纳米氧化锌抗菌性能及机制的研究进展况慧娟ꎬ杨㊀林ꎬ许恒毅ꎬ张婉怡(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室ꎬ江西南昌330047)㊀㊀摘要:纳米氧化锌因具有优良的抗菌性能ꎬ已成为目前抗菌材料研究的新热点ꎮ本文对现有相关研究成果进行了总结㊁归纳和分析ꎬ详细介绍了纳米氧化锌的强抗菌性能ꎬ并介绍了粒径大小㊁浓度㊁与细菌作用时间㊁细菌的类型及外界条件等因素对其抗菌性能的影响ꎬ深入探讨了纳米氧化锌的抗菌机制ꎬ主要包括锌离子的释放㊁与细菌表面的相互作用㊁活性氧及光催化机制ꎬ进一步对纳米氧化锌在今后研究中的抗菌机制和安全性研究及其应用范围等方面进行了综述ꎮ关键词:抗菌药ꎻ纳米结构ꎻ氧化锌ꎻ药理作用中图分类号:R979.7ꎬTB383㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000 ̄3002(2015)01 ̄0153 ̄05㊀㊀DOI:10.3867/j.issn.1000 ̄3002.2015.01.024㊀㊀据世界卫生组织报告ꎬ目前70%~90%的致痢疾(志贺菌属)㊁肺炎(肺炎链球菌)㊁淋病和医院感染(金黄色葡萄球菌等)流行菌株对第一代抗生素耐药[1]ꎬ极大地影响了疾病治疗ꎬ威胁到人类的健康和生命安全ꎮ在众多纳米材料抗菌剂中ꎬ纳米氧化锌对大肠杆菌㊁金黄色葡萄球菌㊁沙门菌属等致病菌具有强烈的抑制或杀灭作用[2]ꎬ并且纳米级的氧化锌作为一种新型锌源ꎬ在具有选择毒性及良好的生物相容性的同时ꎬ还具有较高的生物活性㊁良好的免疫调节能力和高吸收率等特点[3]ꎬ因而愈发受到相关研究者的重视ꎮ然而纳米氧化锌抗菌机制尚不明确ꎬ本文通过对相关研究报道进行总结和分析ꎬ阐述了纳米氧化锌抗菌性能的影响因素以及作用机制ꎬ同时对纳米氧化锌在抗菌方面的研究和应用进行了展望ꎬ以期能为今后纳米氧化锌的研究和应用提供参考ꎮ1㊀影响纳米氧化锌抗菌性能的因素1.1㊀纳米氧化锌粒径大小当粒子的粒径降到纳米级(1~100nm)时ꎬ㊀㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(81201691)ꎻ江西省科技厅青年科学家(井冈之星)培养对象项目(20142BCB23004)ꎻ南昌大学分析测试中心基金资助项目(2012018)作者简介:况慧娟(1991-)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事纳米材料的毒性研究ꎻ许恒毅(1981-)ꎬ男ꎬ博士ꎬ副研究员ꎬ主要从事食品生物技术与纳米生物技术的研究ꎮ㊀㊀通讯作者:许恒毅ꎬE ̄mail:kidyxu@163.comꎬTel: (0791)88304447 ̄9512纳米粒子具有较高的表面活性和较大的比表面积ꎬ增加了与细菌接触和反应的面积ꎬ因而纳米氧化锌对细菌的毒性显示出一定的粒径依赖性[4]ꎮRaghupathi等[5]研究了6种不同粒径的氧化锌粒子对金黄色葡萄球菌生长的抑制效果ꎮ结果发现ꎬ当纳米氧化锌粒径>100nm(浓度为6mmol L-1)时ꎬ对金黄色葡萄球菌没有明显的生长抑制作用ꎬ而当其粒径<12nm时ꎬ不仅抑制该菌的生长ꎬ甚至对其有致死作用ꎮ1.2㊀纳米氧化锌浓度及作用时间除粒径大小对纳米氧化锌抗菌性能有明显的影响外ꎬ纳米氧化锌的浓度及粒子与细菌之间的作用时间对其抗菌性能也存在一定影响ꎮ何临海等[6]研究了不同质量分数的纳米氧化锌对白色假丝酵母(白色念珠菌)的影响ꎮ结果发现ꎬ随着纳米氧化锌质量分数的不断升高ꎬ抗菌率增大趋势逐渐变缓ꎬ说明纳米氧化锌的抗菌率与其质量分数不呈线性关系ꎮ此外ꎬ马占先等[7]研究了不同作用时间与其抗菌率之间的关系ꎬ结果发现ꎬ随着作用时间的延长ꎬ纳米氧化锌的抗菌效率明显提高ꎮ1.3㊀细菌的类型研究表明ꎬ革兰阳性菌较阴性菌对纳米氧化锌更为敏感[2]ꎮPremanathan等[8]发现在相同培养条件下ꎬ纳米氧化锌对革兰阳性菌抗菌作用更强ꎬ纳米氧化锌(25nm)对革兰阴性菌如大肠杆菌和铜绿假单胞菌(绿脓杆菌)半致死浓度均为500mg L-1ꎬ而其对革兰阳性菌金黄色葡萄球菌的半致死浓度为125mg L-1ꎮ两类菌细胞壁结构的不同可能是引起纳米氧化锌抗菌效果差异的主要因素ꎮ革兰阳性菌的细胞壁较厚ꎬ主要是由肽聚糖㊁磷壁酸和脂磷壁酸组成ꎬ而革兰阴性菌的细胞壁组成较为复杂ꎬ不仅具有脂多糖和肽聚糖薄层ꎬ并且其表面还覆盖一层外膜ꎬ该外膜作为阻渗层能有效地减轻活性氧(reactiveoxygenspeciesꎬROS)对菌细胞的毒性作用ꎬ从而减弱纳米氧化锌对革兰阴性菌的毒性[9]ꎮ此外ꎬ纳米氧化锌对细菌毒性强弱还可能与细菌菌膜的极性相关ꎮ据Gordon等[10]研究证实ꎬ革兰阳性菌细胞膜较阴性菌带更多的正电荷ꎬ因此带负电荷的自由基更易穿透带更多正电荷的革兰阳性菌菌膜ꎬ从而对革兰阳性菌造成更大的损伤ꎮ1.4㊀外界条件1.4.1㊀温度和pH值在水溶液体系中ꎬ纳米氧化锌的溶解过程大致可用如下反应表示:ZnO(固体)+H2O(液体)↔Zn(OH)2(固体)ꎬZn(OH)2(固体)↔Zn(OH)+(溶液)+OH-(溶液)ꎬZn(OH)+(溶液)↔Zn2+(溶液)+OH-(溶液)[11]ꎮ由上述反应方程式得出ꎬ纳米氧化锌溶于水后生成碱性的氢氧化锌ꎬ因此ꎬ在酸性条件中ꎬ纳米氧化锌更易溶解ꎮ此外ꎬ由于纳米氧化锌的溶解度的热焓值为负数ꎬ升高温度会导致其溶解度降低[2]ꎮ综上所述ꎬ降低体系的温度和pH值能增加纳米氧化锌的溶解度ꎬ促进锌离子的释放ꎬ从而有效增强纳米氧化锌对细菌的毒性效应ꎮ1.4.2㊀基质纳米粒子所处微环境在较大程度上影响其抗菌或杀菌效果ꎮLi等[12]探究了水中几种常见的离子和