李丹，肖麗萍，范杰

（浙江大學(xué)化學(xué)系,浙江省應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027）

新型冠狀病毒全稱為嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2），是引起新冠肺炎（COVID-19）的病毒.自2019年12月我國公開報道第一例新冠肺炎病例以來［1］，COVID-19已迅速成為一場席卷全球的大流行病，對人類的健康和全球的經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生了災(zāi)難性的影響.截止到2022年5月，全球累計感染人數(shù)超過5.1億，死亡人數(shù)超過620萬［2］.

SARS-CoV-2的主要傳播途徑為接觸傳播、污染物傳播和氣溶膠傳播［3～6］.因此，開發(fā)一種能夠快速、有效抑制SARS-CoV-2的表面材料，以阻斷這3種傳播途徑，對減少病毒的傳播至關(guān)重要.無機(jī)材料廉價易得、有明確的抗微生物特性，在抑制SARS-CoV-2表面材料的應(yīng)用中具有巨大潛能.本文首先介紹了SARS-CoV-2的基本結(jié)構(gòu)及生命周期、傳播途徑和活性檢測方法；然后重點(diǎn)綜述了具有抗病毒特性的無機(jī)表面材料（金屬單質(zhì)及其衍生物、石墨烯及其衍生物和沸石等）的研究進(jìn)展，對這些材料抑制SARS-CoV-2的實(shí)際和潛在應(yīng)用進(jìn)行介紹，同時闡述其可能的作用機(jī)制（圖1）；最后，對無機(jī)抗病毒表面材料領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望，為設(shè)計高效的無機(jī)抗病毒表面材料提供了新思路.

Fig.1 Schematic diagram of inorganic-based antiviral surface materials

1 SARS-CoV-2

病毒是由DNA或RNA基因組及保護(hù)性蛋白質(zhì)外殼組成的非細(xì)胞型生物，其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等生命必需活動都需在宿主細(xì)胞中進(jìn)行.冠狀病毒則是一種高度多樣化的包膜陽性單鏈RNA病毒家族，分為α，β，γ和δ4種屬，可感染鳥類、人類和其它哺乳動物.已知有7種冠狀病毒會引起人類感染，其中HCoV 229E，HCoV NL63，HCoV HKU1和HCoV OC43［7］均為低致病率的病毒；而另外3種冠狀病毒：嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）［8，9］、中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）［10，11］和嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）［1，12］，能對人類造成致命的肺炎感染.

SARS-CoV-2屬于β屬冠狀病毒家族，具有冠狀病毒的典型結(jié)構(gòu)特征：形狀近似球形，直徑在60～140 nm，病毒顆粒表面有形似“日冕”的刺突蛋白［1］.自SARS-CoV-2病毒被首次分離以來，科學(xué)家已對其基本結(jié)構(gòu)、生命周期及傳播機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究，這些基本認(rèn)識能夠幫助人們更加有針對性地采取針對新冠肺炎的治療措施，同時也為防控SARS-CoV-2的傳播提供參考.

1.1 SARS-CoV-2的基本結(jié)構(gòu)及生命周期

SARS-CoV-2具有陽性單鏈RNA基因組，大小約29.9 kb，包含約30000個核苷酸.基因組包含12個功能性開放閱讀框（ORF）［13］，它們共編碼至少29種蛋白：16種非結(jié)構(gòu)蛋白（NSPs）、9種輔助蛋白、4種結(jié)構(gòu)蛋白［包括刺突蛋白（S）、膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）和核衣殼蛋白（N）］（圖2）［14］.

S蛋白主要負(fù)責(zé)SARS-CoV-2與宿主細(xì)胞的結(jié)合與膜融合，包含2個亞基：受體結(jié)合亞基S1和膜融合亞基S2.S1亞基負(fù)責(zé)與靶細(xì)胞上的受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2）結(jié)合，其中，S1所包含的受體結(jié)合域（RBD）是識別與結(jié)合ACE2的關(guān)鍵位點(diǎn).S2亞基則與宿主細(xì)胞進(jìn)行膜融合，使病毒基因組進(jìn)入宿主細(xì)胞［15］.研究發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2的S蛋白與ACE2受體具有較高的親和力，比SARS-CoV的S蛋白與ACE2受體的結(jié)合能力高10～20倍［16］.

