王思博

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 211100）

鋅是人體必需元素，作為人體內(nèi)的輔助因子、信號(hào)傳導(dǎo)分子和結(jié)構(gòu)元素，其涉及多種生物學(xué)途徑和活動(dòng)[1]。由于其具有免疫調(diào)節(jié)特性，目前被認(rèn)為是一種潛在的機(jī)體保護(hù)性物質(zhì)，鋅元素通過(guò)參與清除附著于呼吸道黏液纖毛的病毒而抑制病毒復(fù)制，發(fā)揮抗病毒的免疫功能，抑制炎癥反應(yīng)并調(diào)節(jié)共生的肺炎球菌菌落，有報(bào)道甚至表明其可預(yù)防新型冠狀病毒（SARSCoV-2）感染（圖1）[2]。雖然元素鋅(游離離子)的殺菌效果與銀、銅等其他金屬相比屬于中等水平，但已有鋅離子與銀離子聯(lián)合殺菌效果更優(yōu)異的報(bào)道[3]。

圖1 感染COVID-19后鋅可能的機(jī)體保護(hù)機(jī)制

鋅基抗菌材料通常包括鋅復(fù)合物和氧化鋅納米粒子（ZnO NPs）。（1）鋅復(fù)合物。如吡啶硫銅鋅（ZPT）及其衍生物是一類眾所周知的抗真菌化合物，在醫(yī)藥、化妝品及其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用（圖2）。此外，業(yè)界合成了許多新的含有席夫堿或其他配體的鋅化合物，并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如鋅摻雜介孔羥磷灰石[4]。（2）氧化鋅納米粒子具有高發(fā)光效率、寬帶隙、大的激子束縛能的特征，引發(fā)了研究者對(duì)使用不同合成方法制備氧化鋅納米粒子及拓展其應(yīng)用前景的研究。近年來(lái)，人們利用物理、化學(xué)和生物等多種方法制備了不同形貌的氧化鋅納米復(fù)合材料，所得到的納米顆?？梢杂枚喾N分析方法進(jìn)行表征，包括動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）、紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、X射線衍射（Diffraction of X-Rays，XRD）及電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）等，通過(guò)這些方法可以獲得有關(guān)納米粒子的大小、形狀和光學(xué)性質(zhì)等信息。

氧化鋅納米粒子具有引人注目的抗菌性能，其生物殺滅效應(yīng)有兩種不同的機(jī)制：一種是通過(guò)光催化過(guò)程釋放活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）；另一種是通過(guò)氧化鋅納米粒子誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧[5]。本文重點(diǎn)介紹以鋅為基礎(chǔ)的抗菌材料的研究和發(fā)展，并對(duì)這類材料抗菌機(jī)理的拓展進(jìn)行討論。

