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2020 抗菌纳米材料盘点
发布时间：2020-03-12 10:42 | 点击次数：
研制和利用抗菌材料来抑制和杀灭有害细菌是提高人类健康水平的一个重要方面。传统的抗菌材料，如抗生素、季铵盐等不但会导致微生物的抗性，还会造成严重的环境污染。纳米材料具有较强的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易诱发细菌耐药性的特点，有望成为一种新型抗生素替代品。
即刻盘点可用于抗菌的纳米材料！
银纳米颗粒
在众多金属及其氧化物纳米粒子中，银纳米颗粒抗微生物效果最好，研究也最为广泛。许多研究者们已经证实银纳米颗粒对细菌、病毒、真菌均具有有效的抑制作用，尤其对抗生素耐药的菌株也拥有很好的抑制生长效果。
不同大小的银纳米颗粒抗菌效果不同，一般其效果随粒径的增大而减弱。除了银纳米颗粒以外，其他形状的银纳米材料，如银纳米线、银纳米棒及银纳米角等也具有抗微生物作用，但是在抗菌效果上有所差异。
金纳米颗粒
金纳米颗粒因其独特的理化性质，无论是用作抗菌药物载体还是自身修饰后用作治疗剂，均在体内、体外展现出良好的抗菌效果。 金纳米颗粒的抗菌谱广，抗菌机制多样，且生物相容性好，具有良好的临床应用前景。但是对于其在体内环境下的结构稳定性、抗菌机制、长期安全性、表面修饰物的细胞毒性等的认知仍有待于通过后续研究深入探讨和完善。
二硫化钼
利用半胱氨酸修饰的二硫化钼负载银离子，构建了一种新型的抗菌药物，这种抗菌药物具有着广谱的杀菌行为，对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌都有着明显的杀菌行为。这种材料在对有害病菌有着强烈杀伤能力的同时，对人体细胞的影响极小。
富勒烯
Lyon 等研究发现 C60 处理后的大肠杆菌并没有检测到活性氧物质，表明 C60 抗菌机理可能并不依赖于活性氧途径（Lyonetal2008）。也有研究认为富勒烯对原核细胞的抗菌作用是由细胞膜的脂质过氧化介导的（Sayesetal2005）。另一方面，富勒烯还具有抗病毒的效果。
Friedman 等发现，C60 对人免疫缺陷病毒蛋白酶（HIV）有抑制作用，HIVP 是抗病毒的主要靶点，抑制 HIVP 可以终止 HIV 的生命周期。
Antonio 等将富勒烯与许多单糖结合合成了一个大的球形结构，对埃博拉病毒具有有效的抑制作用。但对富勒烯的抗菌机理目前还存在争议，有学者认为富勒烯可引起光催化作用在真核细胞内产生活性氧物质。
碳纳米管
目前，关于碳纳米管抗菌性能的研究报道较多，其对细菌及真菌均有较好的抑制作用，且单壁碳纳米管的抗菌效果优于多壁碳纳米管。
Upadhyayula 等证明单壁碳纳米管具有极高的吸附能力，其对枯草芽孢杆菌孢子的吸附能力是活性炭和纳米陶瓷的 27-37 倍，单壁碳纳米管的高吸附能力主要取决于其纤维状、极大的长径比以及较大的比表面积。同吋，CNTs 对细菌的吸附作用极快，测试单壁碳纳米管对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌及大肠杆菌三种细菌的吸附动力学速率结果显示，95% 的细菌在 5-30min 时间内即可吸附到单壁碳纳米管表面。
碳纳米管本身的抗菌性能受众多因素的影响，直径较小的单壁碳纳米管有利于分割且更易渗透到细胞壁中，同时其较大的表面积则更有利于与细胞表面接触和反应，因而单壁碳纳米管比多壁碳纳米管的抗菌性能更为优异。
氧化石墨烯
科研人员探索了氧化石墨烯的抗菌特性，发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育 2 小时后，对其抑制率超过 90%。进一步的实验结果表明，氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。更重要的是，氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。此外，通过抽滤法能够将氧化石墨烯制备成纸片样的宏观石墨烯膜，也能有效地抑制大肠杆菌的生长。
羟基磷灰石
羟基磷灰石（简称 HA）的生物相容性及生物活性良好，热稳定性好。通过离子交换，将银离子负载在 HA 上，得到载银羟基磷灰石抗菌剂，应用在皮革的湿加工的后期和喷涂工序中，其适用范围比光催化型抗菌剂广，耐高温性能比其它无机载银抗菌剂好，是一种很有应用前景的无机抗菌剂。
其他金属纳米材料