Fig.2 Schematic presentation of the virion structure[14]

M蛋白的主要功能包括營養(yǎng)物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸、新生病毒出芽釋放、病毒外包膜的形成以及特異性體液反應(yīng).此外，M蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域可能包含1個T細(xì)胞表位簇，具有細(xì)胞免疫原性［17］.E蛋白是一種跨膜蛋白，它參與病毒組裝，并且其疏水跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)Σ《玖Ｗ拥尼尫胖陵P(guān)重要［18］.N蛋白是一種磷酸化蛋白質(zhì)，可形成螺旋衣殼，將陽性單鏈RNA基因組包裹在里面.

SARS-CoV-2的生命周期主要可分為4個階段：吸附于宿主細(xì)胞，進(jìn)入宿主細(xì)胞，進(jìn)行病毒復(fù)制以及成熟和釋放.如圖3［19］所示，病毒通過S蛋白與ACE2結(jié)合后，細(xì)胞膜中的跨膜蛋白酶絲氨酸2（TMPRSS2）蛋白酶切割S蛋白，S2結(jié)構(gòu)域被激活，最終導(dǎo)致病毒與細(xì)胞的膜融合［20］.另外，SARS-CoV-2的S蛋白也可被Furin蛋白水解激活［21］.病毒進(jìn)入細(xì)胞后，ORF1a和ORF1b各編碼1個多聚蛋白，這2個多聚蛋白經(jīng)過加工后可產(chǎn)生16種非結(jié)構(gòu)蛋白（NSP1-16）行使功能，它們負(fù)責(zé)完成病毒基因組RNA的復(fù)制和基因轉(zhuǎn)錄等功能［22，23］.病毒RNA和N蛋白在宿主細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中生物合成，其它結(jié)構(gòu)蛋白則在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中生物合成并運(yùn)輸?shù)礁郀柣w.病毒RNA-N蛋白復(fù)合體和S蛋白、M蛋白及E蛋白隨后在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基中間室中組裝，產(chǎn)生成熟的病毒顆粒.成熟病毒隨后通過出芽過程從高爾基體釋放，再通過胞吐作用從宿主細(xì)胞釋放［24，25］.

Fig.3 The SARS-CoV-2 viral life cycle[19]

正確認(rèn)識病毒的基本結(jié)構(gòu)及生命周期可以為病毒感染的治療提供思路，任何一個蛋白質(zhì)或者生命過程都可以為藥物治療提供潛在靶點(diǎn).例如，于2020年5月獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）緊急使用授權(quán)的瑞德西韋（Remdesivir）被認(rèn)為是RNA聚合酶（RdRp）的一種競爭性抑制劑，可有效降低RNA復(fù)制［26］，達(dá)到治療的效果.另外，了解病毒的基本結(jié)構(gòu)及生命周期也可以為預(yù)防病毒感染提供參考，如通過抑制病毒與宿主細(xì)胞的吸附及進(jìn)入達(dá)到抑制病毒感染的目的.

1.2 SARS-CoV-2的傳播機(jī)制

作為一種呼吸道傳播病毒，SARS-CoV-2的一般傳播途徑包括接觸傳播、污染物傳播和氣溶膠傳播［3～6］.如圖4［27］所示，感染者咳嗽、打噴嚏或說話時排出的呼吸道飛沫中含有病毒，并且這些飛沫中的病毒能在很長一段時間內(nèi)保持活力和傳染性，導(dǎo)致病毒的快速擴(kuò)散.呼吸道飛沫可分為大顆粒（＞5 μm）和小顆粒（≤5 μm）［28］.

大顆粒的呼吸道飛沫遷移距離相對較短，約為1 m，進(jìn)入空氣后立即開始蒸發(fā)并收縮，并由于重力作用迅速沉降在各種物體表面（如桌面、按鈕、扶手和觸摸屏等），使它們成為潛在的感染源，進(jìn)而導(dǎo)致接觸傳播和污染物傳播［12，29，30］.研究表明，在塑料和不銹鋼表面上3 d后仍可檢測到活SARS-CoV-2病毒［31］，在口罩外層7 d天后仍可檢測到具有感染活性的SARS-CoV-2［32］.

小顆粒的呼吸道飛沫有可能成為懸浮的氣溶膠顆粒，并在空氣中停留較長時間，從而使病毒通過氣溶膠進(jìn)行長距離傳播（＞1 m）［33，34］.因此，除了使沉積的病毒顆粒滅活以避免前兩種途徑外，戴口罩、隔離等其它感染防控措施也能夠有效防止病毒通過氣溶膠傳播.其中，口罩和呼吸器是保護(hù)醫(yī)護(hù)人員和可能接觸到病毒的普通民眾的有效和必要設(shè)備［35～38］.

