納米氧化鋅抗菌性能及在復(fù)合材料的研究分析

【摘要】因具有優(yōu)良的抗菌性能、生物相容性、抗腫瘤等特性，納米氧化鋅（VK-J30）已成為目前組織工程材料研究的新熱點(diǎn)。本文對(duì)現(xiàn)有納米氧化鋅（VK-J30）抗菌性相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)、歸納和分析，深入探討了納米氧化鋅的抗菌機(jī)制，并介紹了當(dāng)前最新研制出的納米氧化鋅復(fù)合材料的抗菌特性及其優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)納米氧化鋅的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了展望。

 關(guān)鍵詞：納米氧化鋅（VK-J30）；納米粒；抗菌機(jī)制；復(fù)合材料

納米氧化鋅（VK-J30）抗菌性能及其機(jī)制

1.1 鋅離子的游離

鋅離子對(duì)生物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝起著重要調(diào)節(jié)作用，如參與輔酶、酶、DNA結(jié)合蛋白等的構(gòu)成，但高濃度的鋅離子會(huì)破壞菌體的內(nèi)環(huán)境，繼而破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)。氧化鋅在水介質(zhì)中電解能釋放出鋅離子，游離的鋅離子吸附到細(xì)菌細(xì)胞壁表面，使細(xì)菌細(xì)胞壁受損，破壞細(xì)胞的固有形態(tài)；此外納米氧化鋅顆粒亦可通過(guò)直接與細(xì)胞膜的磷脂雙分子層接觸而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，破壞細(xì)胞膜的完整性，增加納米粒子進(jìn)入的可能性，并且最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡而達(dá)到抗菌的作用，另外氧化鋅抗菌的特色在于殺滅細(xì)菌后，鋅離子可以從細(xì)胞中游離出來(lái)，不斷重復(fù)上述過(guò)程。

1.2 納米氧化鋅粒子（VK-J30）與細(xì)菌的相互作用力

當(dāng)粒子達(dá)到納米級(jí)時(shí)，粒子的物理性質(zhì)發(fā)生改變，具有很高的表面活性和較大的比表面積，與細(xì)菌表面作用力增強(qiáng)，容易與細(xì)菌表面發(fā)生相互作用，且納米粒子直徑越小則相互作用越強(qiáng)，納米氧化鋅的抗菌性也可能歸因于納米氧化鋅（VK-J30）粒子與細(xì)菌表面的相互作用。有學(xué)者觀察到，具有小微晶尺寸的氧化鋅納米顆粒對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性強(qiáng)于大微晶尺寸氧化鋅顆粒，同時(shí)還觀測(cè)到小微晶尺寸的氧化鋅納米顆粒釋放的鋅離子量遠(yuǎn)高于大微晶尺寸氧化鋅顆粒，因而氧化鋅納米顆粒具有更強(qiáng)的殺菌能力。此外由于金屬氧化物在水中帶正電荷可與細(xì)菌表面帶負(fù)電荷的基團(tuán)結(jié)合，靜電作用加強(qiáng)了金屬氧化物與細(xì)菌之間的相互作用力。

1.3 氧化鋅產(chǎn)生的活性氧

納米氧化鋅（VK-J30）的另一種抗菌機(jī)制可能與活性氧相關(guān)，活性氧可破壞細(xì)菌細(xì)胞的完整性，從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。氧化鋅是一種寬禁帶半導(dǎo)體氧化物，當(dāng)照射光的光子能量等于或大于氧化鋅禁帶寬度能量時(shí)，處于價(jià)帶上的電子就會(huì)激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上，它能導(dǎo)致形成正電價(jià)帶(空穴)和帶負(fù)電的自由電子帶。在氧化鋅納米顆粒的表面上，空穴與羥基反應(yīng)并吸收水以產(chǎn)生羥基自由基；在氧氣存在下，導(dǎo)帶中的孤電子產(chǎn)生超氧離子、羥基自由基，而這些超氧離子和羥基自由基即為活性氧?；钚匝跫捌溲苌飼?huì)破壞細(xì)菌細(xì)胞，產(chǎn)生溶菌作用或促進(jìn)納米粒子在菌體內(nèi)聚集并最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。有學(xué)者添加自由基清除劑甘露醇、維生素E、谷胱甘肽，阻斷了氧化鋅納米顆粒的殺菌作用，揭示了活性氧的產(chǎn)生在氧化鋅納米顆粒的抗菌性能中可能發(fā)揮了必要作用。

