一、納米銀抗菌劑的載體

本文分析了2000-2021年納米銀抗菌劑相關(guān)專利。從事納米銀載體研究的主要有鄭州大學(xué)、華東理工大學(xué)等高校,舟山明日納米材料有限公司等一些企業(yè)。納米銀抗菌材料的制備主要包括抗菌載體的合成和納米級銀離子抗菌粉體的制備兩個階段。圖1為2000-2016年的納米銀載體專利。有些載體除了具有負(fù)載功能外,本身還具有殺菌、光催化等作用。專利報道的納米銀載體主要包括無機(jī)載體、有機(jī)載體和新型載體。

2000-2016年專利報道的納米銀載體材料

二、無機(jī)載體

納米銀無機(jī)載體種類眾多,包括硅氧化物(二氧化硅)、磷酸鋯、羥基磷酸鋯、沸石系類、凹凸棒石、埃洛石納米管、硅膠、碳納米管、蒙脫土、膨潤土、高嶺土、粉煤灰、石英、石墨烯等。下面主要以沸石和磷酸鋯載體介紹納米銀無機(jī)載體的發(fā)展進(jìn)程。

1. 沸石

沸石,又名分子篩,是一種堿金屬或堿土金屬的結(jié)晶型硅鋁酸鹽,其結(jié)構(gòu)為硅氧四面體和鋁氧四面體共用氧原子而構(gòu)成的三維骨架結(jié)構(gòu),具有較大的比表面積。由于骨架中的鋁氧四面體電價不平衡,為達(dá)到靜電平衡,結(jié)構(gòu)中必須結(jié)合鈉、鈣等金屬陽離子。而此類陽離子可以被其他陽離子所交換,從而使沸石具有很強(qiáng)的陽離子交換能力。沸石作為納米銀的載體,具有良好的負(fù)載功能和緩釋功能,這使得沸石作為載體的納米銀抗菌劑具有良好的抗菌壽命。載銀沸石抗菌劑的抗菌能力隨著離子交換量的增加,即隨載銀量的增加而提高。離子交換過程有瞬時性,如果溶液中交換離子的濃度過大則會在表面沉積銀顆粒堵塞沸石的孔道,影響沸石的抗菌性能和表觀性能。

2003年,專利CN1391813A將沸石作為納米載體,其公開了將研磨的礦物質(zhì)沸石粉產(chǎn)物粒度達(dá)到2μm,含量大于總沸石粉的90%以上。然后加入硝酸銀溶液,再加入添加劑使固液分離。將固體物質(zhì)烘干制得納米組裝無機(jī)抗菌劑。隨后,人們認(rèn)識到上述方法制備的沸石納米銀抗菌劑在實際應(yīng)用制作抗菌陶瓷時,抗菌性能大大降低。專利CN1685830A克服上述缺陷,通過改變沸石粉的粒徑,使其在應(yīng)用時具有更好的抗菌效果。人們發(fā)現(xiàn)納米級沸石可以很好地解決銀變色問題。之后,在專利CN101167451A中發(fā)現(xiàn)了硅鋁比低的沸石分子篩作為納米銀載體,能加強(qiáng)其抗菌效果。

2. 磷酸鋯

磷酸鋯是常用的納米銀載體之一,其載銀能很好地滿足抗菌性能、耐熱性、耐久性和安全性、耐高溫的要求,缺點是銀負(fù)載量小。專利CN1383723A公開了采用納米級磷酸鋯作為銀的載體。專利CN102239887A 公開了用超濾膜除去合成磷酸鋯過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物無機(jī)鹽,以使磷酸鋯載體不需要經(jīng)過高溫煅燒就可以直接用于吸附、置換銀離子。隨著研究的深入,專利CN105532731A發(fā)現(xiàn)用殼聚糖對磷酸鋯進(jìn)行輻射交聯(lián)改性,制得改性磷酸鋯載體,最后渦旋負(fù)載銀離子后,能夠激化銀的抗菌性能；另外,殼聚糖具有良好的緩釋性能,其的加入解決了銀離子極易團(tuán)聚、釋放過快的問題,此種載體納米銀具有廣闊的應(yīng)用前景。

2010年后,對納米銀載體的研究主要集中于對一些已知材料的改性和新載體的發(fā)現(xiàn)方面。如專利CN103461382A發(fā)現(xiàn)改性的蒙脫土載銀具有較好的效果。專利CN101999411A、CN103843822A、CN105498698A發(fā)現(xiàn)了埃洛石納米管、碳納米管、石墨烯能夠作為納米銀的載體,且具有較好的抗菌效果。從目前抗菌劑的研究以及應(yīng)用現(xiàn)狀來看,具有綠色安全、性能穩(wěn)定、抗菌持久的納米載銀無機(jī)抗菌劑將是今后研究的主流方向。