溶解的有机质对纳米氧化锌对大肠杆菌毒性的影响ꎮ结果发现ꎬ阳离子(如Ca2+ꎬMg2+)能与游离的Zn2+竞争细菌菌体上的结合位点ꎬ降低了纳米氧化锌对大肠杆菌的毒性ꎬ而阴离子(如Cl-ꎬNO3-ꎬSO42-)对纳米氧化锌的毒性无明显影响ꎮ但当体系中加入HPO42-后ꎬ纳米氧化锌对大肠的致死率从93.3%(无HPO42-时)减小到4.6%(HPO42-5mmol L-1)ꎬ作者认为HPO42-能与Zn2+结合形成磷酸锌沉淀物从而减少了溶液中游离Zn2+的浓度ꎮ此外ꎬ还发现纳米氧化锌对细菌毒性与游离Zn2+的浓度成线性关系时ꎬ并且通过减少游离Zn2+的浓度能够降低纳米氧化锌对大肠杆菌的毒性[13]ꎮ进一步研究发现ꎬ有机质如腐植酸㊁单宁酸㊁海藻酸和富里酸等能通过络合游离的Zn2+减少释放Zn2+的浓度[14]ꎬ减轻其对大肠杆菌的毒性ꎮ2㊀纳米氧化锌的抗菌机制目前ꎬ有较多关于纳米氧化锌抗菌或杀菌的研究报道ꎬ现有文献对其抗菌或杀菌机制主要归纳为3个方面:①游离Zn2+的释放ꎻ②纳米粒子和菌体表面相互作用ꎻ③ROS的产生[2]ꎮ2.1㊀锌离子金属离子(如Zn2+)的代谢平衡对细菌的存活至关重要ꎬ因为金属离子不仅对生物体内参与代谢的物质如酶㊁辅酶和催化剂等起重要调节作用ꎬ而且还是酶和DNA结合蛋白的结构稳定剂ꎮ因此ꎬ高浓度的金属离子会破坏菌体内原有稳态ꎬ继而对细菌产生毒性[15]ꎮ有研究表明ꎬ纳米氧化锌在含水介质中不断地缓慢释放Zn2+ꎬ且Zn2+能够透过细胞膜进入细胞内ꎬ在破坏细胞膜的同时与蛋白质上的某些基团反应ꎬ破坏菌体结构和生理活性ꎬ并进入菌体内破坏电子传递系统的酶且与-SH反应ꎬ达到杀菌目的ꎮ并且ꎬ在杀灭细菌后ꎬZn2+可以从细胞中游离出来ꎬ重复上述过程[16]ꎮLi等[12]研究了纳米氧化锌㊁分析纯氧化锌以及Zn2+在超纯水共孵育条件下对大肠杆菌的毒性差异ꎮ结果发现ꎬ纳米氧化锌对细菌的毒性主要来源于Zn2+的释放ꎮ另外ꎬ金属离子对细菌毒性强弱取决于环境条件中自由离子的浓度ꎮ单宁酸相较于腐植酸㊁富里酸和海藻酸能更大程度地减弱纳米氧化锌对细菌的毒性ꎬ这是因为单宁酸能络合更多游离Zn2+ꎬ从而提高了细菌的存活率ꎮLi等[17]还研究对比了实验中常用的共孵育介质(超纯水㊁生理盐水㊁PBS缓冲液㊁LB培养液和MD培养液)对纳米粒子抗菌作用的影响ꎮ结果发现ꎬ纳米氧化锌在这5种共孵育液中对细菌的毒性大小依次为超纯水>生理盐水>MD培养液>LB培养液>PBS缓冲液ꎮ这可能是由于不同孵育介质与纳米氧化锌形成含锌的沉淀物或复合物ꎬ降低了游离的Zn2+浓度ꎬ最终减弱了纳米氧化锌对细菌的毒性ꎮ此外ꎬ也有研究通过离心纳米氧化锌胶体悬浮液得到不含纳米粒子的上清液ꎮ结果发现ꎬ上清液几乎没有抑菌作用ꎻ而含纳米氧化锌颗粒的胶体悬浮液则具有较强的抗菌作用ꎬ抑菌率可以达到95%[5]ꎮ而也有研究者使用10倍于纳