Fig.4 Common transmission pathways of respiratory diseases[27]

1.3 病毒活性檢測方法

病毒活性的檢測對藥物治療效果、材料抗病毒效果的評判至關(guān)重要.傳統(tǒng)的病毒活性檢驗(yàn)方法以活細(xì)胞培養(yǎng)為工具，通過病毒接種至細(xì)胞后，觀察接種細(xì)胞的病變效應(yīng)（CPE）來量化具有感染活性的病毒，主要有半數(shù)組織細(xì)胞感染劑量（TCID50）測定及空斑形成試驗(yàn)（PFU）等.近年來，已相繼開發(fā)出一些以病毒的基因或蛋白為基礎(chǔ)的檢測方法，例如實(shí)時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)（qPCR）和酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）等技術(shù).另外，也可以通過對病毒顆粒直接計數(shù)進(jìn)行活性確定，例如流式細(xì)胞分析和電子顯微鏡技術(shù)等.其中，TCID50及qRT-PCR是目前應(yīng)用最多也是最成熟的技術(shù).

1.3.1 半數(shù)組織培養(yǎng)感染劑量（TCID50）測定TCID50指使用不同稀釋度的病毒接種至細(xì)胞后引起50%死亡或病變時的病毒稀釋度，它反映了病毒感染性的強(qiáng)弱，而不是病毒顆粒的數(shù)目.通常應(yīng)用Spearman-Karber或Reed-Muench公式計算得到TCID50值［39］.在進(jìn)行材料抗病毒性能比較時，一般用TCID50的對數(shù)值（lgTCID50）進(jìn)行比較，材料的抗病毒活性值（Mv）定義為作用前后lgTCID50的差值；也可以用抗病毒活性率（%）表示：對應(yīng)于抗病毒活性率99%，Mv=3則對應(yīng)于則抗病毒活性率99.9%.在ISO18184：紡織品抗病毒活性檢測中，將2.0≤Mv＜3.0的抗病毒效果定義為好，Mv＞3.0的抗病毒效果定義為極好［40］.

盡管TCID50測定長期以來作為病毒活性檢測和抑制驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在一些缺點(diǎn).一方面，并不是所有病毒都能在細(xì)胞培養(yǎng)中產(chǎn)生CPE，為了產(chǎn)生CPE，細(xì)胞系必須與病毒互相匹配；另一方面，CPE觀察受到觀察者的主觀因素影響較大，需要大量的平行樣本獲得相對準(zhǔn)確的統(tǒng)計結(jié)果.因此，傳統(tǒng)TCID50測定方法耗時長、成本高且容易受人為因素影響.

1.3.2 實(shí)時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)（qPCR）qPCR是一種可用于定量檢測病毒的分子方法，具有準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn).其過程可簡單概括為：從樣本中提取病毒的DNA或RNA，并根據(jù)目標(biāo)病毒選擇特定的引物和熒光探針，然后在實(shí)時PCR熱循環(huán)儀上建立反應(yīng)并進(jìn)行擴(kuò)增［41］.當(dāng)擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)束后，可得到循環(huán)閾值（Ct值），即每個反應(yīng)管內(nèi)的熒光信號到達(dá)設(shè)定閾值時所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù).每個模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對數(shù)值存在線性關(guān)系，成為定量的依據(jù).qPCR這一檢測方法特異性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、檢測速度快，但也有可能產(chǎn)生假陰性或假陽性，試劑盒污染等問題.

2 抗SARS-CoV-2病毒的無機(jī)表面材料

在當(dāng)今的全球社會中，病毒可以迅速和容易地跨越國界傳播，對全球民眾的健康和經(jīng)濟(jì)造成災(zāi)難性影響.由于病毒多樣的感染傳播方式，如通過接觸、污染物和氣溶膠傳播，沒有單一的辦法來防止病毒的傳播，使問題更加嚴(yán)重.病毒離開人體后，需要面臨人體外一系列復(fù)雜而動態(tài)的環(huán)境條件.因此，我們有很多機(jī)會利用各種材料設(shè)置障礙，在病毒粒子到達(dá)宿主并突破最終的生物和免疫防御之前，阻止它們并使其失活.其中，適當(dāng)?shù)膫€人防護(hù)設(shè)備（PPE）和公共場所（如學(xué)校、醫(yī)院或機(jī)場）的抗病毒表面對減少病毒傳播十分重要.病毒在材料表面的活性主要受四方面因素影響［42，43］（圖5）：（1）病毒本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如是否具有包膜等；（2）物理條件，如相對濕度、溫度、光照等；（3）表面的性質(zhì)，如孔隙度、粗糙度及親疏水性等；（4）化學(xué)物質(zhì)，如pH值、活性離子和抗病毒物質(zhì)的存在等.每種病毒都以其獨(dú)特的方式與材料表面進(jìn)行相互作用，因此，要得到有效的抗SARS-CoV-2病毒表面材料，可以加入對這幾種因素的考量，以達(dá)到最優(yōu)的抗病毒性能.