金、铜、氧化锌、二氧化钛等纳米粒子均具有抗菌及抗病毒活性。重金属银、铜、铅、汞等盐类均能与蛋白质中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子，使大多数酶失活。因此，重金属离子具有广谱的抗菌、抗病毒活性。 除上述材料以外，石墨烯量子点、碳化氮、纳米金刚石等均展现出巨大的抗菌潜力！但是将其转化到实际应用的过程中，需要面临着诸多问题！希望通过借鉴纳米材料在其它领域尤其是材料合成和生物医学领域积累的科研成果，早日突破，造福社会！ 先丰客户已发表的相关文献，可供参考：
①氧化石墨烯分散液：氧化石墨烯作为抗菌增敏剂：机械扰动细胞膜，增强蜂毒肽的浓缩效率
Graphene oxide as antibacterial sensitizer: Mechanically disturbed cell membrane for enhanced poration effificiency of melittin
DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.067
②氧化石墨烯纳米片：氧化石墨烯武装溶瘤性麻疹病毒可提高癌症治疗的有效性
Graphene oxide arms oncolytic measles virus for improved effectiveness of cancer therapy
DOI：https://doi.org/10.1186/s13046-019-1410-x
③氧化石墨烯：基于杂交链反应的 A 型流感病毒检测方法
Hybridization chain reaction-based assay for the detection of influenza A virus
DOI：https://doi.org/10.1039/C2AN16232F
④氧化石墨烯：姜黄素功能化氧化石墨烯对呼吸道合胞病毒感染的协同抗病毒作用
Synergistic Antiviral Effect of Curcumin Functionalized Graphene Oxide against Respiratory Syncytial Virus Infection
DOI:https://doi.org/10.1039/C7NR06520E
⑤氧化石墨烯：具有强抗菌和增强成骨作用的氧化石墨烯和溶菌酶超薄膜
Graphene Oxide and Lysozyme Ultrathin Films with Strong Antibacterial and Enhanced Osteogenesis
DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b00035
⑥石墨烯：作为传感器的平台
基于 β- 环糊精 - 纳米金 - 二茂铁主客体标记的禽白血病病毒超灵敏电化学免疫传感器，用于信号放大
Ultrasensitive electrochemical immunosensor for avian leukosis virus detection based on a β-cyclodextrin-nanogold-ferrocene host-guest label for signal amplification
DOI：https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.02.041
⑦羧基化石墨烯量子点：设计杂化复合物以增强抗菌活性
Designing Melittin-Graphene Hybrid Complexes for Enhanced Antibacterial Activity
DOI：10.1002/adhm.201801521
⑧20nm 银颗粒：医用纳米银和银离子对红细胞抗氧化系统毒性机理的比较研究：从抗氧化酶活性和分子相互作用机理的角度
Comparative study on the toxic mechanisms of medical nanosilver and silver ions on the antioxidant system of erythrocytes: from the aspects of antioxidant enzyme activities and molecular interaction mechanisms
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-019-0502-2
⑨纳米氧化锌：ZnO 纳米颗粒（NPs）和 - 亚麻酸（LNA）与 BSA 复合的相互作用不影响 ZnO NPs 对 HepG2 细胞的毒性
