纳米银壳聚糖复合抗菌材料的研究进展.doc

纳米银/壳聚糖复合抗菌材料的研究进展蒋卫娟1,2,关静2（1天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134；2军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161）摘要：纳米银具有很强的杀菌作用，渗透性强，广谱杀菌且无任何耐药性，近年来，银作为一种功能性抗菌材料发展很快；壳聚糖是一种重要的天然抗菌材料，具有良好的生物相容性和生物降解性。将纳米银粒子与壳聚糖有效复合，能够获得良好的抗菌性能，广泛应用于医用创伤抗菌。本文综述了目前国内外纳米银/壳聚糖复合抗菌材料的研究进展。关键词：纳米银 壳聚糖 抗菌中文分类号：Research on antibacterial composite of a novel chitosanAg-nanoparticle Jiang Weijuan1,2, Guan Jing2 (1Biological Technology and Food Science College, Tianjin University of Commerce, Tianjin 3001434；2Institute o f Medical Equipment, Academy of Milita ry Medica l Sciences,Tianjin 300161，China)Abstract: Nano-silver has a strong bactericidal effect, permeable, broad-spectrum bactericidal and without any resistance， In recent years, nano-silver dressings wound dressings as a rapid development of functional, Chitosan is a kind of important natural antimicrobial materials, Which has a good biocompatibility and biodegradability. The effective compound of nanosize silver particles and chitosan can get good antibacterial properties and will be widely used in medical antibacterial trauma. This paper summarized and prospected nano silver/chitosan composite antibacterial material research progress both at home and abroad.Keywords: medical application of nano-silver antimicrobial chitosan引言细菌广泛存在于自然界中，有害菌群严重影响着人民的生活与健康，在食品加工与贮藏过程中，大量使用防腐剂，造成了诸多食品安全问题；医疗抗菌消炎方面，抗生素的滥用，使得超级细菌应运而生，严重威胁着人类的生存与发展；市场上众多不可降解的抗菌产品，加剧了环境的恶化。近些年研究者把目光聚焦在制备安全、高效、无毒、无耐药性，可降解的抗菌材料，尤其是医用抗菌敷料方面发展较快1。研究表明银具有很强的杀菌作用，渗透性强，广谱杀菌且无任何的耐药性，对绝大多数的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌甚至一些抗性菌株具有很好的杀灭作用2，在抗菌材料领域引起广泛关注。壳聚糖是一种天然存在的碱性多糖，安全无毒，可生物降解的天然高分子，具有很好的生物相容性、无毒、能被生物体完全吸收的特点而且具有抗菌、止血和抑制癌细胞转移的作用。壳聚糖能被生物体内的溶菌酶降解生成天然的代谢物,，因此用它作药物缓释剂具有较大的优越性3。本文在壳聚糖/纳米银的抗菌机理、复合抗菌材料的制备及其安全性等方面综述了壳聚糖/纳米银复合抗菌材料的研究进展。1 纳米银的抗菌机理纳米颗粒具有重要的科学研究价值，它建立了大块物质和原子、分子之间的桥梁。纳米银(Nano Silver)就是将粒径做到纳米级的金属银单质，具有稳定的物理和化学性能。纳米银颗粒，对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药性。动物试验表明，这种纳米银抗菌微粉即使用量达到标准剂量的几千倍，受试动物也无中毒表现。同时，它对受损上皮细胞还具有促进修复作用。值得一提的是，该产品遇水抗菌效果愈发增强，更利于疾病的治疗。专家认为，这种纳米银抗菌微粉还可广泛应用于环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生等领域4。纳米银粒径小，比表面积大，其表面可不断地游离出银离子和银原子，目前银的抗菌机理没有公认的定论，主要有以下两种机理假说5：(1)接触反应假说：银离子与细菌接触反应，造成细菌固有成分被破坏或产生功能障碍从而导致细菌死亡。由于微生物的细胞膜常带有负电荷，银离子能依靠库伦引力牢固吸附在细胞膜上，而且银离子还能进一步穿透细胞壁进入细菌内，并与细菌中的巯基反应，使细菌的蛋白质凝固，破坏细菌的细胞合成酶的活性，使细胞丧失分裂增殖能力而死亡。