1 光催化抗菌鋅基金屬-有機(jī)骨架材料——ZIF-8

近年來(lái)，以銅、鈷、銀和鋅為基礎(chǔ)的具有抗菌性能的光催化抗菌金屬-有機(jī)骨架材料（MOFs）的報(bào)道引起了人們的廣泛關(guān)注[6]。這些金屬-有機(jī)骨架材料作為金屬成分的儲(chǔ)存庫(kù)，提供金屬離子的慢釋放和以金屬離子為基礎(chǔ)的抗菌作用。LI等[7]報(bào)道了一組具有光催化殺菌性能的金屬-有機(jī)骨架材料——鋅基咪唑鹽（ZIF-8），其機(jī)理與以前報(bào)道的抗菌性金屬-有機(jī)骨架材料不同[8]。研究發(fā)現(xiàn)，ZIF-8在模擬太陽(yáng)光照射條件下具有優(yōu)異的抗菌效能，2 h內(nèi)可致高達(dá)99.999 9%的大腸桿菌在鹽水中失活。對(duì)其殺滅細(xì)菌能力的機(jī)理研究表明，其不是由于Zn2+的瀝濾或2-甲基咪唑前體的作用，而是以ZIF-8釋放活性氧為主。在ZIF-8中的居于Zn離子中心的光電子在通過(guò)配體向金屬進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移（Ligand-to-Metal Charge Transfer，LMCT）時(shí)被俘獲，從而產(chǎn)生活性氧。這種ZIF-8材料的光催化性能優(yōu)于常用的生物殺滅光催化劑ZnO和銳鈦礦TiO2，具有良好的殺菌性能和細(xì)菌失活率。根據(jù)其優(yōu)異的抗菌效果和ROS產(chǎn)生機(jī)理，眾多學(xué)者研究了光催化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)ZIF-8具有半導(dǎo)體特性和能帶結(jié)構(gòu)?？紤]到ZIF-8的n型半導(dǎo)體性質(zhì)，估計(jì)其帶隙能量為3.3 eV，ZIF-8的平帶電位（以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為參考）為-1.2 V，價(jià)帶電位（以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為參考）在2.1 V。通過(guò)LMCT過(guò)程，光照射產(chǎn)生的光電子被捕獲在ZIF-8順磁性Zn離子位的表面[9]。這些被激發(fā)的電子隨后可以將氧分子還原成超氧自由基和過(guò)氧化氫，這兩者是造成細(xì)菌損傷的主要抗菌活性物質(zhì)。研究者隨后將含有ZIF-8的功能化纖維整合到MOF抗菌過(guò)濾膜中作為新型抗菌材料，展示了潛在的下游應(yīng)用。這些成果可以促進(jìn)新MOF材料的設(shè)計(jì)和合成，使其具有更好的選擇性、更高的抗菌效率和更低的毒性。

2 鋅基咪唑鹽MOF（ZIF）納米陣列抗菌表面

物體表面污染是傳染性疾病傳播的主要途徑之一。一種常用的預(yù)防方法是將對(duì)微生物具有滅活或抵抗作用的試劑或酶涂抹在物體表面形成抗菌涂層，使其具備自我消毒或殺死微生物的功能，這些涂層通過(guò)緩慢釋放起到消毒表面的作用，但隨后可能導(dǎo)致二次污染和最終耐藥微生物的出現(xiàn)。有研究表明，蜻蜓翅膀和蟬翼的表面被密集的納米柱所覆蓋，只通過(guò)物理作用即可避免細(xì)菌污染[10]。與其他化學(xué)或生物化學(xué)滅菌機(jī)制相比，這些發(fā)現(xiàn)為通過(guò)物理機(jī)制消滅細(xì)菌群落提供了一種新穎、簡(jiǎn)單和安全的仿生策略。類似的合成性納米樣顆粒表面，比如黑色的硅片表面，也已經(jīng)證明了相同的機(jī)械性物理殺菌機(jī)制，而不需要額外的化學(xué)物質(zhì)[11]。受到這種殺菌機(jī)制的啟發(fā)，YUAN的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)通用而直接的方法，即在廣泛的基質(zhì)表面上合成鋅基沸石咪唑酯骨架構(gòu)造體納米短刺樣陣列(ZIF-L)[12]。