米氧化锌浓度的ZnCl2进行对比研究ꎬ发现ZnCl2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都未获得理想的抗菌效果[18]ꎮ因此ꎬ推测锌离子释放机制可能不是纳米氧化锌抗菌的主要机制ꎮ2.2㊀粒子与细菌表面的相互作用金属氧化物的抗菌性也可归因于纳米粒子与细菌表面的相互作用ꎬ继而引起细菌表面损伤ꎮ纳米粒子的比表面增大ꎬ使其具有明显的表面效应ꎬ更易与细菌膜发生相互作用和大面积接触ꎬ继而引起细菌表面损伤ꎮLi等[12]研究了纳米氧化锌对大肠杆菌生长的影响ꎮ结果显示ꎬ在pH7时ꎬ纳米氧化锌电势为+24mVꎬ当大肠杆菌表面由于脂多糖的水解产生大量的酰胺ꎬ使菌膜带负电荷ꎬ与带相反电荷的纳米氧化锌之间产生静电吸引[5]ꎬ导致两者之间发生紧密联合并引起菌体表面损伤ꎬ继而导致菌膜破裂最终引发细菌死亡ꎮBrayner等[19]研究发现ꎬ纳米氧化锌可与大肠杆菌表面发生相互作用ꎬ导致细菌细胞壁破坏ꎬ并引起纳米粒子的细胞内化使得菌体的形态发生改变ꎬ内容物释放ꎮXie等[20]观测到纳米氧化锌粒子与空肠弯曲杆菌相互作用时ꎬ纳米粒子同样能导致菌形态的变化和内容物的泄漏ꎬ并且诱导生物体内氧化应激基因表达的增加ꎮ以上研究均表明ꎬ纳米氧化锌抗菌性能与粒子和细菌表面的相互作用密切相关ꎮ2.3㊀活性氧自由基除了上述可能的毒性机制外ꎬ金属氧化物粒子在细胞内产生ROS(如过氧化氢㊁羟基自由基㊁氧负离子和氢过氧化物等)也是重要的毒性机制ꎮ纳米粒子诱导产生的ROS已被普遍认为是粒子诱导效应的常见形式[4]ꎮ诱导产生的ROS能引起一系列的生物反应ꎬ如能导致菌膜破损ꎬ进而引起溶菌作用或者促进纳米粒子在菌体内聚集并最终导致细菌死亡[21]ꎮLipovsky等[22]利用电子顺磁共振技术检测组氨酸(单线态氧和羟基自由基的清除剂)加入前后纳米氧化锌和白色假丝酵母共孵育体系中ROS的含量ꎮ结果显示ꎬ在组氨酸加入的实验组中ꎬROS的含量大大减少ꎬ且对白色假丝酵母的抑制作用明显减弱ꎮ一部分ROS如羟基自由基和超氧化物等带负电荷ꎬ虽无法穿透细胞膜ꎬ但能聚集在菌细胞外膜表面并与其直接反应并对其造成损伤ꎬ然而ꎬ另一部分ROS如过氧化氢能直接穿透细胞壁并杀灭细菌[23]ꎮ2.4㊀光催化活性纳米氧化锌颗粒具有光催化性ꎬ当外界的入射辐射能量超过纳米氧化锌的能带隙(3.37eVꎬ相当于368nm)时ꎬ处于价带上的电子受激发跃迁到导带ꎬ从而分别在价带和导带上产生高活性的光生空穴(h+)和光生电子(e-)ꎬe-和H+会与吸附在材料表面的氧气㊁羟基和水等反应ꎬ产生氢氧根㊁氧负离子和过氧化氢等ROS物质从而诱导产生光毒性[24]ꎮ因此ꎬ纳米氧化锌对细菌的毒性也可归因于粒子本身的光学催化活性ꎮ已有研究表明ꎬ纳米氧化锌在可见光或紫外线的照射下可产生光学毒性并对细菌产生致死作用[25]ꎮSapkota