The Interactions between ZnO Nanoparticles (NPs) and -Linolenic Acid (LNA) Complexed to BSA Did Not Influence the Toxicity of ZnO NPs on HepG2 Cells
DOI：https://doi.org/10.3390/nano7040091
即刻盘点可用于抗菌的纳米材料！
银纳米颗粒
在众多金属及其氧化物纳米粒子中，银纳米颗粒抗微生物效果最好，研究也最为广泛。许多研究者们已经证实银纳米颗粒对细菌、病毒、真菌均具有有效的抑制作用，尤其对抗生素耐药的菌株也拥有很好的抑制生长效果。
不同大小的银纳米颗粒抗菌效果不同，一般其效果随粒径的增大而减弱。除了银纳米颗粒以外，其他形状的银纳米材料，如银纳米线、银纳米棒及银纳米角等也具有抗微生物作用，但是在抗菌效果上有所差异。
金纳米颗粒
金纳米颗粒因其独特的理化性质，无论是用作抗菌药物载体还是自身修饰后用作治疗剂，均在体内、体外展现出良好的抗菌效果。 金纳米颗粒的抗菌谱广，抗菌机制多样，且生物相容性好，具有良好的临床应用前景。但是对于其在体内环境下的结构稳定性、抗菌机制、长期安全性、表面修饰物的细胞毒性等的认知仍有待于通过后续研究深入探讨和完善。
二硫化钼
利用半胱氨酸修饰的二硫化钼负载银离子，构建了一种新型的抗菌药物，这种抗菌药物具有着广谱的杀菌行为，对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌都有着明显的杀菌行为。这种材料在对有害病菌有着强烈杀伤能力的同时，对人体细胞的影响极小。
富勒烯
Lyon 等研究发现 C60 处理后的大肠杆菌并没有检测到活性氧物质，表明 C60 抗菌机理可能并不依赖于活性氧途径（Lyonetal2008）。也有研究认为富勒烯对原核细胞的抗菌作用是由细胞膜的脂质过氧化介导的（Sayesetal2005）。另一方面，富勒烯还具有抗病毒的效果。
Friedman 等发现，C60 对人免疫缺陷病毒蛋白酶（HIV）有抑制作用，HIVP 是抗病毒的主要靶点，抑制 HIVP 可以终止 HIV 的生命周期。
Antonio 等将富勒烯与许多单糖结合合成了一个大的球形结构，对埃博拉病毒具有有效的抑制作用。但对富勒烯的抗菌机理目前还存在争议，有学者认为富勒烯可引起光催化作用在真核细胞内产生活性氧物质。
碳纳米管
目前，关于碳纳米管抗菌性能的研究报道较多，其对细菌及真菌均有较好的抑制作用，且单壁碳纳米管的抗菌效果优于多壁碳纳米管。
Upadhyayula 等证明单壁碳纳米管具有极高的吸附能力，其对枯草芽孢杆菌孢子的吸附能力是活性炭和纳米陶瓷的 27-37 倍，单壁碳纳米管的高吸附能力主要取决于其纤维状、极大的长径比以及较大的比表面积。同吋，CNTs 对细菌的吸附作用极快，测试单壁碳纳米管对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌及大肠杆菌三种细菌的吸附动力学速率结果显示，95% 的细菌在 5-30min 时间内即可吸附到单壁碳纳米管表面。
碳纳米管本身的抗菌性能受众多因素的影响，直径较小的单壁碳纳米管有利于分割且更易渗透到细胞壁中，同时其较大的表面积则更有利于与细胞表面接触和反应，因而单壁碳纳米管比多壁碳纳米管的抗菌性能更为优异。
氧化石墨烯
科研人员探索了氧化石墨烯的抗菌特性，发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育 2 小时后，对其抑制率超过 90%。进一步的实验结果表明，氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。更重要的是，氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。此外，通过抽滤法能够将氧化石墨烯制备成纸片样的宏观石墨烯膜，也能有效地抑制大肠杆菌的生长。
羟基磷灰石
羟基磷灰石（简称 HA）的生物相容性及生物活性良好，热稳定性好。通过离子交换，将银离子负载在 HA 上，得到载银羟基磷灰石抗菌剂，应用在皮革的湿加工的后期和喷涂工序中，其适用范围比光催化型抗菌剂广，耐高温性能比其它无机载银抗菌剂好，是一种很有应用前景的无机抗菌剂。
其他金属纳米材料
金、铜、氧化锌、二氧化钛等纳米粒子均具有抗菌及抗病毒活性。重金属银、铜、铅、汞等盐类均能与蛋白质中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子，使大多数酶失活。因此，重金属离子具有广谱的抗菌、抗病毒活性。 除上述材料以外，石墨烯量子点、碳化氮、纳米金刚石等均展现出巨大的抗菌潜力！但是将其转化到实际应用的过程中，需要面临着诸多问题！希望通过借鉴纳米材料在其它领域尤其是材料合成和生物医学领域积累的科研成果，早日突破，造福社会！ 先丰客户已发表的相关文献，可供参考：
