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抗菌材料有哪些?

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? ??一、抗菌材料分類

????抗菌材料可以分類為:無機抗菌材料、有機抗菌材料(合成類)、天然抗菌材料、合成高分子抗菌材料、復合型抗菌材料等。

????無機抗菌材料:包括Ag、Zn、Cu、Ti系等無機體系抗菌材料(抗菌劑),具有安全性高、耐熱性好、無揮發、不產生耐藥性等特點。

????但是部分產品工藝復雜、成本高,有些產品對基材色澤有影響,部分無機抗菌材料存在重金屬超標的問題。

????目前對無機抗菌材料的應用研究主要涉及溶出型無機抗菌劑、光催化抗菌材料及納米抗菌劑。

????通常,利用銀、銅、鋅等金屬(離子)的抗菌能力,通過物理吸附離子交換等方法,將銀、銅、鋅等金屬(或化合物)固定在磷酸鋯、沸石、陶瓷、活性炭、硅膠等多孔材料的表面制成抗菌材料,

????然后將其加入到相應的制品中即獲得具有抗菌能力的產品。

????水銀、鎘、鉛等金屬(離子)也具有抗菌能力,但對人體有害;銅、鎳、鈷等離子帶有顏色,將影響產品的美觀,金屬離子的抗菌性能強弱一般有如下順序:

????Ag+>Hg2+>Cu2+>Cd2+>Cr3+>Ni2+>Pb2+>Co2+>Zn2+>Fe3+

????光催化抗菌材料屬于比較熱門的材料。

????目前,光催化抗菌劑主要TiO2,ZnO,CdS,WO3,SnO2和Fe2O3等N型半導體金屬氧化物,

????其中TiO2的氧化活性較高,穩定性也較強,對人體毒副作用相對小。

????納米抗菌材料是將無機抗菌劑采用高科技的納米技術處理,使其具有更為廣泛、高效的抗菌殺菌功能。

????有關納米銀、納米金抗菌材料研究的文獻很多。

????尤其是納米銀系抗菌劑,具有高效、廣譜抗菌、抗菌效果持久、不易產生耐藥性和安全性高等優點,成為當前抗菌材料研究的焦點之一,已廣泛應用于醫用材料、農業抗菌劑、光學材料和半導體材料等方面。

????然而,納米抗菌材料使用時也暴露出一些問題,例如銀累積和遷移造成的生活和安全問題。銀富集到較高濃度時對人體和哺乳動物有較大危害,可能會隨呼吸進入線粒體、胚胎以及肝臟和循環系統等。

????有研究指出納米銀比鋁和金等金屬的納米顆粒毒性更強。部分國家和地區對納米抗菌材料的應用持審慎態度。

????有機抗菌材料(合成類):包括咪唑類、吡啶類、異噻唑啉酮類、苯酚類、季銨鹽類、苯酚類、?;桨奉?、雙呱類、香草醛或乙基香草醛類等化合物,以及人工合成抗生素等有機系抗菌材料。

????目前部分有機抗菌劑尤其是其分解產物的安全性,受到廣泛關注。

????對于有機抗菌劑應用可能產生的耐藥性問題,也值得研究。一般來說,有機抗菌劑耐熱性相對差一些。

????天然抗菌材料:包括牡丹皮、花椒、辣椒、蒜、山崳、孟宗竹、薄荷、檸檬葉等的提取物,蟹和蝦中提煉的殼聚糖及其衍生物、多肽化合物等。

????天然抗菌材料安全性好,但耐熱性差,加工困難,應用推廣也受一定的限制。

????高分子抗菌材料:包括聚苯乙烯己內酰脲、聚吡唑、聚六亞甲基鹽酸胍、多價鹽類高分子抗菌劑等。

????高分子抗菌材料在抗菌的長效性、耐熱穩定性、顏色穩定性方面有獨特優勢,研究開發和應用推廣需要進一步加強。

????復合型抗菌材料:復合有機抗菌劑、無機抗菌劑、天然抗菌劑、高分子抗菌劑中的兩種或多種的復合材料。

????二、抗菌材料的作用機理

????抗菌材料作用原理:多數抗菌材料是通過抗菌劑來實現的,在接下來的分節介紹中,將直接介紹抗菌劑的抗菌機理。

????在實際應用中,一般并不要求抗菌材料能迅速殺滅有害微生物,而是側重于在長期的使用過程中抑制它們的生長和繁殖,以達到保護環境衛生的目的。

????1.無機抗菌劑

????無機抗菌劑,可以通過多種機理實現抗菌效果:

