量的负电荷[14]，对银离子有吸附功能，因此可以作为负载银离子的基体．同时，改性的纤维素还能作为稳定剂和还原剂．利用银纳米粒子及其化合物独特的抑菌和杀菌性能以及广谱抗菌活性优势，通过原位还原法、原位氧化聚合法、水热还原法和静电自组装等方法可以制备抗菌性优异的复合材料．

1.1 原位还原法

原位还原法一般是在浸渍、沉淀等制备过程中发生还原，使得还原产物附着在纤维素网络结构上，此方法使得抗菌剂粒子分散均匀．在原位还原方法中，利用硼氢化物的还原作用可以制备相对分散的银粒子[15]．Wan等采用原位还原法制备CNF/AgNPs复合气凝胶，示意图如图1[16]所示．以具有强还原性的硼氢化钠还原银离子，制备平均粒径约为7.83nm的银纳米粒子，并将其均匀包埋在CNF气凝胶中．气凝胶具有致密的孔隙结构，可以对生成的纳米银粒子起到很好的分散作用．Wu等[17]发现纤维素上丰富的羟基使得银纳米粒子易于原位结合；先将纯化的纤维素膜在Tollens试剂中浸泡24h，使得[Ag(NH3)2]+通过化学键附着到纳米纤维上，反应中[Ag(NH3)2]+作为弱氧化剂，与纤维素链C6位置上的具有还原性的羟基发生氧化还原反应，使得银纳米粒子在纳米纤维素纳米孔中生成，形成银纳米粒子/纳米纤维素复合物．Feng等[18]通过TEMPO(2，2，6，6–四甲基哌啶–1–氧基)的氧化反应将羧基引入到纳米纤维素上，将改性纤维素浸泡在硝酸银溶液中，用柠檬酸钠作为还原剂，并通过离子交换反应得到银纳米粒子锚定的纳米纤维素．

图1 利用原位还原法制备CNF/AgNPs复合气凝胶示意图 Fig. 1 Schematic diagram of CNF/AgNPs composite aerogel prepared by in-situ reduction method

1.2 原位氧化聚合法

原位氧化聚合一般不使用还原剂，直接利用原料自身的氧化还原性质制备负载银的复合抗菌材料．Babu等以吡咯和硝酸银为原料，通过原位氧化聚合制备纤维素基聚吡咯/银复合材料的反应机理如图2[19]所示．制备反应中，银离子作为氧化剂氧化吡咯单体，自身被还原为银纳米粒子．银和聚吡咯之间是通过吸附或者静电相互作用相结合．

图2 利用原位氧化聚合法制备纤维素基聚吡咯/银复合材料示意图 Fig. 2 Preparation of cellulose-based polypyrrole/silver composites by in-situ oxidation polymerization

Wan等[20]以绿色廉价的氢氧化钠/聚乙二醇溶液为纤维素溶剂，使用银离子(固定在纳米纤维素的羟基上)作为氧化剂诱导气态吡咯的原位氧化聚合，将纤维素水凝胶与聚吡咯和银纳米粒子成功结合，进而冷冻干燥得到抗菌气凝胶．Ghadim等[21]采用原位氧化聚合技术制备了聚吡咯/银纳米复合材料，并且测试表明材料具有优异的导电性，同时也可以在抗菌材料领域发挥其作用．

1.3 水热还原法

水热还原法是一种理想的适合晶体生长的方法，可以用来制备金属和金属氧化物等固体粉末，它是一种绿色、经济且可持续的方法．Yu等[22]利用水热还原的方法，将银纳米粒子固定在纤维上；在实验中，配体纤维素既作为还原剂又作为稳定剂，这使得工艺流程更加绿色经济．Ye等[23]基于纤维素水凝胶独特的三维微纳米多孔结构，提出了利用水热还原法将银纳米粒子引入纤维素气凝胶的方法，图3[23]展示了纤维素与纤维素/纳米银复合气凝胶宏观结构及分子结构；实验中将纤维素水凝胶浸入硝酸银水溶液中达到平衡，并在80℃下加热24h，之后通过冷冻干燥获得纤维素/纳米银复合气凝胶．基于纳米纤维素上的羟基对金属离子具有还原能力的性质，Yang等[24]提出了一种绿色环保的方法制备银纳米粒子；实验中采用水热还原法，以纤维素为还原剂和稳定剂，在不引入任何其他化学试剂的条件下，采取绿色工艺制备出细菌纤维素/银纳米粒子复合材料．同时，该方法也可以扩展到其他纤维素复合材料的合成中，特别是那些与人体直接接触的材料，如医疗器械、自杀菌纺织品、水净化装置和食品包装．

图3 利用水热还原法制备纤维素/纳米银复合气凝胶的流程及结构示意图 Fig. 3 Process and structure diagram of preparation of cellulose/nano-silver composite aerogel by hydrothermal reduction method