Fig.5 Surface properties influencing the persistence of viruses[43]

抗病毒物質(zhì)的存在對于病毒活性的抑制至關(guān)重要.要達(dá)到抗病毒的目的，需要抑制病毒生命周期中的任一或多個過程.許多無機(jī)材料可以通過抑制病毒生命周期中的某一或多個過程達(dá)到優(yōu)異的抗病毒活性，并且由于其廉價易制得，容易加工應(yīng)用在各種設(shè)施的表面（如公共交通、醫(yī)院及醫(yī)療設(shè)備）的特點(diǎn)，已被廣泛研究.下面將從金屬單質(zhì)及其衍生物、石墨烯及其衍生物、沸石這三大類無機(jī)材料出發(fā)，對它們抑制SARS-CoV-2的實(shí)際和潛在應(yīng)用進(jìn)行介紹.

2.1 金屬單質(zhì)及其衍生物

目前已發(fā)現(xiàn)有30多種金屬可能與微生物發(fā)生相互作用，包括銀、金、鉍、鈷、銅、鐵、汞、錳、鎳、鉛、鉑、銻、錫、鈦和鋅等［43］.隨著納米技術(shù)的發(fā)展，一系列基于金屬元素的納米粒子被開發(fā)出來.它們具有較大的比表面積，由此帶來了獨(dú)特的物理（如等離子體共振、熒光增強(qiáng)）和化學(xué)（如催化活性增強(qiáng)）特性，并且被應(yīng)用到對微生物的抑制過程中.但這些金屬的作用機(jī)制還沒有被了解清楚，往往認(rèn)為與一些病毒生存必需的過程受到影響有關(guān).金屬元素在病毒生命周期的一系列過程中發(fā)揮重要作用，主要包括3個方面：（1）與病毒顆粒接觸并抑制病毒與細(xì)胞的附著及進(jìn)入；（2）產(chǎn)生活性氧或其它自由基黏附在病毒的包膜上，從而破壞病毒核酸和蛋白質(zhì)的功能；（3）模擬細(xì)胞核，增加宿主細(xì)胞的免疫應(yīng)答，抑制病毒的出芽和擴(kuò)散［44，45］.近年來，金屬單質(zhì)及其衍生物已被廣泛用于各種抗病毒表面材料中，如銀、銅、鋅和鈦.

2.1.1 銀單質(zhì)及其衍生物 銀單質(zhì)及其衍生物具有優(yōu)秀的抗微生物性能，已被廣泛應(yīng)用于紡織品、醫(yī)療設(shè)備和傷口敷料中［46，47］.銀納米粒子（Ag NPs）可以與病毒包膜相互作用，從而抑制它們與宿主細(xì)胞的吸附和進(jìn)入.銀納米粒子的粒徑對其抗病毒活性有很大影響.Orlowski等［48］通過化學(xué)還原法合成了平均粒徑為33 nm的Ag NPs，這種Ag NPs可通過抑制病毒與宿主細(xì)胞的黏附而有效控制小鼠單純皰疹病毒2型（HSV-2）感染.Du等［49］制備了平均粒徑小于5 nm的Ag2S納米團(tuán)簇，并發(fā)現(xiàn)它們通過抑制RNA合成和病毒出芽來實(shí)現(xiàn)對豬流行性腹瀉病毒（PEDV）的抑制.

Tremiliosi等［50］證實(shí)，由銀納米粒子功能化的滌棉織物對SARS-CoV-2病毒具有抑制作用，在2 min的共孵育后，可實(shí)現(xiàn)99.99%的抑制率.此外，它還對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌等病原體有99.99%的抑制作用.Assis等［51］制備了二氧化硅-銀納米粒子-聚乙酸乙烯酯復(fù)合物，其可實(shí)現(xiàn)對SARS-CoV-2 2 min內(nèi)99.05%和10 min時99.85%的抑制率.在對機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化硅可以通過表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)銀納米粒子誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧（ROS）的能力，從而導(dǎo)致病毒的滅活.

