当细菌遭遇纳米材料

当细菌遭遇纳米材料薛斌
（本文刊载于《知识就是力量》2021年第2期，有删改）
转自微信公众号“化无止境”
在我们生活的这个世界上，比如田野中、房间里、我们的身体里、眼前的手机屏幕上、甚至是火山口，细菌都无处不在。不过不用担心，大多数细菌都是可以与我们和平共处的。但是也有一小部分致病细菌，比如大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌和肉毒杆菌等等，严重威胁着人类的健康。19世纪中叶，欧洲产妇在医院中分娩的死亡率竟然会大于家中分娩的死亡率，就是致病细菌感染导致的悲惨记忆。即使是科技发达的现代，超市销售的食品被大肠杆菌O157污染进而造成消费者感染死亡的新闻也会时不时地爆出。伴随着20世纪40年代青霉素被用于细菌感染治疗，抗生素为人类战胜细菌带来了曙光，人类寿命的显著延长，抗生素功不可没。那么致病细菌会不会善罢甘休，放弃对人类的侵害呢？

超级细菌来袭

近年来印度、日本等国家出现的多种抗生素都无法杀死的“超级细菌”导致的感染死亡病例在提醒我们，细菌并没有缴械投降！之所以会出现“超级细菌”，与临床上广泛存在的抗生素滥用息息相关。所谓道高一尺魔高一丈，致病细菌在与被大量使用的抗生素的战斗中发生了进化和变异，产生了的耐药性。并且伴随着水体和土壤的抗生素污染，以及食物链的传递，能使现有抗生素全部失效的“超级细菌”日益迫近人类。我们有可能再次回到没有抗生素保护的“史前时代”！值得庆幸的是“东边日出西边雨”，纳米材料的出现为人类与细菌的新较量带来了希望。

什么是纳米材料

纳米是一种长度计量单位，1纳米是10亿分之一米，1根头发的直径约为6万纳米。在3维空间里至少有1个维度处在1~100纳米范围内的材料，或者由这一类材料作为基本单元组装而成的材料称之为纳米材料。根据纳米材料的形状特征，可以把它划分为0维、1维、2维和3维等四类。0维纳米材料包括量子点、纳米球等，金（Au）纳米粒子属于这个范畴，1维纳米材料包括纳米棒、纳米管等，典型的例子有碳纳米管，2维纳米材料包括纳米片，典型的例子是石墨烯，3维纳米材料通常是由以上低维纳米材料作为构筑单元组装而成，包括海胆形、花球形等，构成贝壳的碳酸钙就属于3维纳米材料。纳米材料是一类古老而新型的材料，说它古老是因为在人类历史上早就在使用纳米材料，比如我国古代用来制作文房四宝之一的墨的松烟就是0维的碳纳米颗粒，说它新是因为科学家们正在用各种先进的新技术制造纳米材料，并且发现了它的许多奇特性质和应用价值。纳米抗菌材料

纳米材料由于尺寸特别小，产生了许多传统材料并不具备的物理和化学特性，这些特性赋予了纳米材料抗菌的功能。又由于纳米抗菌材料可以同时作用于多个细胞靶点，细菌还不能在短时间内产生显著的突变，从而降低了细菌获得耐药性的机会，这就体现出了纳米抗菌材料的优越性。

那么纳米抗菌材料是怎样工作的呢？科学家根据现有的研究结果，归纳出了以下一些机理。

纳米抗菌材料有许多锋利的棱角和边缘，就像一把把“纳米刀”，一旦细菌与之接触，就会被刺破细胞膜，造成内容物流出，进而被杀死。蝉翼表面就存在纳米棒状阵列结构，这些纳米棒就像排列整齐的钢针一样，对附着在上边的细菌有很好的杀灭效果。

纳米抗菌材料与细菌接触后会诱导其细胞产生氧化应激反应，从而使细菌的细胞结构和脂质、蛋白质和DNA等成分被氧化破坏。有些情况下纳米抗菌材料也会使细菌细胞内部产生超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢和单线态分子氧等活性氧物种（ROS），这些物质的过度累积造成了细菌细胞的凋亡。

纳米材料还存在光热效应，即可以把光转化为热的能力。例如金（Au）纳米颗粒、硫化钼（MoS2）纳米片就可以吸收对人体组织具有较好穿透性的近红外光，产生的热可以杀灭体内的细菌以及肿瘤细胞，因此这些纳米材料又被称为“光热抗菌剂”。

半导体材料的光催化作用也是杀菌的重要途径。经常出现在防晒霜中的二氧化钛（TiO2），治疗皮炎的药膏里含有的氧化锌（ZnO）就是典型的金属氧化物半导体材料。纳米尺寸的TiO2和ZnO被紫外光激发后产生的光生电子和空穴可以与水或氧气分子结合产生具有强氧化性的ROS，细菌会被这些物质氧化杀死。这一类材料的局限性在于它们只能被紫外光激发，紫外光在太阳光谱中的比例很小，而且紫外光会对人体皮肤造成损害。因此，科学家渴望得到一类对可见光有响应的半导体光催化抗菌材料。最近，一种无机聚合物半导体氮化碳作为光催化抗菌材料受到了广泛关注。这种新型材料不含有金属成分，属于2维纳米片层结构，制造工艺简单、价格低廉、环境友好，更关键的是它可以被可见光激发从而发挥氧化杀菌的作用。