1.4 静电自组装法

静电自组装法也可以制备出稳定的纳米纤维素/纳米银复合材料．静电自组装是利用带相反电荷的聚电解质之间的静电作用制备复合薄膜的技术，不依赖化学键的产生，同时也不受基体材料形状的限制．Martins等[25]采用静电自组装的方法制备了纳米纤维素/银复合材料，用聚电解质作为大分子连接物结合纳米纤维素和银纳米粒子，形成了CNF/聚电解质/Ag层层组装，赋予了纳米纤维素抗菌性能．

在以上总结的几种制备方法中，原位还原法是一种常见且经济的方法，同时硝酸银常被用作银离子前体．原位还原法对银粒子粒径的控制更加精准．在合成过程中更应该重视绿色还原剂，例如植物提取物(铁杉叶提取物、花青素、葡萄糖、维生素E以及水果中的酚类物质等)的研发和使用．

2 复合材料在抗菌领域的应用

由于水污染、空气污染和生物气溶胶(细菌、病毒和真菌)引起的微生物感染问题以及细菌微生物抗性菌株的出现，人类的健康仍然面临着巨大的威胁，例如常见的呼吸系统疾病、消化系统疾病等[26]．这些问题可以通过某些预防机制进行解决，水净化过滤膜、抗菌口罩、创伤敷料和其他抗菌材料都可以防止病菌污染以及接触性细菌感染．纳米银复合抗菌材料对细菌具有多方面作用机制，并使得细菌难以产生抗性[27]．银纳米粒子的杀菌作用主要归因于银离子从银纳米粒子表面释放，并且银离子可以渗透到细菌细胞中[28]，杀菌机制归因于两个作用过程的结合：(1)银离子与蛋白质中巯基相互作用，使得蛋白酶失活，诱导细菌死亡；(2)银离子与细菌DNA的相互作用，使DNA分子链变形，阻止DNA复制．

2.1 医用抗菌敷料

纳米纤维素是一种天然生物聚合物[29]，具有高亲水性、优异的生物相容性、高强度和高化学纯度等性质．以纳米纤维素为原料制备新型医用敷料受到人们越来越多的关注，Ye等[23]通过冷冻干燥的方法构建了纤维素/纳米银复合气凝胶．材料促进伤口愈合的可能机制如图4[23]所示，气凝胶的连通孔不仅可以作为微反应器合成银纳米粒子，还可以抑制银纳米粒子的聚集，使得银纳米粒子能够更好地缓释．同时，纤维素气凝胶丰富的三维多孔结构展示出优异的透气性，并为渗出物的吸收提供了通道．实验证实银纳米粒子增强了抗菌活性，同时也促进了伤口的愈合. Wu等[17]利用原位还原法将银纳米粒子负载到纳米纤维素上，纤维素的网络结构可防止银纳米粒子的脱落，从而毒性降至最低．尽管材料中银离子释放缓慢，但是对大肠杆菌(E. coli)、黄金色葡萄球菌(S. aureus)和铜绿假单胞菌仍然表现出显著的抗菌活性．此外，复合材料允许表皮细胞的附着和生长，没有出现细胞毒性，具有抗炎和促进伤口愈合的作用．眼部细菌感染在世界各地都很常见，病菌会破坏眼部微环境，导致视力残疾甚至失 明[30]．Yan等[31]开发了含纳米纤维素和银纳米粒子的聚乳酸纤维膜眼部绷带，以杀灭感染性病原体并促进细胞增殖，避免长期用药和重复用药；由于银纳米粒子的植入，复合材料对E. coli和S. aureus的抑菌率可达95%以上，对大多数镰刀菌也有突出抗性，显示出在眼部伤口愈合中的潜在应用前景．

图4 纤维素/纳米银复合气凝胶材料促进伤口愈合的可能机制 Fig. 4 Possible mechanism of cellulose/nano-silver composite aerogel material promoting wound healing

2.2 抗菌包装材料

为了延长食品的货架期，抗菌包装材料的研究受到了越来越多的关注[32]．纤维素作为最丰富的自然资源，因其优异的生物相容性、无毒和可持续性受到了广泛的关注[2]，与使用最广泛的聚乙烯材料相比，纤维素抗菌材料在自然环境中易降解，绿色无污染．银纳米粒子与纳米纤维素结合可以限制纳米粒子的迁移，保证包装材料在使用过程中的安全性．

载银纳米纤维素复合包装材料已经被科学界广泛研究．Sarwar等[33]采用溶液流延法制备聚乙烯醇/纳米纤维素/银纳米复合膜，并对复合膜的抗菌性进行评估，复合膜对HepG2细胞无细胞毒性作用，细胞存活率达90%以上；该复合膜具备生物降解性，可以将其用于食品包装领域．Zhu等[34]利用含硫醇的硅烷化纸浆纤维，通过原位固定银纳米粒子，制备银纳米粒子包覆的纸浆纤维；随后使用交替过滤方法制备夹层状银浆/CNF复合纸；这种纤维素复合纸具有制备简单、分离效率高、耐久性好、抗菌性好等优点，在抗菌包装方面具有潜在的应用价值．Jiang等[35]以银氨溶液为银前驱体，玉米秆为绿色还原剂和碳前驱体，使纤维素对银纳米粒子和碳球进行锚定，得到抗菌复合纸，该复合纸的合成及抗菌图解见图5[35]；获得的CNF/AgNPs/CS复合纸显示出对E. coli和S. aureus的优异抗菌性能．由于锚定效应，9d内CNF/AgNPs/CS的银累积释放率仅为6.7%，这可以避免产生累积毒性问题，因此该复合纸在抗菌领域具有潜在的应用前景．