反应过程如下： SH酶 SH + 2Ag+ SAg SAg酶 + 2H+此外，银离子也能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统、物质传输系统。当菌体失去活性后，银离子又会从菌体中游离出来，重复进行杀菌活动，因此其抗菌效果持久。(2)催化反应假说：在光的作用下，银离子及纳米级颗粒能起到催化活性中心的作用，激活水分子和空气中的氧，产生羟基自由基(OH)及负氧离子(O2-)6，O2-和OH能在短时间内破坏细菌的增殖能力，致使细胞死亡，从而达到抗菌的目的。银离子的光催化过程如下7： Ag+ + H2O hv Ag + H+ + OH Agn hv Ag+ + Agn-1 + e- e- + O2 hvO2-银离子杀菌将以何种机理进行，目前并无定论。一般认为，在通常的情况下，以第一种杀菌机理为主，光催化过程也起到一定的作用。2壳聚糖的抗菌活性壳聚糖是一种天然存在的碱性多糖，安全无毒，可生物降解的天然高分子，具有很好的生物相容性，能被生物体完全吸收的特点，具有高效的杀菌性8,9和对哺乳动物细胞低的毒性。早在1979年Allan等10就提出壳聚糖具有广谱抗菌性，此后有许多学者对壳聚糖的抗菌机理进行了研究。一般认为，根据壳聚糖在细胞上的作用靶位不同，其抗菌机理可分为两大类：一类是YONG等提出的以细菌带有负电荷的细胞膜为作用靶的机理，即壳聚糖带的阳离子与构成微生物细胞壁的唾液酸(SIALIC)或磷脂质阴离子发生离子结合，束缚了微生物的自由度，阻碍其发育；另一类是Hadwiger等提出的以细菌分子中DNA为作用靶的抗菌机理11，即低分子壳聚糖渗透到微生物细胞壁内，阻碍遗传因子从DNA到RNA的转移，从而阻止了微生物的发育。陈威等12认为壳聚糖微球的抗菌机理是壳聚糖表面的正电荷和微生物细胞膜表面的负电荷的相互吸引作用，破坏微生物的细胞膜，导致细菌的蛋白质和其它细胞成分被破坏。邵荣等13用光密度法测定了壳聚糖微球对金黄色葡萄球菌杀菌实验，并探讨了壳聚糖的浓度、以及体系pH值等对其抗菌活性的影响。结果表明，壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑制能力随浓度的降低而减弱；培养基pH控制在6.0时壳聚糖抗菌活性最高。3 纳米银/壳聚糖复合材料3.1复合材料特性壳聚糖/银(CS/Ag)复合物能保持壳聚糖和纳米银粒子的主要优点，获得原组分所不具备的性能。纳米银有许多优点，但是其粒径小，比表面积和表面能极大，化学性质活泼，易转变成为棕色的氧化银并且极易发生团聚而形成带有若干弱连接界面且尺寸较大的团聚体，从而影响了纳米银粒子的实际应用效果。壳聚糖/银溶胶中壳聚糖成分通过包覆纳米银粒子防止纳米银粒子被氧化或团聚而失去活性。晋治涛14通过溶胶凝胶法合成了粒径大小约为 60100nm纳米银，并将其和羧甲基壳聚糖复合，通过抑菌试验证明纳米银/羧甲基壳聚糖生物敷料结合了纳米银与CMC优良抗菌性能，其抑菌抗菌效果明显优于单一的CMC甚至纳米银。根据壳聚糖基体类型可将纳米银/壳聚糖复合材料分为薄膜类、凝胶类、海绵类和微球粉末类等。3.2 复合材料的制备传统沉淀法制备的纳米银材料，粒度大且尺寸分布较宽，影响其抗菌性能的高效性15。张富强16利用光还原技术，构建了一种壳聚糖/纳米银薄膜。硝酸银在壳聚糖薄膜表面的饱和吸附时间约30min。紫外光还原后，壳聚糖薄膜表面均匀分布了大量尺寸在50100纳米的银颗粒。采用纳米银原位复合技术，增强壳聚糖薄膜敷料的抗菌性能。并且做了体外抑菌圈实验，实验证明：壳聚糖/纳米银薄膜具有良好的抗菌性能，其抗菌效果要好于纯壳聚糖和磺胺嘧啶银纱布。曾晓峰等17通过缩醛化反应制得含Ag/SiO2纳米颗粒的壳聚糖/聚乙烯醇海绵。并检测材料的各项物理性能、表面形貌、细胞毒性、抗菌性能。结果表明材料呈多孔结构，吸水率、透气性和保湿性良好，具有较高的拉伸强度；材料孔隙率高、空隙致密均匀，孔径大小为0.11 mm；MTT法检测材料对小鼠成纤维细胞毒性显示无明显毒性，并且能促进该细胞的生长；材料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌、铜绿假单胞菌、伤寒沙门菌均有良好的杀菌效果。而且这种含Ag/SiO2纳米颗粒的壳聚糖/聚乙烯醇海绵敷料不但具有良好的物理性能、生物活性和抗菌性能，而且合成工艺简单，可作为很好的创面敷料。Zhou等18制备出了黏土/壳聚糖/银纳米聚合物复合材料，并将其此填入到医学导尿管中，可有效杀死假单胞菌，葡萄球状菌和假丝酵母菌。Mi等19用湿-干相反转法制得了双层壳聚糖膜，该膜有高密度的表层和海绵状的内层，有很好的透氧能力和较好的吸水能力，可以控制水蒸气的转移速率。向敷料中添加磺胺嗜陡银(AgSD)来抑制伤口的感染，该膜对AgSD有缓释作用。体外和体内抗菌性实验表明，该膜对绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌都有很好的抑制作用。值得一提的是，近年来不少研究者制备出含纳米银的壳聚糖微球，可有效控制银的释放，达到长期抗菌的目的。刘青等20以壳聚糖的乙酸溶液为介质，用硼氢化钠还原硝酸银而制备银纳米粒子，用溶胶-凝胶法成功制备出壳聚糖/银溶胶。以液体石蜡为连续相，CS/Ag 溶胶为分散相，戊二醛为交联剂，采用乳化交联法制备出粒径约为98 nm CS/Ag微球，其所包埋的纳米银粒径在520 nm之间。而且抗菌实验表明CS/Ag复合微球的抗菌性能是Ag纳米粒子和CS协同作用的结果。4 含银抗菌材料的安全性在使用银系抗菌剂中必须考虑安全性。