纳米银抗菌性能研究1WORD

1、纳米银生物抗菌性能研究摘 要：银纳米粒子作为一种新兴的功能纳米材料，在生物医学领域有着广泛的应用。本文首先对银纳米粒子的合成方法进行简要的综述，然后对银纳米粒子的光学性质及其在光学成像和检测方面的研究进行介绍，最后重点综述银纳米粒子在生物医学方面的应用，特别是人们日益关注的生物安全性研究现状。英文摘要：The silver nanoparticles, as a new function nano materials, biological medicine field in a wide range of applications. In this paper, first, the syn

2、thesis methods of the silver nanoparticles were reviewed briefly, and then to the optical properties of the silver nanoparticles and in optical imaging and detection of the introduction, especially finally silver nanoparticles were reviewed in biomedical application, especially people pay more and m

3、ore attention to the safety of the biological research status.关键词：纳米银；抗菌；生物；医药1.引言纳米材料由于其特异的光、磁、电、声和力学性质，吸引了各国政府和科研工作者的广泛关注。各国政府在人力、物力上的大力投入极大地促进了纳米科学技术的发展及其研究成果产业化。银纳米粒子作为一种新兴的功能纳米材料，在生物医学领域有着广泛的应用。本文拟对银纳米粒子的研究现状作一简要的综述，主要包括银纳米粒子的制备方法、光学特性、抗菌性及其抗病毒性，其中侧重于银纳米粒子生物医学方面的应用，最后总结目前人们日益关注的银纳米粒子的生物安全性研究现状。

4、2.银纳米粒子的合成银纳米粒子的制备有很多种方法，如化学还原法、微波合成法、电化学法等。下面我们对不同制备方法进行简要概括。2.1化学还原法化学还原法一般是指在液相条件下，用还原剂还原银的化合物而制备得到银纳米粒子。目前普遍使用的还原剂包括硼氢化钠、水合肼、次亚磷酸纳等。在反应过程中，通常需要加入表面修饰剂以稳定所生成的银纳米粒子。通过调节反应温度、反应物浓度、反应时间以及表面修饰剂的种类等可以得到不同的反应产物。如，表面修饰剂可通过吸附在银纳米粒子的表面，降低银粒子的表面活性，从而控制反应生成的银纳米粒子的大小。常用的表面修饰剂有聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、明胶等。用水合肼还原银氨络离子制备银

5、纳米粒子，该反应速度快、可瞬间完成，产物为灰白色银粉沉淀。在聚丙烯酰胺存在的条件下，用多元醇还原银盐反应得到银纳米粒子。用硼氢化钠作为还原剂还原硝酸银溶液制备得到稳定的银纳米粒子。12.2微波合成法微波合成利用微波作为一种新的加热方式，越来越多地应用在纳米材料的制备中。微波加热方式不同于传统的加热方式，其原理是在电磁场中由于介质损耗而引起的介电加热效应，具有速度快、受热均匀、精确控温等特点，因此能够在短时间内实现快速加热，制备得到理想的反应产物，近年来在纳米材料的制备上受到广泛青睐。利用微波反应对粒径可控的银纳米粒子制备技术开展了系统的研究，发现微波合成银纳米粒子时的反应时间和微波功率的大小对

6、生成产物的粒径及粒径分布有很大关系。2以葡聚糖为还原剂和稳定剂，采用微波高压液相合成法制备银纳米粒子，所制备得到的纳米粒子平均粒径为16 nm，最大吸收峰位于413 nm，并且在486 nm处有一个最强共振散射峰，产物具有良好的稳定性和分散性。2.3电化学法电化学法通过在溶液中产生自由电子，还原金属离子制备得到金属纳米粒子。报道利用电化学方法，在水相中采用高分子聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂合成得到球形的银纳米颗粒，通过改变电解质溶液的组分可以实现对纳米粒子大小的有效调节。另外，稳定剂PVP 的用量对所制备得到的银纳米粒子有一定影响，PVP 用量太少时不能起到稳定剂的作用，太多则会使体系粘