①氧化石墨烯分散液：氧化石墨烯作为抗菌增敏剂：机械扰动细胞膜，增强蜂毒肽的浓缩效率
Graphene oxide as antibacterial sensitizer: Mechanically disturbed cell membrane for enhanced poration effificiency of melittin
DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.04.067
②氧化石墨烯纳米片：氧化石墨烯武装溶瘤性麻疹病毒可提高癌症治疗的有效性
Graphene oxide arms oncolytic measles virus for improved effectiveness of cancer therapy
DOI：https://doi.org/10.1186/s13046-019-1410-x
③氧化石墨烯：基于杂交链反应的 A 型流感病毒检测方法
Hybridization chain reaction-based assay for the detection of influenza A virus
DOI：https://doi.org/10.1039/C2AN16232F
④氧化石墨烯：姜黄素功能化氧化石墨烯对呼吸道合胞病毒感染的协同抗病毒作用
Synergistic Antiviral Effect of Curcumin Functionalized Graphene Oxide against Respiratory Syncytial Virus Infection
DOI:https://doi.org/10.1039/C7NR06520E
⑤氧化石墨烯：具有强抗菌和增强成骨作用的氧化石墨烯和溶菌酶超薄膜
Graphene Oxide and Lysozyme Ultrathin Films with Strong Antibacterial and Enhanced Osteogenesis
DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b00035
⑥石墨烯：作为传感器的平台
基于 β- 环糊精 - 纳米金 - 二茂铁主客体标记的禽白血病病毒超灵敏电化学免疫传感器，用于信号放大
Ultrasensitive electrochemical immunosensor for avian leukosis virus detection based on a β-cyclodextrin-nanogold-ferrocene host-guest label for signal amplification
DOI：https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.02.041
⑦羧基化石墨烯量子点：设计杂化复合物以增强抗菌活性
Designing Melittin-Graphene Hybrid Complexes for Enhanced Antibacterial Activity
DOI：10.1002/adhm.201801521
⑧20nm 银颗粒：医用纳米银和银离子对红细胞抗氧化系统毒性机理的比较研究：从抗氧化酶活性和分子相互作用机理的角度
Comparative study on the toxic mechanisms of medical nanosilver and silver ions on the antioxidant system of erythrocytes: from the aspects of antioxidant enzyme activities and molecular interaction mechanisms
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-019-0502-2
⑨纳米氧化锌：ZnO 纳米颗粒（NPs）和 - 亚麻酸（LNA）与 BSA 复合的相互作用不影响 ZnO NPs 对 HepG2 细胞的毒性
The Interactions between ZnO Nanoparticles (NPs) and -Linolenic Acid (LNA) Complexed to BSA Did Not Influence the Toxicity of ZnO NPs on HepG2 Cells
DOI：https://doi.org/10.3390/nano7040091