這些納米短刺樣ZIF-L陣列的尖端鋒利，呈片狀外形，表面負(fù)載正電荷，這些特性的累積效果使得納米短刺樣陣列具有優(yōu)異的微生物殺傷活性。與以前報(bào)道的通過(guò)釋放金屬離子或光催化產(chǎn)生活性氧來(lái)殺死微生物的MOF不同，ZIF-L納米短刺樣陣列通過(guò)導(dǎo)致納米陣列尖端所附著微生物的細(xì)胞膜破裂來(lái)殺死細(xì)菌。此外，帶正電荷的表面可以將帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞吸附到納米陣列上，在沒(méi)有化學(xué)物質(zhì)或抗生素的情況下對(duì)微生物產(chǎn)生物理殺傷作用。值得注意的是，簡(jiǎn)單的ZIF-L納米陣列涂層工藝已成功地應(yīng)用于包括塑料、金屬和陶瓷等各種疏水性和親水性物質(zhì)表面。這種多功能性表明該涂層材料有應(yīng)用于更廣泛材料的實(shí)踐性潛力。YUAN等[13]的工作也證明了這種技術(shù)在無(wú)抗生素傷口愈合治療中的應(yīng)用，通過(guò)將納米短刺陣列包覆在棉質(zhì)紗布上，使紗布對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生了低毒性的抗菌活性。此研究評(píng)價(jià)了ZIF-L納米陣列包被的棉紗對(duì)于小鼠感染金黃色葡萄球菌的傷口的治療效果，同時(shí)與商用的銀敷料產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比[（圖3、圖4），圖中箭頭顯示納米短刺樣ZIF-L穿透了金葡菌的細(xì)胞]，發(fā)現(xiàn)ZIF-L納米陣列涂層棉紗在微生物群落計(jì)數(shù)、表皮再上皮化和表皮構(gòu)建過(guò)程中均顯示出較好的性能。

圖3 棉紗結(jié)構(gòu)（a和b）和ZIF-L納米陣列涂層棉紗（c和d）

圖4 金黃色葡萄球菌在未包被ZIF-L涂層棉紗（a）和Mueller-Hinton肉湯培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 h后包被ZIF-L的涂層棉紗（b）

3 氧化鋅納米陣列在各種表面的消毒作用

ZIF納米陣列具有在各種實(shí)質(zhì)表面優(yōu)異的吸附強(qiáng)度和其衍生結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期應(yīng)用的耐久性。氧化鋅很容易在不同的表面上以針狀或棒狀形式生長(zhǎng)，且其納米結(jié)構(gòu)通常比ZIF材料更耐用和更強(qiáng)韌。

氧化鋅納米柱在鋅箔、玻璃、不銹鋼、聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）、硅片和陶瓷等表面的生成最近得到了證實(shí)。根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——Antimicrobial Products-Test for Antimicrobial Activity and Eきcacy（JIS Z 2801:2000），通過(guò)熒光存活/死亡試驗(yàn)和活菌落計(jì)數(shù)測(cè)定，氧化鋅納米柱對(duì)革蘭氏陽(yáng)性、革蘭氏陰性細(xì)菌和真菌都具有良好的抗生性能[14]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，鋅表面的氧化鋅納米柱可以通過(guò)鋅和氧化鋅交互的電化學(xué)反應(yīng)釋放出高濃度的活性氧物質(zhì)，活性氧的產(chǎn)生有助于增強(qiáng)氧化鋅納米柱清除粘附及非粘附性的細(xì)菌細(xì)胞的能力[15]。對(duì)于不同基質(zhì)上的氧化鋅納米柱，只有附著在其表面上的微生物是通過(guò)物理破裂機(jī)制被殺死的，基質(zhì)-納米柱與其抗菌效果之間的強(qiáng)相關(guān)性可以促進(jìn)這一領(lǐng)域研究的進(jìn)一步發(fā)展。

納米結(jié)構(gòu)表面的耐久性是決定其是否適合實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。YI等[14]研究了氧化鋅納米柱在鋅箔表面抗摩擦和/或磨損的穩(wěn)定性，觀察到重復(fù)用干海綿刷1 000次或濕磨10 000次后，表面納米結(jié)構(gòu)基本保持不變，說(shuō)明氧化鋅納米柱耐久性良好，應(yīng)用潛力巨大。