7、度增大，延长反应时间不利于电化学还原反应。实验发现，PVP/Ag+ 的摩尔比为50500 时，最有利于反应的进行。电化学方法制备银纳米颗粒具有反应易于控制、反应条件温和、对环境污染少等优点。33.银纳米粒子的光学性质及应用对于贵重金属纳米粒子而言，一个非常重要的特性是其具有表面等离子体共振（SPR）性质。这是贵重金属纳米粒子应用于光学成像、光导传输和检测等方面的基础。目前的研究认为，贵重金属纳米粒子的SPR 是由于入射光导致金属表面的电子在金属和介质之间的界面产生增强的电磁场引起的。贵重金属纳米粒子的SPR 性质与纳米粒子的尺寸大小密切相关。对于小于25 nm 的贵重金属粒子而言，可以利用偶极

8、等离子共振理论来解释。当入射电磁场照在金属纳米粒子表面时，由于诱导效应，导致电子云发生偏移；但通过电子和原子核之间的库仑作用产生回复力，并且随偏移增大回复力增强，使得电子云随着电磁场的波动围绕着原子核发生来回振动，从而产生了一个增强的界面电磁场。4在这种情况下，纳米粒子的尺寸增大会引起SPR 峰的蓝移，这种效应被称为内在尺寸效应。对于尺寸大于25 nm的纳米粒子，尺寸效应对SPR 峰的影响更大。粒子的尺寸越大，极化越不均匀，结果导致SPR 峰的改变。当尺寸增大时，SPR 峰位红移，峰宽增大，这种效应被称为外部尺寸效应。类似的不均匀的电荷极化会随着粒子形状的改变发生显著变化。利用银纳米粒子的表面

9、等离子体光学特性，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。并且通过等离子体共振波长与介质折射率具有相关性的特点，可以在暗场显微镜下利用功能化的银纳米粒子对特异性结合的蛋白质进行观察。基于银纳米粒子的这种优异的光学特性，利用等离子体耦合效应对纳米粒子对的组装过程进行直接观察。首先用单链DNA 粒子对贵重金属纳米粒子进行表面修饰，在DNA 的3 端标记生物素结合位点，然后将纳米粒子通过生物素- 链霉素之间的特异性强相互作用与链霉素修饰的纳米粒子进行耦合。当纳米粒子二聚体形成，散射光将改变颜色，相应的光谱发生红移。对银纳米粒子而言，形成二聚体后散射光将由蓝色变成绿色，金纳米粒子二聚体形成后散射光由绿色变成

10、橙色。通过光谱的变化可以知道被检测分子之间变化的距离。这种等离子体标尺比基于荧光共振能量转移技术（FRET）的普通标尺有很多的优势，有希望在体外单分子成像实验，尤其可能在需要长时间和长距离观察的应用方面替代传统的FRET 技术。5银纳米粒子的另一个重要应用，是作为表面增强拉曼散射光谱（SERS）检测技术的基底材料。根据砷离子本身具有特殊的拉曼信号，而且不同价态的砷所给出的拉曼信号不同，利用不同形状的银纳米颗粒作为SERS 基底材料，实现对不同价态的砷离子的高灵敏检测。更多研究表明，贵重金属纳米粒子之间的耦合效应能产生更强的SPR 信号，而且增强效果与极性、构象等相关。当实验采用银纳米线作为SE

11、RS 基底，耦合的银纳米线会随电磁场方向的不同表现出不同的增强效应。6当入射电磁场与耦合银纳米线的轴线垂直时，得到的增强效应最强。4.银纳米粒子的生物学特性及其应用银纳米粒子由于其尺寸效应，具有很高的比表面积，从而使得银纳米粒子与微生物表面接触的概率大大增加，因此银纳米粒子的抗菌性能远远大于传统的银系抗菌剂。目前，银纳米粒子因其优异的抗菌性能被广泛应用在医疗和纺织等行业，以及环境治理中。然而，银纳米颗粒的抗菌作用机制是非常复杂的。目前普遍认为银纳米粒子的杀菌特性可能通过以下不同途径进行：1）通过与细菌表面的蛋白质分子结合，裂解质子泵，调节膜蛋白或磷脂双分子层的通透性，使得H+ 外漏，导致细菌的

