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(jí)銀離子抗菌粉體的制備兩個(gè)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(bào)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(bào)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(jià)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(shí)性,如果溶液中交換離子的濃度過大則會(huì)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(shí)到上述方法制備的沸石納米銀抗菌劑在實(shí)際應(yīng)用制作抗菌陶瓷時(shí),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(shí)具有更好的抗菌效果。人們發(fā)現(xiàn)納米級(jí)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(diǎn)是銀負(fù)載量小。專利CN1383723A公開了采用納米級(jí)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(duì)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(duì)納米銀載體的研究主要集中于對(duì)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(huì)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(huì)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(qǐng)量也越來越多,市場(chǎng)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(huì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(diǎn),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(qǐng)主要集中在2018年以后,主要申請(qǐng)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(shí)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(shí)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(jí)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(shí)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(diǎn),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(qǐng)專利的申請(qǐng)人是中國計(jì)量大學(xué),申請(qǐng)日為2015年6月22日,授權(quán)日為2018年4月3日,公開號(hào)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(shì)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)保科技有限公司的專利CN113080203A、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(shí)結(jié)合納米銀粒子和竹炭雙重的殺菌功效,對(duì)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(duì)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(diǎn)。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(jià)格低廉,安全環(huán)保。精準(zhǔn)控釋載體則是今后研究的重點(diǎn)。相信隨著納米銀載藥研究的進(jìn)一步深入,定會(huì)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。