納米氧化鋅（VK-J30）復(fù)合材料

2.1 氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復(fù)合材料

石墨烯是碳的同素異形體，也是一種應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的優(yōu)質(zhì)納米材料，因具有優(yōu)良的機(jī)械性能和電化學(xué)性能[被廣泛用于骨組織工程中，作為植入物的表面改性涂層或支架材料中的關(guān)鍵摻雜劑，以增強(qiáng)生物相容性材料的生物惰性，提高支架的機(jī)械阻力。除了上述應(yīng)用，石墨烯由于具有巨大的比表面積和非定域化的π電子，還可以結(jié)合藥物分子，因此有潛力成為藥物運(yùn)輸載體，改善小分子藥物的體內(nèi)動(dòng)力學(xué)。此外，石墨烯片可以作為納米金屬的基材顆粒和溶解金屬離子的儲(chǔ)存位點(diǎn)，從而防止金屬顆粒聚集，降低其金屬顆粒的毒性使其能持續(xù)釋放。氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復(fù)合材料基于這些特性被成功研發(fā)。氧化鋅/羧化氧化石墨烯對(duì)抗變形鏈球菌有顯著作用，細(xì)菌在上述復(fù)合材料上播種后，經(jīng)歷了明顯的形態(tài)學(xué)變化，呈現(xiàn)球狀并出現(xiàn)膜的分解。與對(duì)照組羧化氧化石墨烯相比，氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復(fù)合材料樣品周圍明顯可見(jiàn)形成抑制區(qū)。羧化氧化石墨烯納米復(fù)合材料抗菌效果可能與氧化石墨烯納米粒和氧化鋅納米顆粒的協(xié)同作用有關(guān)。鋅是人體微量元素，適當(dāng)濃度的鋅離子可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化，高濃度鋅離子可以引起細(xì)胞毒性反應(yīng)，氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復(fù)合物以一種緩慢而持續(xù)的方式釋放鋅離子，而不像納米氧化鋅獨(dú)自存在的情況下產(chǎn)生爆炸樣釋放效應(yīng)，從而使氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復(fù)合材料在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢釋放鋅離子達(dá)到一個(gè)合適的濃度，復(fù)合物中釋放的適當(dāng)?shù)木植扛邼舛鹊匿\離子有利于細(xì)菌死亡。

2.2 氧化鋅/聚乙烯醇納米復(fù)合材料

聚乙烯醇因具有良好的生物相容性、生物活性、機(jī)械性能和超強(qiáng)的吸水能力被廣泛應(yīng)用于生物組織工程領(lǐng)域，例如藥物載體、仿生軟骨和人工皮膚、傷口敷料以及組織細(xì)胞的培養(yǎng)等?？轨o電紡絲技術(shù)是讓帶電的高分子溶液或熔體在靜電場(chǎng)中流動(dòng)變形，經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻固化而得到纖維狀物質(zhì)的一種技術(shù)]。有學(xué)者通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備氧化鋅/聚乙烯醇納米纖維，從而將氧化鋅納米粒和聚乙烯醇納米纖維有效結(jié)合起來(lái)，它綜合了納米氧化鋅（VK-J30）抑菌作用較強(qiáng)、安全等特點(diǎn)和聚乙烯醇納米纖維生物相容性好、生物作用安全等優(yōu)點(diǎn)，為創(chuàng)面治療提供了有利條件。抑菌實(shí)驗(yàn)表明，氧化鋅/聚乙烯醇納米纖維可明顯抑制細(xì)胞的黏附作用，對(duì)金黃色葡萄球菌有明顯的抑菌效果。此外研究顯示氧化鋅/聚乙烯醇納米復(fù)合膜對(duì)革蘭陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌效果都明顯優(yōu)于革蘭陰性菌大腸桿菌，這可能與前2類微生物細(xì)胞表面的靜電荷有關(guān)；同時(shí)該研究者還觀察到納米纖維組有明顯促進(jìn)創(chuàng)面組織膠原纖維、毛囊結(jié)構(gòu)和表皮形成的作用，與聚乙烯醇納米纖維組、創(chuàng)可貼組、紗布組相比，氧化鋅/聚乙烯醇納米復(fù)合膜組大鼠的傷口愈合時(shí)間明顯縮短。

2.3 納米氧化鋅VK-J30紡織抗菌/涂料油漆/陶瓷等納米復(fù)合材料

展望：

納米氧化鋅VK-J30是一種多功能性的新型無(wú)機(jī)材料，其顆粒大小約在30-50納米。由于晶粒的細(xì)微化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)以及高透明度、高分散性等特點(diǎn)。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)它在催化、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等方面展現(xiàn)出許多特殊功能，使其在陶瓷、化工、電子、光學(xué)、生物、醫(yī)y等許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，具有普通氧化鋅所無(wú)法比擬的特殊性和用途。納米氧化鋅VK-J30在紡織、化妝品、涂料等領(lǐng)域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌、耐水洗，耐磨、光催化材料中均取得優(yōu)異的作用。