图5 纳米纤维素/水热碳球固定化银纳米粒子复合纸的合成及抗菌图解 Fig. 5 Synthesis and antibacterial diagram of nanocellulose/hydrothermal carbon stalk immobilized silver nanoparticle composite paper

2.3 水处理材料

水基微生物污染是一个全球性的水质问题[36]，水资源短缺的压力越来越大，纳米纤维素基抗菌材料用于废水处理的研究也越来越多．碳纤维材料已广泛应用于水处理领域，但是这种材料的缺点是细菌在其表面繁殖可能会导致水质恶化[37]，因此，银纳米粒子改性的纳米纤维素抗菌材料的制备受到了研究者的广泛关注．然而，银纳米粒子的使用也可能存在健康风险．有研究表明，银纳米粒子的毒性主要是由从银纳米粒子中浸出的银离子所引起的，毒性的强度依赖于浸出离子的浓度[38]．因此，复合材料不仅要具备优异的抗菌性，还需要具备使用安全性．Bo等[39]在N2流动环境下，通过直接热解吸附硝酸银的细菌纤维素(BC)，合成均匀分布银纳米粒子的碳化细菌纤维素(CBC)．如图6[39]所示，实验中硝酸银用作银前体，BC作为模板和Ag+还原剂的前体．实验测得含银量为1.9% 的Ag@CBC对S. aureus的最低抑菌浓度为12μg/mL，对E. coli的最低抑菌浓度为8μg/mL，在水净化方面具有很好的应用前景．Zahid等[40]开发了一种环境友好的一锅法，使用生物相容性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为还原剂，在CNC上沉积银纳米粒子．该方法显示了银纳米粒子在CNC上的均匀原位沉积．制备纳米复合物(CNC/PVP/Ag)有良好的水胶体稳定性(8个月)和抗菌活性(对E. coli和S. aureus的最低抑菌浓度分别是12.5μg/mL和25μg/mL)，且在两次水过滤循环后，仍保持高效的细菌过滤性能(大肠杆菌生存力降低100%)．

图6 纳米银锚定在CBC(Ag@CBC)中的制备方案 Fig. 6 Preparation scheme for nanostructured silver anchored in CBC(Ag@CBC)

3 展 望

近年来，纳米纤维素已被越来越多地用于生物基材料，与纳米银粒子结合可以使复合材料具有持久的抗菌性．同时，随着整个社会健康意识的不断加强，人们对抗菌产品的需求变得更加迫切和多样化．但是，市场上能够满足人们需要的抗菌材料种类十分有限．未来需要开发低成本、绿色安全、高效广谱抗菌、符合生活广泛需求的抗菌材料．要推广和应用纤维素抗菌材料还需要提高研究的深度和广度：

(1)载银复合抗菌材料结论性的安全性、抗菌持久性以及良好的生物相容性尚未在动物模型中得到系统性的评估．因此，临床应用之前，需要对抗菌材料进行额外的实验，例如测试医用抗菌敷料对人体pH、温度、湿度以及伤口感染程度的要求．另外，抗菌材料还应该具备稳定的物理化学性质，保证抗菌材料在使用过程中的安全性．

(2)开发绿色溶剂、绿色还原剂、绿色抗菌剂以及绿色合成工艺等都可以达到绿色环保的目的，也可以进一步提高复合材料的生物安全性．对于一些银系抗菌剂，它们的抗菌机理还未被研究清楚．因此，未来应该加大对基础理论的研究，为抗菌材料的多功能化和产业化提供更多的理论支持．

(3)将银纳米粒子和其他类型抗菌剂(如天然抗菌剂和高分子有机抗菌剂等)复合使用，可以增加载银纤维素材料抗菌的广谱性和高效持久性．同时，可开发具有抗病毒、抗氧化等多功能的抗菌剂，以实现纤维素抗菌材料的多功能化及应用的广泛性．

(4)银纳米粒子可以提高纤维素材料的抗菌效果，但同时会影响材料的力学性能，特别是在增加材料的脆性的同时会降低柔韧性．因此，对抗菌剂的选择也值得深入研究．

(5)根据纳米纤维素表面基团的化学反应活性，选择合适的改性手段将银纳米粒子和纳米纤维素稳定结合，在使用过程中有效控制银的缓释，可以进一步提高材料使用过程中的安全性．开发纳米纤维素的其他性能，也可以实现纤维素基功能材料的多方面应用．