12、细胞膜裂解而发挥杀菌作用；2）与含有巯基的供电子体反应来抑制多种细胞膜上酶的活性，起到抗菌作用；3）与蛋白质以及核酸反应，破坏细菌的遗传物质，导致其不能增殖；4）银纳米粒子进入菌体并与其遗传物质结合，形成不可逆的聚合体，引起DNA 构型的改变抑制其繁殖。银纳米粒子的抗菌作用具有广谱性，对不同菌种都有良好的抑制效果。对烧烫伤及创伤表面常见的细菌，如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌及其它革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，都有杀菌作用；对沙眼衣原体、引起性传播性疾病的淋球菌，也有强大的杀菌作用。74.1纳米银对硝化细菌的抑制作用粒径分别为9,13,15以及23 nm的纳米银颗粒(AgNPs)

13、被配制成浓度0.12到4.82 mg/L的悬浊液,分别应用于对氨氧化细菌(亚硝化细菌)以及亚硝酸盐氧化细菌(硝化细菌)的抑制实验。实验结果显示,氨氧化细菌相比亚硝酸盐氧化细菌更容易受到纳米银的毒害作用,当使用浓度为4.82 mg/L,含粒径为23 nm的纳米银的悬浊液时,投加已驯化的氨氧化细菌的生活污水中,氨氮去除率下降至原始水平的30%,而对于投加已驯化的亚硝酸盐氧化细菌的生活污水,亚硝酸盐氮的去除效率没有明显变化。在SBR反应器中进行的实验显示,在添加不同浓度的、含有不同粒径纳米银颗粒的悬浊液后,反应器中的硝化污泥以及普通活性污泥同样受到抑制,氨氮的去除率分别下降到原来的60%和70%。8

14、4.2复合纳米银抗菌材料的研究纳米银抗菌材料具有抗菌力强、耐久性好、抗菌谱广、安全性高等优点,它作为一种长效性的抗菌材料在医学领域中得到越来越广泛的应用,是近年来医用抗菌材料研究的重点。因此制备具有抗菌性的纳米银复合材料对于医用抗菌材料的发展有着重要意义。现以纳米银为研究对象,合成了一系列纳米银复合材料,以还原性石墨烯氧化物纳米片为载体,在水溶液中制备了不同载银量的纳米银/石墨烯复合纳米材料。以EDS、TEM等方法对制备得到的纳米银/石墨烯复合纳米系列材料进行了测试与表征。我们采用抑菌曲线法对该系列材料的抗菌性能进行了研究,实验结果表明,单纯的还原性石墨烯氧化物纳米片在实验条件下,并没有明显的

15、抑菌效应,纳米银/石墨烯复合纳米抗菌材料的抑菌性能随着银负载量的上升而增强,当银与石墨烯组分比为0.2时,为最佳组分体系,该材料表现出极佳的抗菌性能。94.3纳米银在棉麻织物中的应用纳米银抗菌纤维是新兴的抗菌纺织品,它能保护皮肤、祛除异味,阻断疾病传播,有卫生保洁的功能,同时可防止微生物对纤维制品的损害,能应用于日常生活用品,包括制服、便装、衬衫、内衣、睡衣、床上用品和手帕等,拥有十分广阔的市场前景。基于抗菌功能性纺织品的社会需求,现从以下几个方面开展了工作：1.以聚乙二醇为软模板制备了单分散的纳米TiO2/Ag胶体,TiO2和Ag粒子成球状,纳米TiO2的平均粒径在50 nm, Ag的平均粒

16、径在20nm。X射线衍射分析表明TiO2晶型为锐钛矿型。纳米TiO2/Ag胶体具有很强的紫外屏蔽效果,复合TiO2/Ag胶体在浓度为0.29 mg/mL时就达到了最小防护紫外光效果,在1.19 mg/mL浓度时可以完全防护紫外线照射。纳米TiO2/Ag对大肠杆菌和霉菌具有极好的抑菌效果,Ag浓度10 ppm对大肠杆菌抑菌率为99.9%,对霉菌抑菌率为97.9%。105银纳米粒子的生物安全性早在明代，中国的本草纲目中记载有“银本无毒，其毒则诸物之毒也”。但当物质到了纳米级的尺度下，物理、化学等特性会发生很大变化。在不断的研究和实践中，人们发现纳米材料的应用是一柄双刃剑，有其明显优势的一面，但另一

