纳米氧化锌抗菌性能及在复合材料的研究分析

纳米氧化锌抗菌性能及在复合材料的研究分析

【摘要】因具有优良的抗菌性能、生物相容性、抗肿瘤等特性，纳米氧化锌（VK-J30）已成为目前组织工程材料研究的新热点。本文对现有纳米氧化锌（VK-J30）抗菌性相关研究成果进行了总结、归纳和分析，深入探讨了纳米氧化锌的抗菌机制，并介绍了当前最新研制出的纳米氧化锌复合材料的抗菌特性及其优点，进一步对纳米氧化锌的未来应用进行了展望。

 关键词：纳米氧化锌（VK-J30）；纳米粒；抗菌机制；复合材料

纳米氧化锌（VK-J30）抗菌性能及其机制

1.1 锌离子的游离

锌离子对生物体内蛋白质代谢起着重要调节作用，如参与辅酶、酶、DNA结合蛋白等的构成，但高浓度的锌离子会破坏菌体的内环境，继而破坏细菌结构。氧化锌在水介质中电解能释放出锌离子，游离的锌离子吸附到细菌细胞壁表面，使细菌细胞壁受损，破坏细胞的固有形态；此外纳米氧化锌颗粒亦可通过直接与细胞膜的磷脂双分子层接触而导致细胞死亡，破坏细胞膜的完整性，增加纳米粒子进入的可能性，并且最终导致细胞死亡而达到抗菌的作用，另外氧化锌抗菌的特色在于杀灭细菌后，锌离子可以从细胞中游离出来，不断重复上述过程。

1.2 纳米氧化锌粒子（VK-J30）与细菌的相互作用力

当粒子达到纳米级时，粒子的物理性质发生改变，具有很高的表面活性和较大的比表面积，与细菌表面作用力增强，容易与细菌表面发生相互作用，且纳米粒子直径越小则相互作用越强，纳米氧化锌的抗菌性也可能归因于纳米氧化锌（VK-J30）粒子与细菌表面的相互作用。有学者观察到，具有小微晶尺寸的氧化锌纳米颗粒对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性强于大微晶尺寸氧化锌颗粒，同时还观测到小微晶尺寸的氧化锌纳米颗粒释放的锌离子量远高于大微晶尺寸氧化锌颗粒，因而氧化锌纳米颗粒具有更强的杀菌能力。此外由于金属氧化物在水中带正电荷可与细菌表面带负电荷的基团结合，静电作用加强了金属氧化物与细菌之间的相互作用力。

1.3 氧化锌产生的活性氧

纳米氧化锌（VK-J30）的另一种抗菌机制可能与活性氧相关，活性氧可破坏细菌细胞的完整性，从而抑制细菌的生长。氧化锌是一种宽禁带半导体氧化物，当照射光的光子能量等于或大于氧化锌禁带宽度能量时，处于价带上的电子就会激发跃迁到导带上，它能导致形成正电价带(空穴)和带负电的自由电子带。在氧化锌纳米颗粒的表面上，空穴与羟基反应并吸收水以产生羟基自由基；在氧气存在下，导带中的孤电子产生超氧离子、羟基自由基，而这些超氧离子和羟基自由基即为活性氧。活性氧及其衍生物会破坏细菌细胞，产生溶菌作用或促进纳米粒子在菌体内聚集并最终导致细菌死亡。有学者添加自由基清除剂甘露醇、维生素E、谷胱甘肽，阻断了氧化锌纳米颗粒的杀菌作用，揭示了活性氧的产生在氧化锌纳米颗粒的抗菌性能中可能发挥了必要作用。

纳米氧化锌（VK-J30）复合材料

2.1 氧化锌/羧化氧化石墨烯纳米复合材料

石墨烯是碳的同素异形体，也是一种应用于生物医学的优质纳米材料，因具有优良的机械性能和电化学性能[被广泛用于骨组织工程中，作为植入物的表面改性涂层或支架材料中的关键掺杂剂，以增强生物相容性材料的生物惰性，提高支架的机械阻力。除了上述应用，石墨烯由于具有巨大的比表面积和非定域化的π电子，还可以结合药物分子，因此有潜力成为药物运输载体，改善小分子药物的体内动力学。此外，石墨烯片可以作为纳米金属的基材颗粒和溶解金属离子的储存位点，从而防止金属颗粒聚集，降低其金属颗粒的毒性使其能持续释放。氧化锌/羧化氧化石墨烯纳米复合材料基于这些特性被成功研发。氧化锌/羧化氧化石墨烯对抗变形链球菌有显著作用，细菌在上述复合材料上播种后，经历了明显的形态学变化，呈现球状并出现膜的分解。与对照组羧化氧化石墨烯相比，氧化锌/羧化氧化石墨烯纳米复合材料样品周围明显可见形成抑制区。羧化氧化石墨烯纳米复合材料抗菌效果可能与氧化石墨烯纳米粒和氧化锌纳米颗粒的协同作用有关。锌是人体微量元素，适当浓度的锌离子可以促进细胞增殖和分化，高浓度锌离子可以引起细胞毒性反应，氧化锌/羧化氧化石墨烯纳米复合物以一种缓慢而持续的方式释放锌离子，而不像纳米氧化锌独自存在的情况下产生爆炸样释放效应，从而使氧化锌/羧化氧化石墨烯纳米复合材料在较长时间内缓慢释放锌离子达到一个合适的浓度，复合物中释放的适当的局部高浓度的锌离子有利于细菌死亡。

2.2 氧化锌/聚乙烯醇纳米复合材料

聚乙烯醇因具有良好的生物相容性、生物活性、机械性能和超强的吸水能力被广泛应用于生物组织工程领域，例如药物载体、仿生软骨和人工皮肤、伤口敷料以及组织细胞的培养等。抗静电纺丝技术是让带电的高分子溶液或熔体在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却固化而得到纤维状物质的一种技术]。有学者通过静电纺丝技术制备氧化锌/聚乙烯醇纳米纤维，从而将氧化锌纳米粒和聚乙烯醇纳米纤维有效结合起来，它综合了纳米氧化锌（VK-J30）抑菌作用较强、安全等特点和聚乙烯醇纳米纤维生物相容性好、生物作用安全等优点，为创面治疗提供了有利条件。抑菌实验表明，氧化锌/聚乙烯醇纳米纤维可明显抑制细胞的黏附作用，对金黄色葡萄球菌有明显的抑菌效果。此外研究显示氧化锌/聚乙烯醇纳米复合膜对革兰阳性菌金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌效果都明显优于革兰阴性菌大肠杆菌，这可能与前2类微生物细胞表面的静电荷有关；同时该研究者还观察到纳米纤维组有明显促进创面组织胶原纤维、毛囊结构和表皮形成的作用，与聚乙烯醇纳米纤维组、创可贴组、纱布组相比，氧化锌/聚乙烯醇纳米复合膜组大鼠的伤口愈合时间明显缩短。

2.3 纳米氧化锌VK-J30纺织抗菌/涂料油漆/陶瓷等纳米复合材料

展望：

纳米氧化锌VK-J30是一种多功能性的新型无机材料，其颗粒大小约在30-50纳米。由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医y等许多领域有重要的应用价值，具有普通氧化锌所无法比拟的特殊性和用途。纳米氧化锌VK-J30在纺织、化妆品、涂料等领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优异的作用。