等[26]选用大肠杆菌和枯草芽孢杆菌作为受试菌ꎬ分别研究了纳米氧化锌在光照和黑暗条件下对两种菌的损伤程度ꎮ结果发现ꎬ光照诱导粒子的光催化活性导致菌膜破损进而引起DNA损伤ꎬ同时利用SEM观测到由于细菌内容物泄露引起细胞凹陷或仅有被降解的菌膜残留ꎮ此外ꎬPadmavathy等[27]认为ꎬ纳米氧化锌粒子表面粗糙引起细菌的机械损伤ꎬ也是纳米氧化锌具有抗菌作用的原因之一ꎮ曲敏丽等[28]研究比较了普通氧化锌与纳米氧化锌对大肠杆菌的抗菌效果ꎮ结果显示ꎬ普通氧化锌也有一定的抗菌性ꎬ但纳米氧化锌与普通氧化锌相比抗菌性有明显提高ꎮ此外ꎬ样品经日光照射比无日光照射的抗菌效果更佳ꎬ且纳米氧化锌的抗菌性显著高于普通氧化锌ꎬ这可能是无光照下只有金属离子的释放抗菌机制在起作用ꎻ而有光照时ꎬ是光催化抗菌机制和金属离子释放机制共同作用ꎮ纳米氧化锌的粒径越小ꎬ表面效应越大ꎬ光催化效应越强ꎬ能介导多种有机物氧化ꎬ从而发挥抗菌作用[29]ꎮ总体而言ꎬ纳米氧化锌的抗菌机制较为复杂ꎬ其抗菌作用可能是几种不同机制共同作用的结果ꎬ而以何种机制为主目前尚没有统一的结论ꎮ纳米氧化锌的抗菌机制可归结为:①纳米粒子聚集在菌膜表面ꎬ引起菌体损伤ꎻ②纳米粒子释放游离锌离子破坏菌体内部离子稳态ꎬ继而导致菌体死亡ꎻ③纳米粒子产生ROS氧化菌体内的有机物ꎬ达到抗菌作用ꎬ具体如图1所示ꎮ图1㊀纳米氧化锌的抗菌机制.3㊀展望随着纳米氧化锌被广泛应用于畜牧养殖㊁纺织㊁医疗㊁化妆品和食品包装等领域ꎬ其抗菌机制和潜在的毒性作用也被广泛关注ꎮ纳米氧化锌抗菌作用研究主要集中于细菌ꎬ如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌ꎬ且显示了较好的体外抗菌效果ꎮ但由于纳米材料与普通材料的性质明显不同ꎬ其对人体健康潜在危害性尚不明确ꎬ因此纳米氧化锌的安全性研究是未来研究的关注点之一ꎮ另外ꎬ今后的研究也应更全面地探讨纳米氧化锌对细菌的毒性效应及其具体机制ꎬ明确其发挥机制的主要方式ꎮ纳米氧化锌抗菌性能及机制的研究发展方向大体总结如下:①日益成熟的基因组学㊁转录组学和蛋白质组学等相关生物学技术的应用ꎬ可揭示纳米氧化锌对细菌的基因表达㊁蛋白质合成及整体新陈代谢产生的干扰ꎻ②结合仪器分析手段ꎬ实时观测纳米氧化锌颗粒与菌膜及胞内分子间的相互作用ꎬ为纳米氧化锌颗粒在细菌内的物理化学变化过程提供有利证据ꎮ综合各种手段ꎬ全面认识纳米氧化锌的抗菌机制ꎬ将有助于纳米氧化锌作为抗菌剂的高效安全应用ꎬ也可更好地规避纳米氧化锌产生的负面效应ꎮ参考文献:[1]㊀MaWSꎬCuiYꎬZhaoYYꎬZhengWFꎬZhangWꎬJiangXYꎬetal.Progressofantibacterialmecha 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