17、方面，纳米材料对人体、环境等的潜在影响非常复杂。大量的银纳米粒子产品出现在人们的生活中，尤其是医疗方面，其生物安全性的研究越来越受到关注。在人们刚接触银纳米粒子时，过多地关注它的优点及可应用的方面，并没有重点关注其生物安全性。Alt 等用成骨细胞体外检测验证含银纳米粒子骨水泥的细胞毒性，研究结果显示，在银纳米粒子组和对照组之间无显著性差异。Lee 等采用直径为3 nm 和30 nm的银纳米颗粒处理新西兰雄兔磨损的皮肤，经24 h 和72 h 观察发现，经银纳米粒子颗粒处理的皮肤没有发生或仅发生轻度炎症，证明银纳米粒子对皮肤的刺激较少。北京大学临床药理研究所和国家药物安全评价监测中心，对含银纳米

18、粒子医疗产品“阿西米”进行了比较全面的生物安全性检测，结果显示，含银50 mg/kg 的银纳米粒子微粉给孕大鼠连续灌胃10 d，对胚胎无致畸作用；阴道刺激性试验表明，给予大鼠银纳米粒子抗菌膜每天30 mg，连续7 d，对阴道无刺激；皮肤急性毒性试验、皮肤过敏性试验和皮肤刺激性试验结果均为阴性。在细胞水平对银纳米粒子的生物安全性进行研究，发现银纳米粒子的毒性是由于引起了细胞明显的氧化应激反应。细胞的能量来源ATP 主要由呼吸链的酶催化产生，而银纳米粒子进入细胞后沉积于线粒体造成呼吸链的损伤，导致ATP 产生减少。Rahman 等对小鼠鼻饲不同剂量25 nm 的银粒子，24 h 后处死并迅速取出脑

19、组织进行分析，研究发现，25 nm银粒子可能对小鼠产生神经毒性。对银纳米粒子的遗传毒性进行研究，发现银纳米粒子能够穿透植物系统，对分裂期的染色体造成损伤而使细胞染色体解体。近期，新加坡国立大学研究人员用正常人的肺成纤维细胞和恶形胶质瘤细胞研究淀粉涂层银纳米颗粒的细胞毒性，从细胞形态、细胞活力、代谢活性的变化和氧化应激反应几方面来评估，实验初步表明，银纳米粒子的毒性是由于银纳米粒子沉积在DNA 上导致细胞周期阻滞在G2/M期，使得细胞不能正常进入分裂期；用彗星实验和微核试验观察银纳米粒子的遗传毒性，发现银纳米粒子对不同种类的细胞毒性不一样，其中，对肿瘤细胞的毒性存在浓度依赖性，而对正常肺脏成纤维

20、细胞的毒性，只有在小于100 ug/mL 时存在浓度依赖性，大于100 ug/mL 时则没有变化。11总结上述研究进展不难发现，早期对银纳米粒子的安全性研究结果都是安全的，而随着研究的不断深入，发现银纳米粒子存在一定的生物安全隐患。这些研究结果表明，对纳米材料的生物安全性评价是非常复杂的，需要深入、系统的研究。传统的生物安全性评价方法是对产品进行急性经口毒性、皮肤刺激、眼刺激、遗传毒性、皮肤过敏等试验。但是这些检测结果为阴性并不能说明对人就是安全无毒的，因为在体外培养的结果并不能等同于体内或是临床应用的结果。银纳米粒子广泛应用于人们日常生活产品和药物中，与人体的接触是密切的，通过皮肤、呼吸道、消化道均可进入人体，那么进入人体后的分布代谢又如何，这种纳米级的物质是否能穿过血脑屏障而进一步带来危害？这些问题都需要我们进行长期、深入的研究才能回答。6.展望随着纳米技术的飞速发展，银纳米粒子在生物医学领域得到越来越广泛的应用。但是随之而来的问题是银纳米粒子的生物安全性到底如何？银纳米粒子在人体内的分布、转