纳米尺寸的金属颗粒由于表面原子大量暴露，增加了这些原子的活泼性，因此可以使表面原子失去电子的过程变得更容易，从而缓慢地释放出金属离子，这些金属离子可以穿过细菌的细胞膜破坏细胞内的物质，从而引起细菌的死亡。而金属银（Ag）和铜（Cu）本身就是很好的抗菌材料，这也是古往今来银质餐具和铜质把手受到欢迎的原因，既可以彰显豪华气派，又可以杀菌消毒，何乐而不为呢。得益于这一先天优势，纳米尺寸的Ag和Cu颗粒此时在抗菌方面更可以大显身手了！我们日常生活中能接触到的纳米银抗菌喷剂以及纳米抗菌洗衣机正是利用的这个原理。

性能优异的纳米抗菌材料往往综合利用了以上多个抗菌机理。2010年诺贝尔物理学奖聚焦的明星纳米材料石墨烯就是典型的例子。石墨烯最初是由科学家通过胶带从石墨（铅笔芯的主要成分）表面剥离下来的，结构上它是由单层碳原子排列成的无数个六边形相连构成的，相当于单层的石墨，属于2维碳纳米材料。石墨烯具有许多奇特的力学、电学和光学特性，散发着令科学家着迷的光彩，在能源、信息技术和生物医药等领域有着广阔的应用前景，在不久的将来有望改变人类的生活。石墨烯具有锋利的边缘、巨大数量的表面暴露原子，既可以作为“纳米刀”，又可以使细菌产生氧化应激反应，同时还可以作为“支撑体”和“稳定器”与其他纳米材料构成复合物，发挥协同作用提高抗菌效果。

伴随着医疗水平的提高，各类介入性医疗器械，诸如人工关节、冠状动脉支架、导尿管、气管插管等等得到越来越广泛地应用，这类医疗器械造成的细菌感染是影响治疗效果和病人康复的巨大隐患。此时，纳米材料可以大显身手。一方面利用仿生学原理将医疗器械表面进行纳米结构图案化处理，比如仿照鲨鱼、海星、鲸的皮肤构造制造纳米尺寸的凸起、凹坑、柱体、沟槽，以防止细菌在其表面粘附，实现对细菌的被动防御。另一方面可以在医疗器械表面包覆具有杀菌功能的纳米材料，实现对细菌的主动杀灭。这两方面的策略综合运用，可以有效提高介入性医疗器械在抗感染方面的安全性。

具有抗菌功能的水凝胶是近年来生物医学领域的研究热点之一。水凝胶是由聚合物“链条”通过物理或化学相互作用交联而成的极易吸收水分的3维多孔网络结构材料。水凝胶具有高水溶胀性、高透氧性、较好的生物相容性、易于负载可控释药物等特性。这些特性给发展水凝胶的抗菌应用提供了契机。水凝胶既可以在发达的孔道中负载具有抗菌活性的无机纳米颗粒，比如前边提到过的Ag、Cu、ZnO和TiO2等，也可以负载抗生素，又可以与石墨烯等碳纳米材料形成复合抗菌水凝胶，还可以通过精心选择聚合物单体和交联剂实现对水凝胶亲水性和孔隙率的精确调控以改善其本身的抗菌活性。这些策略的协同作用可以有效延长水凝胶抗菌材料的抗菌时效、增强它的机械强度、进一步它的改善生物相容性。正因为如此，抗菌水凝胶可以广泛地应用在伤口敷料、口腔感染、胃肠道感染、骨髓炎和隐形眼镜等领域。

展 望

纳米抗菌材料有着光明的应用前景，但是通向应用的道路还很漫长，目前还有许多问题有待解决。

使用安全性问题是首先需要考虑的问题。现有的报道表明石墨烯等纳米材料对体外的模型细胞几乎是无毒的，但是相关报道还比较少，这一问题仍需要开展广泛而深入地研究，特别是在纳米材料高浓度条件下对活体细胞的安全性尤其值得关注。

纳米材料累积毒性问题也是必须考虑的问题，纳米抗菌材料可能会通过环境和食物链在生物体内不断蓄积，那么原本无毒的纳米材料此时是否仍然安全就需要重新评估。

精准控制纳米抗菌材料的靶向性，为不同的细菌量身定做相应的纳米抗菌材料，是实现选择性和高效性杀菌必须要考虑的问题。

大规模生产廉价纳米抗菌材料使它“飞入寻常百姓家”也是必须考虑的技术性问题。这些问题对于纳米抗菌材料的实际应用都至关重要。

相信伴随着科学家对纳米材料的深入研究，人类会发现越来越多的新型纳米抗菌材料，对纳米抗菌材料的特性产生更全面的认识，并且实现对纳米抗菌材料结构和特性的精准调控。未来的纳米抗菌材料会在创伤愈合、组织/器官移植、食品保鲜等多个领域发挥越来越重要的作用。

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