中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

未来医学的明珠——抗菌纳米材料

2021-04-16

随着人们健康意识的提高,由抗菌纳米材料制作的产品也不断进入人们的日常生活。如目前市场上出现的纳米抗菌洗衣机、抗菌保暖内衣、抗菌鞋袜等产品极大地提高了人们的生活质量。

杀菌原因
这类纳米材料为什么会有神奇的杀菌功效呢?主要的原因有如下两点:

1.金属离子溶出抗菌原理
首先,市场上主要应用的纳米抗菌剂是以银离子,铜离子,锌离子为主的金属离子。这类离子氧化能力较强,能破坏细菌细胞的代谢过程,抑制细菌繁殖。另外,这些金属离子可以迅速与细菌体内蛋白酶的巯基相结合,使蛋白酶失活,最终致使细菌死亡。而当菌体被杀灭后,Ag+又能游离出来继续与其它菌体作用,进行新一轮的杀灭,直到细菌全部杀死为止。

2.接触型灭菌机理


带负电荷的微生物细胞容易吸引带正电的纳米颗粒,通过正负电荷的转移来穿透细菌的细胞膜,使其蛋白质变性,无法代谢和繁殖,直至死亡。同时,纳米颗粒并不会被消耗,能够保持原有的抗菌活性,因此可以长期有效的起到灭菌作用。 抗菌剂

纳米抗菌材料的核心是抗菌剂。抗菌剂主要分为天然、合成两大类。

天然纳米抗菌材料主要是沸石类矿物,其主要组成为水铝硅酸盐,具有纳米孔隙结构。对于分子尺寸的粒子具有较强的吸附能力。天然抗菌材料具有抗菌范围广、安全性高、无副作用等特点。因此深受大众的喜爱。但近年来的研究证明,此类抗菌剂的抗菌能力差、寿命短,使其使用受到限制。


合成抗菌剂又可以分为两类。一类是离子型抗菌剂,主要有Ag+、Cu2+、Zn2+等金属离子,其中银离子抗菌剂的使用最为广泛。在实验中,将这类纳米微粒放到水里,能够显著降低水中细菌的活性,并去除水中的氨。不过,凡事都有两面性。这类材料的广泛应用也会带来严重的环境问题,其中之一就是增加了温室气体的排放。第二类材料为光催化型抗菌剂,也称纳米光触菌材料,常用于玻璃的杀菌,同时也是一种室外建筑材料。


上面的几种抗菌剂在日常生活中已经得到了广泛的应用。然而,纳米抗菌材料的用途并不仅限于此。科学家们正在努力将碳纳米材料应用于人体抗菌抗病毒,药物载体,肿瘤治疗等生物医学领域。

自古以来,人类的进化伴随着与病菌的博弈。后来,人类发现抗生素能有效地控制细菌感染,因此抗生素被誉为“医学皇冠上的一颗明珠”。然而,抗生素的滥用以及新抗生素研发缓慢等因素,导致现在的人类可能面临无药可医的境地。


碳纳米材料
病菌感染将威胁着公共卫生安全,同时新药开发的过程中又常常伴随着复杂严苛的技术要求和难以检测的毒副作用。在这样的境况下,基于抗菌纳米材料具有合成简单、成本相对低廉的优点,碳纳米材料成为了抗菌纳米医学领域的一个新兴研究方向。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯和纳米钻石及其衍生物,是目前应用非常广泛的一类纳米材料。


石墨烯
石墨烯材料由于其相对低廉的成本和对人和环境较低的毒性,在抗菌纳米医学领域吸引了越来越多的关注。

石墨烯抗菌机制
主要有物理穿刺或者叫做“纳米刀”切割,石墨烯包覆细菌体导致其跨膜运输受阻从而遏制细菌生长。同时,石墨烯具有优越的电子传导和电荷储存性能有利于电荷在其表面传输和转移。电荷通过不断插入细胞造成细胞膜不稳定。这种机制使石墨烯能够快速有效地消灭细菌。

下图所表示的实验为石墨烯材料在创伤治愈中的应用:


a)石墨烯量子点(GQDs)的粒径分布;
b)未浸渍(左)和GQDs浸渍的纱布;
c)浸渍织物在一只老鼠的伤口上(镶嵌图显示了绷带的结构);
d)伤口被含有盐水(参照)、双氧水、GQDs、GQDs与双氧水的绷带包裹三天前后的对比照片;
e)用不同的绷带处理后存活的细菌计数;
f)PAA–银纳米颗粒–rGO水凝胶治疗伤口的照片;
g)用纱布在不同的时间点治疗受伤的老鼠的照片比较:空白敷料(XSI–PU)、参照、高分子凝胶(XSI–聚氨酯/ GO-5 %)。

富勒烯
石墨烯可以杀菌,而富勒烯则可作为药物载体。富勒烯,又称巴基球,是一种由碳原子形成的一系列笼形分子的总称。它的颗粒十分微小,进入人体后,可以穿透部分生物体内的安全屏障,进入一般的常规药物所无法到达的地方,因此富勒烯可以作为潜在的药物运输分子,可以有效运输阿霉素和促红细胞生成素。科学家实验发现,在富勒烯输送促红细胞生成素EPO时,EPO的浓度达到了单独使用EPO时的两倍,大大提高了EPO的生物利用率。


碳纳米管
除此之外,碳纳米管是一种新型纳米材料,它是由碳原子经过sp2杂化形成的石墨烯卷成的中空管体。其中空结构为容纳药物和生物特异性分子提供了足够的空间。但是,没有一种材料是十全十美的。由于碳纳米管不溶于任何溶剂,限制了它在生物医学领域的应用。所以,科学家对其表面进行修饰以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性。


据报道,通过对单壁碳纳米管进行修饰,在其表面连接叶酸就可以靶向到特定的肿瘤细胞,在红外线的照射下能特异性地杀伤肿瘤细胞,而且对正常细胞不会造成不良影响。对于著名抗癌药物紫杉醇,科学家们的实验表明,与单独使用紫杉醇相比,碳纳米管承载紫杉醇后,大幅提高了药物的穿透性和在血液循环中停留的时间,对肿瘤的生长起到了更加有效的抑制作用,并且对人体正常细胞没有毒副作用。可见,碳纳米管也是一种很有潜力的肿瘤靶向性药物载体。


碳纳米材料在生物医学领域的应用还处于研究阶段,某些材料对人体的安全性、生物相容性还有待考量。不过,许多的纳米产品已经应用到了我们生活中的各个领域。纳米材料的变革必将让我们的生活更加便捷,精彩。

文章来源:新材料研习社