2.1.2 銅單質(zhì)及其衍生物 銅單質(zhì)及其衍生物被用作抗病毒材料已有上百年的歷史［52，53］，它們的抗病毒機(jī)制可以總結(jié)為以下兩點(diǎn)：（1）與含硫醇基團(tuán)和氧位點(diǎn)的高度親和力使核酸和蛋白質(zhì)的構(gòu)象結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而喪失功能［54，55］；（2）Cu2+和Cu+之間的氧化還原循環(huán)可以催化高反應(yīng)性·OH的產(chǎn)生，從而破壞脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸和其它生物分子［56，57］.

銅單質(zhì)對SARS-CoV-2的抑制作用最早由Doremalen等證實(shí)［31］，他們發(fā)現(xiàn)在銅表面上4 h后即檢測不到具有感染活性的SARS-CoV-2.Liu等［58］開發(fā)了一種含20%（分量分?jǐn)?shù)）銅的不銹鋼材料，其在3 h和6 h內(nèi)可降低SARS-CoV-2活性的99.75%和99.99%.并且，再一次證實(shí)了純銅對SARS-CoV-2的高抑制作用，僅3 h即可抑制99.99%的病毒，6 h后未檢測到活病毒.相對地，純銀和含銀的不銹鋼對SARS-CoV-2沒有明顯的抑制作用.Hosseini等［59］制備了一種抗SARS-CoV-2的多孔親水氧化銅（CuO）涂層，當(dāng)將其鍍到玻璃上時，與普通玻璃相比，SARS-CoV-2在30 min和1 h內(nèi)的傳染性分別降低了99.8%和99.9%.同時，他們在對抑制機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2與CuO的接觸是抑制感染的必要條件，而非CuO的溶出物，SARS-CoV-2與CuO的接觸失活可能是由靜電相互作用引起的.Behzadinasab等［60］則開發(fā)了一種由氧化亞銅（Cu2O）顆粒與聚氨酯結(jié)合的涂層，將其鍍膜至玻璃或不銹鋼上1 h后，與未鍍膜樣品相比，病毒滴度平均降低約99.9%.并且這種涂層具有較好的耐受性，在浸入水中13 d或經(jīng)歷暴露于病毒和消毒的多個周期后仍保持完好和活性.Hewawaduge等［61］設(shè)計了一種含硫化銅（CuS）的三層口罩（圖6），在30 min內(nèi)能夠有效殺滅SARS-CoV-2；1 h后病毒幾乎完全被殺滅.并且，CuS對SARS-CoV-2的抗病毒活性來源于固態(tài)CuS，而不是溶解CuSO4衍生的Cu2+離子形式.

Fig.6 CuS-impregnated three-layer mask with inactivating effect on SARS-CoV-2[61]

2.1.3 鋅單質(zhì)及其衍生物鋅單質(zhì)及其衍生物對多種病毒的抑制作用已被證實(shí)，包括人類鼻病毒（HRV）［62，63］，單純皰疹病毒（HSV）［64］.人體免疫缺陷病毒（HIV）［65］.丙型肝炎病毒（HCV）［66，67］和流感病毒（H1N1）［68，69］等，并對其抑制作用的機(jī)制進(jìn)行了研究.對于小核糖核酸病毒，它們的蛋白酶普遍對Zn2+較敏感，進(jìn)而會使得病毒的多蛋白加工過程受到影響［62，70］.此外，Te Velthuis等［71］發(fā)現(xiàn)Zn2+可以抑制SARS-CoV和馬動脈炎病毒（EAV）的RNA聚合酶活性，從而抑制病毒RNA的復(fù)制.Wei等［72］證實(shí)鋅鹽對傳染性胃腸炎病毒（TGEV）的抑制作用來源于影響病毒與受體細(xì)胞的融合、病毒在細(xì)胞內(nèi)的生命周期以及新病毒的釋放，而對病毒與受體細(xì)胞的結(jié)合并沒有影響.

Hosseini等［73］用氧化鋅顆粒制成了抗微生物涂層，其可在1 h內(nèi)將SARS-CoV-2懸液的傳染性降低99.9%，且這種涂層可應(yīng)用于各種物體（如扶手和門把手）上，以阻止COVID-19的傳播.Gopal等［74］發(fā)現(xiàn)，含有Zn2+的聚酰胺6.6（PA66）纖維在1 h內(nèi)對H1N1和SARS-CoV-2抑制率能達(dá)到99%，并且在50次以上的標(biāo)準(zhǔn)洗滌中，Zn2+含量和對病毒的抑制性能均保持穩(wěn)定.