三、有機(jī)載體

納米銀有機(jī)載體種類多,如天然多孔植物、藻類、通草、蜂膠、殼聚糖、聚酰胺、蛋白、淀粉、貝殼粉、木素、纖維素、聚合物核殼結(jié)構(gòu)、聚合物微膠囊等。有機(jī)載體為聚合物載體,一般分為天然高分子物質(zhì)和合成高分子物質(zhì),具有緩釋藥物,減少飄移,提高藥物穩(wěn)定性等作用。21世紀(jì)初,其技術(shù)普遍比較落后,朱紅軍在專利CN1322474A中公開了采用天然多孔植物材料的纖維吸附銀,制備的銀微粉具有極強(qiáng)的抗菌能力和廣譜抗菌性,遇水殺菌力更強(qiáng),無毒性、刺激性、過敏性和耐藥性。隨后,鄭江龍的專利CN1498536A具體發(fā)現(xiàn)了一種天然多孔植物莖髓載體負(fù)載納米銀,有效地提高了載附在載體上的納米銀粒子的穩(wěn)定性。專利CN1600104A、CN166943A發(fā)現(xiàn)通草和蜂膠也能作為納米銀的載體。

專利EP1753293A2發(fā)現(xiàn)銀納米顆?？捎媒浀闹参锝M織細(xì)胞的水溶液生物學(xué)穩(wěn)定化,這是一種綠色的生物穩(wěn)定化途徑。然而上述物質(zhì)雖然環(huán)保,但是其材料不易得,工業(yè)應(yīng)用較難,可能會出現(xiàn)銀分布不均勻,載銀量不高的情況。因此,研究者把目光放在了材料易得的高分子化學(xué)物質(zhì)上,從2005年開始,就有研究者發(fā)現(xiàn)銀負(fù)載于微膠囊外殼效果較好。如寶力科萊株式會社的專利US2004247690A1公布的內(nèi)容。2010年以后,研究者更多地研究以高分子材料作為納米銀的載體,如多糖聚合物、殼聚糖、海藻酸鈉,其專利申請量也越來越多,市場需求也越來越大。

專利US2012171271A1、US5011602A講述采用聚氨酯載體和納米銀組合,其抗菌效果好。南開大學(xué)的專利CN102165960A公開了一種聚合物乳膠粒子為納米銀的載體,其制備成本低,生產(chǎn)過程簡單,銀納米粒子不易團(tuán)聚,可長期穩(wěn)定存在,乳液不會變質(zhì),可長期保存。廈門大學(xué)的專利CN103315001A公開了納米銀負(fù)載于單分散聚合物納米球表面的抗菌復(fù)合材料的制備方法,其是通過無皂乳液法聚合的單分散聚(苯乙烯-丙烯酸)納米球作為聚合物基體,其銀離子負(fù)載均勻。但是,一些多糖聚合物載體在使用過程中存在易降解、不穩(wěn)定的問題。而西南大學(xué)的專利CN103749535A發(fā)現(xiàn)采用木素作為載體能夠解決上述問題,且所得物質(zhì)抗菌能力強(qiáng)。鄭州大學(xué)的專利CN103329893A公開了銀和富勒烯納米復(fù)合材料的制備,可有效避免納米銀顆粒之間的團(tuán)聚。

河北科技大學(xué)的專利CN105494430A公開了一種載銀低分子量殼聚糖復(fù)合微球抗菌劑及其制備方法,可使納米銀粒子進(jìn)入微球內(nèi)部,從而明顯提高復(fù)合抗菌劑的抗菌活性,所得抗菌劑具有廣譜的殺菌性,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有高的致死率。為了提高高分子材料載體的穩(wěn)定性,研究者把無機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與高分子通過合適的方式進(jìn)行復(fù)合,這類材料既具有無機(jī)組分較好的機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,同時又保持了高分子材料的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和環(huán)境敏感性能。如江蘇時空涂料有限公司的專利CN105532731A公開了一種緩釋型磷酸鋯載銀抗菌劑,其將殼聚糖引入磷酸鋯載銀抗菌劑中,解決了銀離子極易團(tuán)聚,銀釋放過快的問題。

四、新型載體

2017年之后,對納米銀農(nóng)藥載體的研究主要集中于安全環(huán)保、精準(zhǔn)控釋、更加穩(wěn)定等方面,研究者把更多目光放到天然高分子材料、兩親聚合物以及有機(jī)、無機(jī)載體復(fù)合材料上,如竹炭、蛋白質(zhì)、金屬有機(jī)框架等,這些載體性質(zhì)穩(wěn)定,環(huán)保高效,且能夠精準(zhǔn)釋放。華南理工大學(xué)的專利CN109676149A公開了一種綠色合成核殼結(jié)構(gòu)的小麥醇溶蛋白/納米銀顆粒,解決了現(xiàn)有方法生產(chǎn)的銀納米材料容易聚集和氧化的問題,所制得的物質(zhì)具有良好的分散性和穩(wěn)定性,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有很好的殺菌作用?，F(xiàn)主要介紹2種新型載體。