己有的研究表明，银本身就是人体内的组织成分之一，正常人体肾脏、肝脏和脾脏中银的含量分别为0.4mg/、0.7mg/和2.7mg/细胞干重，皮肤中的含银量为0.030mg/细胞干重，服用AgNO3总量在4g以下时，很少有产生银斑的危险。用浓度很低的银离子处理过的细胞没有明显的细胞聚集、细胞变形和细胞溶解等变化，这表明少量的银离子对人体没有明显的毒害作用。少量的离子对人体、动物均没有毒害作用，可以放心地用于各类抗菌整理中21,22胡23和陈炯24等人对纳米银辅料在银离子吸收和人体内的代谢变化方面进行了研究，结论显示在透射电镜下观察到创面上有银沉积，纳米银颗粒可通过毛孔皮下并逐步释放银离子。在用于中小面积轻度烧伤创面的过程中，在连续使用5天时，患者的血和尿银离子浓度逐渐上升，停用两天后，银离子浓度明显下降，9天后，患者体内银离子浓度基本接近正常水平。5问题与展望近年来纳米材料以其优越的理化特性迅猛发展，由于含纳米银的壳聚糖均有良好的生物相容性和广谱的抑菌抗菌性，而且还可以促进伤口愈合、减少疼痛，在接下来的若干年将会在皮肤科、灼伤科等领域得到更为广泛的应用。而现阶段我国纳米银/壳聚糖复合抗菌材料的开发仍处于研究阶段，国内技术与国外相比存在一定差距，在抗菌材料开发方面仍需要广大研究者不懈的努力与创新。另外虽然少量的银不会引起人的过敏反应，但对银在不同部位抗菌应用剂量没有统一的规定，社会上对纳米银的大量应用是否会引起环境问题存在着很大争议，有待于广大科研工作者进一步论证研究。参考文献：1 McCormick, M. L., Sanghvi H. C., Kinzie B, et al. Preventing postpartum hemorrhage in low-resource settingsJ. Int J Gynaecol Obstet.2002: 77(3):267-275 2 蒋建华,陈琦,朱红军.纳米银长效广谱抗菌功能性织物及其制造方法D.华中科技大学博士学位论文,1241662,1999.2-11. 3 朱爱民,李振玲.壳聚糖体外抗菌活性的研究J海峡药学, 2001,(04)4 /view/732046.htm5 肖清华,李博文.载银无机抗菌剂的研究现状和发展趋势J.中国非金属矿导报,1999(6):5-7.6 Henglein,A.Small-Particle pesearch-Physicochemical properties of extremely small colloidal metal and demiconductor particlesJ.Chemical Reviews,1989,89(8):6173.7 Charles FJ.Heinig.O3 or O2and Ag-new catalyst technology for aqueous phase sanitation in:Ozone science and engineeringJ.International Ozone Society,1993.533-546.8 ENTSAR. I, RABEA, Mohamed E-T BADAWY,et al. Chitosan as Antimicrobial Agent Applications and Mode of Action. Biomacromolecules, 2003, 4(6):1457-1465 9 SHI QU YE, CHAO YANG WANG, XIN XING LIU, et al. Deposition Temperature Effect on Release Rate of Indomethacin Microcrystals from Microcapsules of Layer-by-layer Assembled Chitosan and Alginate Multilayer Films. Journal of Controlled Release, 2005, 106(3):9316- 9328 10 Allan, C.R., Hardwiger, L.A. The fungicidal eect of chitosan on fungi of varying cell wall compositionJ. Exp.Mycol, 1979,3(4),285287.11 Lin,W.Y. Studies on the antibacterial action of chitosanD. University of Taiwan, 1995.12 陈威, 吴清平, 张菊梅, 等. 壳聚糖抑菌机制的初步研究. 微生物学报, 2008, 48(2):164-168 13 邵荣, 许琦, 余晓红, 等.壳聚糖抗菌性能的研究. 食品科学, 2007, 28(09):121-12414 晋治涛.羧甲基壳聚糖水凝胶和羧甲基壳聚糖盐的制备、性质及其应用研究D. 中国海洋大学,200415 Khanna PK，Subbarao VVVSNanosized silver powder via reduction of silver nirate by sodium for malde hydesulfoxylate in acidic pH mediumJ.Materials Letters.2003;57(15):2242-2245 16 张富强.六种纳米载银无机抗菌剂的体外细胞毒性比较.中华空前医学杂志.2005,40（6）17 曾晓峰，魏坤，韩雪，罗云，舒丽君，吴远，沈征