2.1.4 鈦單質(zhì)及其衍生物 以二氧化鈦（TiO2）為代表的鈦類衍生物具有卓越的捕光能力，可以產(chǎn)生電子空穴對和ROS，如對微生物有害的超氧自由基（·O2-）和羥基自由基（·OH）［75，76］，從而破壞病毒蛋白質(zhì)和核酸的正常功能，影響病毒正常的生命周期.Tong等［77］研究了在低照射條件（375 nm，0.4 mW/cm2）下納米TiO2對多種病毒的影響，證實(shí)了光活化的TiO2能有效抑制包括SARS-CoV-2及丙型肝炎病毒（HCV）在內(nèi)的共7種病毒.對HCV的抑制機(jī)理研究表明，光誘導(dǎo)的·OH在病毒失活中起主要作用，并且光誘導(dǎo)的自由基并不降低病毒粒子的結(jié)構(gòu)成分水平，而是損害病毒基因組的功能，從而導(dǎo)致病毒失活.Li等［78］將酯化、氮摻雜的TiO（2N-TiO2）和TiO2混合物沉積于由聚乙烯醇（PVA）、聚環(huán)氧乙烷（PEO）和纖維素納米纖維（CNF）靜電紡絲得到的織物上，制得了一種可重復(fù)使用、可生物降解、抗菌的口罩，這種N-TiO2/TiO2沉積口罩具有優(yōu)良的抗菌和光催化再生性能，其在自然太陽光下照射10 min后即可達(dá)到對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌100%的抑制率，使用后的口罩可在光照下進(jìn)行消毒以供重復(fù)使用，從而解決口罩短缺、口罩重復(fù)使用和廢棄口罩處理方面的問題.

2.2 石墨烯及其衍生物

石墨烯及其衍生物對細(xì)菌和病毒具有很強(qiáng)的親和力，對多種病原體均表現(xiàn)出顯著的抑制作用［79～82］.針對其微生物抑制機(jī)制有兩種解釋：（1）石墨烯材料能夠通過與特定抗體或配體的相互作用［83］、靜電相互作用［84，85］、誘捕或包裹［86～88］來捕獲病原體；（2）石墨烯薄片可以通過疏水［89～91］或機(jī)械相互作用［92，93］破壞病原體.一般認(rèn)為，基于石墨烯的材料主要通過“結(jié)合和包裹機(jī)制”對病毒具有活性，因此可抑制病毒與宿主細(xì)胞吸附這一過程，也說明石墨烯在病毒與宿主細(xì)胞的相互作用過程中僅起到暫時抑制的作用，病毒仍是可以逃脫抑制的.de Maio等［94］研究了溶液中氧化石墨烯結(jié)合和誘捕懸浮SARS-CoV-2病毒顆粒的能力，發(fā)現(xiàn)離心作用后的病毒液感染性幾乎完全被抑制，而不離心時，病毒感染性沒有明顯下降，因此確定氧化石墨烯是通過將病毒包裹在顆粒中導(dǎo)致沉淀.進(jìn)一步地，他們發(fā)現(xiàn)與石墨烯/氧化石墨烯功能化的棉或聚氨酯共孵育2 h后，SARS-CoV-2的感染滴度降低了99%.Goswami等［95］將功能化石墨烯通過浸涂方法用于聚丙烯（PP）布上，實(shí)現(xiàn)了對SARS-CoV-2傳播的完全阻斷.Zhong等［96］采用雙模激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移法將石墨烯沉積在無紡布口罩上，賦予口罩表面超疏水的特性，從而減少對帶病毒的液滴吸附.并且，在陽光照射下，這種口罩表面溫度可迅速升高至80℃以上，使口罩經(jīng)過陽光消毒后可重復(fù)使用.Shan等［97］開發(fā)了一種電熱石墨烯口罩（圖7），其包含柔性導(dǎo)電電極和具有高導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率的石墨烯薄膜，與光熱石墨烯口罩相比，可以在不考慮天氣的情況下，在3 V電壓下快速升溫至80℃以上.然而，上述基于石墨烯的口罩的光熱性能可能無法由使用者控制或調(diào)節(jié)，因此在佩戴時存在口罩溫度過高的風(fēng)險.