????例如,接觸反應機理:即抗菌制品中的金屬離子與細菌接觸反應后,造成微生物固有成分破壞或產生功能障礙。

????當微量的金屬離子到達微生物細胞膜時,因后者帶負電荷,依靠庫侖引力,使兩者牢固吸附,金屬離子穿透細胞壁進入細胞內,

????并與巰基(-SH)反應,使蛋白質凝固,破壞細胞合成酶的活性,細胞喪失分裂繁殖能力而死亡。

????金屬離子還能破壞微生物電子傳輸系統、呼吸系統和物質傳輸系統。

????當菌體失去活性后,金屬離子又會從菌體中游離出來,重復進行殺菌活動,因此其抗菌效果持久。

???是一些無機抗菌材料的抗菌機理示意圖(部分資料來源于中科院理化所張維老師)。

????無機抗菌材料的電子轉移效應及抗菌機理(理化所三價銀絡合物)

????對于光觸媒類抗菌材料,其抗菌機理為光催化反應:在光的作用下,金屬離子能起到催化活性中心的作用,激活水和空氣中的氧,產生羥基自由基和活性氧離子,活性氧離子具有很強的氧化能力,能在短時間內破壞細菌的繁殖能力而使細胞死亡,從而達到抗菌的目的。

????????2.有機(合成類)抗菌劑

????有機(合成類)抗菌劑抗菌機理理論闡述較為清晰,以季銨鹽類抗菌劑為例:

????由于季銨鹽類有機抗菌劑中的N帶正電荷,吸引細菌,損害胞壁結構,使其中的內容物漏出,抗菌機制屬于“觸殺"。

????另外,季銨鹽也具有抑制細菌脫氫酶、氧化酶等作用。

????普通季銨鹽抗菌劑應用在紡織品整理上是溶出型的,易洗脫,且易在人體表面逐漸富集,長期使用易產生病變。

????而有機硅季銨鹽屬于非溶出型抗菌整理劑,由于與纖維結合牢固、持久和抗菌效果明顯。

????3.天然有機抗菌劑

????天然有機抗菌劑種類繁多。其中,最常用的天然抗菌劑是殼聚糖,它是一種帶正電荷的活性物質。

????目前對殼聚糖抗菌機理的推測有兩種:

????(1)首先是在酸性條件下,殼聚糖的氨基陽離子吸附帶有負電荷的細菌,束縛了微生物的自由度,阻礙其代謝和繁殖;

????(2)低分子量的殼聚糖分子,通過微生物細胞壁進入細胞內,阻礙微生物遺傳密碼由DNA向RNA的復制,從而抑制了細菌的繁殖。

????天然有機抗菌劑的使用安全性很高,對人體無毒、無刺激,

????但天然有機抗菌劑的耐熱性差且藥效持續時間短,抗菌效果受濃度、pH、相對分子質量等多種因素影響。

????4.高分子類抗菌劑

????高分子類抗菌劑的抗菌機理,與其結構和組分有關。

????例如,高分子季銨鹽,是通過其抗菌基團上的N+與細菌表面的負電荷相互作用,附著到菌體表面,然后像“陰離子海綿”一樣,將部分陰離子細菌細胞膜吸入其內部空隙中,造成微生物膜起皺變形,胞內物質泄露,從而殺死細菌,這也是目前最為廣泛接受的理論。

????同時也有文獻報道,它是憑借N+與細胞膜附近的Ca2+、Mg2+等進行離子交換,破壞細菌內的電荷平衡使菌體死亡。

????除上述機理外,高分子季銨鹽的抗菌活性還受其抗菌基團、相對分子質量、攜帶電荷性質、載體及特殊基團等的影響。

????季鏻鹽類聚合物的抗菌活性來源于P+的正電荷,且磷屬第三周期元素,離子半徑大,所以季鏻鹽的極化作用和正電性更強,抗菌活性也更高。

????5.復合抗菌劑

????有機/無機復合抗菌劑結合了有機和無機抗菌劑的優點,兼有了有機系的強斂性、持續性與無機系的安全性、耐熱性,其抗菌機理比單一抗菌劑要復雜。

????有一類復合抗菌劑是利用具有抗菌性能的有機配體和具有抗菌性能的無機陽離子形成復合鹽抗菌劑。

????但是有的具有抗菌性能的配體形成配合物后抗菌性能降低,因而目前對于這類復合抗菌劑的抗菌機理研究還在不斷進行中。

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