納米氧化鋅抗菌性能及在復合材料的研究分析

【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。本文對現(xiàn)有納米氧化鋅（VK-J30）抗菌性相關研究成果進行了總結、歸納和分析，深入探討了納米氧化鋅的抗菌機制，并介紹了當前最新研制出的納米氧化鋅復合材料的抗菌特性及其優(yōu)點，進一步對納米氧化鋅的未來應用進行了展望。

 

 關鍵詞：納米氧化鋅（VK-J30）；納米粒；抗菌機制；復合材料

 

納米氧化鋅（VK-J30）抗菌性能及其機制

1.1 鋅離子的游離

 

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

 

1.2 納米氧化鋅粒子（VK-J30）與細菌的相互作用力

 

當粒子達到納米級時，粒子的物理性質發(fā)生改變，具有很高的表面活性和較大的比表面積，與細菌表面作用力增強，容易與細菌表面發(fā)生相互作用，且納米粒子直徑越小則相互作用越強，納米氧化鋅的抗菌性也可能歸因于納米氧化鋅（VK-J30）粒子與細菌表面的相互作用。有學者觀察到，具有小微晶尺寸的氧化鋅納米顆粒對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性強于大微晶尺寸氧化鋅顆粒，同時還觀測到小微晶尺寸的氧化鋅納米顆粒釋放的鋅離子量遠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的殺菌能力。此外由于金屬氧化物在水中帶正電荷可與細菌表面帶負電荷的基團結合，靜電作用加強了金屬氧化物與細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）的另一種抗菌機制可能與活性氧相關，活性氧可破壞細菌細胞的完整性，從而抑制細菌的生長。氧化鋅是一種寬禁帶半導體氧化物，當照射光的光子能量等于或大于氧化鋅禁帶寬度能量時，處于價帶上的電子就會激發(fā)躍遷到導帶上，它能導致形成正電價帶(空穴)和帶負電的自由電子帶。在氧化鋅納米顆粒的表面上，空穴與羥基反應并吸收水以產(chǎn)生羥基自由基；在氧氣存在下，導帶中的孤電子產(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茐募毦毎?，產(chǎn)生溶菌作用或促進納米粒子在菌體內聚集并最終導致細菌死亡。有學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）復合材料

2.1 氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復合材料

 

石墨烯是碳的同素異形體，也是一種應用于生物醫(yī)學的優(yōu)質納米材料，因具有優(yōu)良的機械性能和電化學性能[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鍵摻雜劑，以增強生物相容性材料的生物惰性，提高支架的機械阻力。除了上述應用，石墨烯由于具有巨大的比表面積和非定域化的π電子，還可以結合藥物分子，因此有潛力成為藥物運輸載體，改善小分子藥物的體內動力學。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存位點，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/羧化氧化石墨烯對抗變形鏈球菌有顯著作用，細菌在上述復合材料上播種后，經(jīng)歷了明顯的形態(tài)學變化，呈現(xiàn)球狀并出現(xiàn)膜的分解。與對照組羧化氧化石墨烯相比，氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復合材料樣品周圍明顯可見形成抑制區(qū)。羧化氧化石墨烯納米復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。鋅是人體微量元素，適當濃度的鋅離子可以促進細胞增殖和分化，高濃度鋅離子可以引起細胞毒性反應，氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復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自存在的情況下產(chǎn)生爆炸樣釋放效應，從而使氧化鋅/羧化氧化石墨烯納米復合材料在較長時間內緩慢釋放鋅離子達到一個合適的濃度，復合物中釋放的適當?shù)木植扛邼舛鹊匿\離子有利于細菌死亡。

 

2.2 氧化鋅/聚乙烯醇納米復合材料

 

聚乙烯醇因具有良好的生物相容性、生物活性、機械性能和超強的吸水能力被廣泛應用于生物組織工程領域，例如藥物載體、仿生軟骨和人工皮膚、傷口敷料以及組織細胞的培養(yǎng)等?？轨o電紡絲技術是讓帶電的高分子溶液或熔體在靜電場中流動變形，經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻固化而得到纖維狀物質的一種技術]。有學者通過靜電紡絲技術制備氧化鋅/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合起來，它綜合了納米氧化鋅（VK-J30）抑菌作用較強、安全等特點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，為創(chuàng)面治療提供了有利條件。抑菌實驗表明，氧化鋅/聚乙烯醇納米纖維可明顯抑制細胞的黏附作用，對金黃色葡萄球菌有明顯的抑菌效果。此外研究顯示氧化鋅/聚乙烯醇納米復合膜對革蘭陽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類微生物細胞表面的靜電荷有關；同時該研究者還觀察到納米纖維組有明顯促進創(chuàng)面組織膠原纖維、毛囊結構和表皮形成的作用，與聚乙烯醇納米纖維組、創(chuàng)可貼組、紗布組相比，氧化鋅/聚乙烯醇納米復合膜組大鼠的傷口愈合時間明顯縮短。

 

2.3 納米氧化鋅VK-J30紡織抗菌/涂料油漆/陶瓷等納米復合材料

展望：

納米氧化鋅VK-J30是一種多功能性的新型無機材料，其顆粒大小約在30-50納米。由于晶粒的細微化，其表面電子結構和晶體結構發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀隧道效應以及高透明度、高分散性等特點。近年來發(fā)現(xiàn)它在催化、光學、磁學、力學等方面展現(xiàn)出許多特殊功能，使其在陶瓷、化工、電子、光學、生物、醫(yī)y等許多領域有重要的應用價值，具有普通氧化鋅所無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。