4 氧化還原活性鋅復(fù)合抗菌劑

氧化鋅是一種重要的半導(dǎo)體金屬氧化物，具有3.2～3.4 eV能帶隙，在紫外光照射下產(chǎn)生活性氧，是光催化抗菌劑的優(yōu)良候選品。然而，這種特性依賴于外部光源，由于氧化鋅具有較低的電荷分離效率，且電荷載流子快速?gòu)?fù)合，其光能轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。最近，研究報(bào)道了一種具有氧化還原活性的鋅/氧化鋅復(fù)合材料，它可以通過(guò)自腐蝕過(guò)程產(chǎn)生活性氧，而不依賴光或任何外部能量輸入[16]。氧化鋅電導(dǎo)帶（CB）中的電子是由復(fù)合材料中心輕微的鋅腐蝕提供的，從而減少了基態(tài)氧生成活性氧。Zn/ZnO復(fù)合材料具有鋅芯的核殼結(jié)構(gòu)，ZnO棒/針陣列在表面對(duì)齊排列如同殼層，證明了Zn/ZnO復(fù)合材料可以將氧和水轉(zhuǎn)化為超氧化自由基和過(guò)氧化氫。在黑暗中Zn/ZnO的活性氧釋放速率遠(yuǎn)高于ZnO納米顆粒在紫外光照射下的活性氧釋放速率。表明Zn/ZnO復(fù)合材料具有更高的抗菌效能，而且主要的殺菌機(jī)理為活性氧的釋放，而非鋅離子或納米粒子的作用。

同樣，鋅/硫化鋅復(fù)合材料也具有相當(dāng)?shù)尼尫呕钚匝醯男阅芎涂咕Ч@些新型鋅基復(fù)合材料可自發(fā)釋放活性氧，克服了光催化抗菌材料的不足。因此，具備氧化還原活性的鋅基復(fù)合材料會(huì)有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域，如水體凈化、染料降解和抗菌涂料等領(lǐng)域。此外，已有來(lái)自物體表面氧空位的氧化鋅納米晶體釋放活性氧現(xiàn)象的報(bào)導(dǎo)，但其抗菌效果和耐久性與其他材料相去甚遠(yuǎn)，可能是表面的氧空位有限所致[17]。

5 其他形式的含鋅抗菌劑

以磷酸化蛋白為多孔模板，通過(guò)氮吸附/脫附實(shí)驗(yàn)，形成了具有大孔徑和特殊表面積（182 m2/g）的摻鋅介孔材料[18]。通過(guò)X射線衍射、傅里葉變換光譜、透射電子顯微鏡和X射線光電子能譜等分析技術(shù)證實(shí)了摻鋅介孔材料的形成。此研究制備的摻鋅介孔生物材料可用作革蘭氏陽(yáng)性(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性(大腸桿菌)細(xì)菌的抗菌劑，Zn2+含量為2%的樣品對(duì)革蘭陽(yáng)性菌和革蘭陰性菌的最大抑菌濃度分別為50%±5%和77%±5%，樣品的抗菌活性與Zn2+含量顯著正相關(guān)。

6 結(jié)語(yǔ)

過(guò)度使用有機(jī)消毒劑的惡果包括殘留化學(xué)毒性、微生物耐藥性增強(qiáng)、環(huán)境負(fù)擔(dān)和食物鏈污染等，因此尋找綠色環(huán)保的抗菌材料仍然是一個(gè)重大的社會(huì)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的通過(guò)化學(xué)機(jī)制消除細(xì)菌的有機(jī)消毒物相比，含鋅抗菌材料的優(yōu)勢(shì)在于其是通過(guò)物理機(jī)械性破壞細(xì)菌細(xì)胞或釋放活性氧來(lái)起抗菌作用的。這些新材料在無(wú)毒、安全的抗菌方法中扮演著重要的角色，可取代部分有機(jī)消毒劑、防腐劑和抗生素等傳統(tǒng)抗菌劑，以減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。隨著鋅基材料開發(fā)的進(jìn)一步進(jìn)展，將有助于實(shí)現(xiàn)更有潛力的常規(guī)消毒和環(huán)境凈化解決方案。