Fig.7 Reusable self-sterilization masks based on electrothermal graphene filters[97]

2.3 沸 石

沸石是一種具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽晶體，由［SiO4］和［AlO4］四面體通過共享頂點(diǎn)氧原子構(gòu)成的陰離子骨架結(jié)構(gòu)需要由額外的陽離子平衡，其化學(xué)通式可表示為Mn/m（SiO2）（AlO2）n·xH2O（M為陽離子，價態(tài)為m）.一般認(rèn)為，沸石可通過靜電作用非特異性地吸附病毒，從而抑制病毒與宿主細(xì)胞的吸附.Grce等［98］發(fā)現(xiàn)天然斜發(fā)沸石對病毒具有一定的抑制作用.他們選取了人腺病毒5型、單純皰疹病毒1型（HSV-1）和人腸道病毒（柯薩奇病毒B5和?？刹《?）作為研究對象，發(fā)現(xiàn)沸石對病毒的抑制作用與沸石濃度及病毒的種類和濃度有關(guān).當(dāng)沸石濃度達(dá)到50 mg/mL時，可對病毒增殖達(dá)到最高的抑制作用，這可以由沸石通過吸附病毒達(dá)到抑制病毒與宿主細(xì)胞吸附的作用機(jī)制來解釋.但研究同時發(fā)現(xiàn)，沸石對HSV-1、柯薩奇病毒B5和?？刹《?的抑制作用優(yōu)于腺病毒5，這一結(jié)果無法用沸石對病毒的抑制作用僅來源于非特異性吸附作用來解釋.

由于純沸石對微生物的抑制作用并不理想，研究者們開始利用具有明確抗微生物作用的金屬離子與沸石孔道及籠中的陽離子進(jìn)行交換，從而賦予沸石優(yōu)異的抗微生物特性.已有許多文獻(xiàn)報道交換了Ag+，Zn2+，Cu2+等陽離子的沸石具有優(yōu)異的抗微生物效果［99～101］.Bright等［102］用不同金屬離子交換的沸石粉末懸浮液分別孵育人體冠狀病毒229E（HCoV-229E）和貓傳染性腹膜炎病毒（FIPV），發(fā)現(xiàn)在3.5%Ag/6.5%Cu，20%Ag和0.6%Ag/14%Zn/80%ZnO 3個實(shí)驗(yàn)組中，3.5%Ag/6.5%Cu對病毒的抑制效率最高，1 h內(nèi)就能使病毒活性顯著降低.作者進(jìn)一步用3.5%Ag/6.5%Cu沸石-塑料孵育人體冠狀病毒229E和貓杯狀病毒株F-9，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加了沸石的塑料相較于未加沸石的塑料對病毒的抑制效果有明顯提升.Imai等［103］先在紡織物（100%棉）上化學(xué)合成A沸石，再以銅離子進(jìn)行交換（0.5 g/m2），以此銅沸石織物測試對禽流感病毒H5亞型中高、低致病性H5N1和H5N3的抑制作用，發(fā)現(xiàn)即使在短時間內(nèi)將材料與病毒液共孵育，病毒活性也得到了有效抑制.對于這一銅沸石織物的抗病毒性能，作者解釋為病毒結(jié)構(gòu)被銅離子快速、高度地破壞.

一般認(rèn)為，與游離的金屬離子相比，在沸石孔道及籠中的金屬離子在實(shí)際應(yīng)用中意義更加重大.一方面，游離的金屬離子容易氧化，而在沸石孔道及籠中的金屬離子更加穩(wěn)定，從而可保持長時間的抗微生物活性［104］；另一方面，沸石孔道及籠中的金屬離子濃度遠(yuǎn)高于一般的金屬離子溶液，沸石表面高濃度的金屬離子可以保證高效的抗微生物活性，同時，沸石骨架對金屬離子的可控性釋放可以保證較低的人體毒性和環(huán)境危害.

SARS-CoV-2的受體結(jié)合域RBD等電點(diǎn)為8.9，因此，沸石的負(fù)電表面可以與RBD發(fā)生靜電相互作用.進(jìn)一步地，進(jìn)行離子交換后的沸石孔道中富集的金屬離子可以與病毒發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致病毒活性的喪失.因此，金屬離子交換的沸石在SARS-CoV-2的抑制方面具有潛在應(yīng)用價值.