1. 金屬有機(jī)框架

金屬有機(jī)框架(MOFs)是以金屬離子為連接點,有機(jī)配體為支撐構(gòu)成的多孔材料,具有良好的結(jié)構(gòu)可裁剪、巨大的比表面積及多種多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將銀納米顆粒負(fù)載于MOFs上可以有效避免其團(tuán)聚,高效發(fā)揮其抗菌性能。用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,其金屬離子還能作為營養(yǎng)元素利于植物生長。金屬有機(jī)框架作為納米銀載體的專利申請主要集中在2018年以后,主要申請人為大學(xué),如廈門大學(xué)、太原理工大學(xué)、浙江大學(xué)等。太原理工大學(xué)的專利CN109820000A 公開了一種MOFs載納米銀抗菌材料,將10nm以下的納米銀顆粒附載于MOFs的表面、骨架及孔道中,避免納米銀的團(tuán)聚,實現(xiàn)高效抗菌作用。上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司的專利CN111109293A公開了ZIF-8金屬有機(jī)框架(MOFs)負(fù)載銀,提高了復(fù)核材料的銀載帶效率,實現(xiàn)高效抗菌作用。采用PVP弱還原性原位生長的納米銀均勻分散在ZIF-8的表面、骨架和孔隙中,避免了納米級銀顆粒的自發(fā)團(tuán)聚。廈門大學(xué)的專利CN113712045A公開基于金屬有機(jī)框架的銀納米顆粒復(fù)合抗菌劑,衢州學(xué)院的專利CN111296480A公開了以鐵基金屬-有機(jī)框架材料為載體,可以避免銀納米顆粒與外界的直接接觸,防止銀納米顆粒被污染；并且可以減少銀納米顆粒自身之間的團(tuán)聚,大幅增加抗菌效果。由于體系內(nèi)外銀納米顆粒的濃度差,銀納米顆?？梢跃徛掷m(xù)從孔道釋放至外界,因此該裝載銀納米顆粒的鐵基金屬-有機(jī)框架材料具有銀納米顆粒緩釋功能,可以增長抗菌時間。MOFs是具有很大應(yīng)用前景的納米載體,值得持續(xù)關(guān)注。

2. 生物炭

生物炭是以生物質(zhì)作為碳源,具有高比表面積、多孔性、吸附能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,生物質(zhì)竹炭具有負(fù)離子穿透和吸附等特性,良好殺菌抑菌效果。將生物質(zhì)竹炭和納米銀結(jié)合,可以具有更好的抗菌效果。將竹炭作為納米銀的載體,較早申請專利的申請人是中國計量大學(xué),申請日為2015年6月22日,授權(quán)日為2018年4月3日,公開號為CN104861388A,其公開了一種銀和竹炭復(fù)合材料的制備方法,成功制備出了具有較大比表面積和優(yōu)異抗菌性能的銀和竹炭復(fù)合材料。

同濟(jì)大學(xué)的專利CN106925216A 公開了載銀TiO2改性竹炭材料,兼具有竹炭的多孔吸附功能和載銀納米TiO2的可見光催化殺菌功能,兩者能夠協(xié)同作用,優(yōu)勢互補(bǔ),使得復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸附調(diào)濕及光催化殺菌效果等。工谷環(huán)?？萍加邢薰镜膶＠鸆N113080203A、CN113115791A公開了竹炭作為抗菌劑納米銀的載體,可以減少納米銀流失,從而具有持久的抗菌活性,同時結(jié)合納米銀粒子和竹炭雙重的殺菌功效,對金黃色葡萄鏈球菌等細(xì)菌的抑菌效果大大增強(qiáng)。而采用季銨鹽對竹炭進(jìn)行改性后,能夠增加銀等活性成分的負(fù)載量,提高其殺菌性能。

五、結(jié)語與展望

納米銀具有安全、殺菌能力強(qiáng)等優(yōu)點。已研究開發(fā)了各類銀系抗菌劑和銀系復(fù)合抗菌材料,所用載體形式多樣,載體材料易得,價格低廉,安全環(huán)保。精準(zhǔn)控釋載體則是今后研究的重點。相信隨著納米銀載藥研究的進(jìn)一步深入,定會發(fā)現(xiàn)更多納米銀載體,由此制備出更安全、高效、經(jīng)濟(jì)的納米銀抗菌劑,應(yīng)用于更廣闊領(lǐng)域。