表1 總結(jié)了目前文獻(xiàn)報道的明確具有抗SARS-CoV-2病毒效果的無機(jī)表面材料[31,51,58―61,73,74,94,105―109].Table 1 Summary of literature on inorganic surface with anti-SARS-CoV-2 properties with reported mechanism of action and persistence

3 總結(jié)與展望

新冠肺炎疫情的突然爆發(fā)讓具有抗病毒特性的無機(jī)表面材料受到了關(guān)注.本文綜述了以金屬單質(zhì)及其衍生物、石墨烯及其衍生物、沸石為代表的3類無機(jī)表面材料在抗病毒應(yīng)用中的表現(xiàn)及相關(guān)作用機(jī)制.對于金屬單質(zhì)及其衍生物，它們應(yīng)用較為廣泛，既可以制成合金或者通過鍍膜、涂層技術(shù)應(yīng)用于公共場所和醫(yī)療設(shè)備中，也可以直接添加到紡織物中、通過紡絲技術(shù)制成敷料或者口罩進(jìn)行利用.同時它們具有廣譜性的抗病毒效果，并且不易產(chǎn)生耐藥性.但含金屬材料要達(dá)到高效的抑制率往往需要較長的作用時間，難以達(dá)到日常防護(hù)的需求.對于石墨烯及其衍生物類材料，它們通常是以浸漬或沉積的方式負(fù)載于紡織物上，以口罩的形式進(jìn)行使用.石墨烯及其衍生物通過光致升溫達(dá)到對病毒的高效滅活，但它們的光熱性能可能無法由使用者控制或調(diào)節(jié)，因此在使用過程中存在溫度過高的風(fēng)險.對于金屬離子交換后的沸石，盡管已被證實(shí)對多種病毒具有抑制效果，但它們往往是通過浸漬的方式負(fù)載于紡織物或者是涂覆于不同表面上，這個過程中使用的黏合劑不僅堵塞沸石孔道，不利于抗病毒性能的發(fā)揮，并且通過黏合劑固定的沸石仍然面臨著較大的脫落風(fēng)險.

在大量抗病毒材料的研發(fā)過程中，還有許多問題需要引起重視.首先，既需要保證材料具有高的抑制率，又要考慮材料對人體健康和環(huán)境的安全性等.其次，應(yīng)降低抗病毒材料的制備難度及生產(chǎn)成本，從而保證后續(xù)材料的大規(guī)模生產(chǎn)是可行的，使其真正地應(yīng)用到人們的日常生活中，而不僅限于實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)階段.同時，盡管已有較多文獻(xiàn)探究病毒在不同表面材料上活性的變化情況，但測試過程及方法缺乏規(guī)范性，這也導(dǎo)致難以對不同類型材料進(jìn)行系統(tǒng)研究及比較.目前已有多項標(biāo)準(zhǔn)用于檢測、評估對病毒的殺滅活性，例如針對紡織物抗病毒活性檢測的ISO18184、針對塑料及其它無孔表面抗病毒活性檢測的ISO21702等等，但在文獻(xiàn)中還缺少應(yīng)用.最后，還需要拓深對材料與病毒相互作用的認(rèn)識，明確抑制機(jī)制，從而指導(dǎo)今后抗病毒材料的設(shè)計.

銅是最簡單、有效的抗病毒材料之一，并且它對SARS-CoV-2的抑制作用已經(jīng)被多方面證實(shí).但它的缺陷也是顯而易見的，要達(dá)到較高的抑制率（99%），往往需要30 min及以上的時間，而人們每不到3 min就會下意識地觸摸自己的臉部［110］，這一過程就可能會導(dǎo)致病毒從物體表面轉(zhuǎn)移到皮膚黏膜上，因此銅發(fā)揮抑制作用所需的長時間限制了它的應(yīng)用.同樣地，沸石也已被應(yīng)用于抗病毒材料的設(shè)計中，但主要問題同樣是效果不佳，這可能歸因于其抗病毒效果來源于非特異性吸附.基于沸石優(yōu)異的離子交換特性，可通過離子交換得到不同交換度的銅基沸石.已有研究將銅基沸石應(yīng)用于抗病毒材料中，但尚未針對SARS-CoV-2進(jìn)行抑制作用的探究，銅基沸石對SARS-CoV-2的潛在抑制作用值得進(jìn)行探索.SARS-CoV-2要感染宿主細(xì)胞，首先需要病毒顆粒表面刺突蛋白所包含的受體結(jié)合域RBD與宿主細(xì)胞上的ACE2受體進(jìn)行識別與結(jié)合.在RBD與ACE2識別、結(jié)合的過程中，銅基沸石是否能發(fā)揮作用，從而影響到RBD-ACE2的結(jié)合，這可以作為一個切入點(diǎn)進(jìn)行探究.同時在抗病毒作用的發(fā)揮中，沸石是僅作為銅離子的載體，還是通過其本身特性（包括負(fù)電表面、多孔性等）與銅離子共同發(fā)揮協(xié)同作用，仍值得深入研究.