抗菌材料
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-30
抗菌材料的實例教程
材料的電容大小與斷電后殺菌的效果正相關。（Nano Energy，2017,36,241-249.）
由于該實驗體系的細菌溶液只是一次性地流經電極，通電過程中可能發生的電化學產物都已隨之前的溶液流走，因此斷電后的抗菌性能不是由電化學產物的殘留造成的，而是一種電場對材料的“殘余影響”造成的。研究者發現電極材料的電容越大（氧化鋅納米銀雙修飾>氧化鋅單修飾>原始碳布），則這種斷電后的長期抗菌性能越強。同時，在斷電后處理的細菌胞體內，檢測到了強烈的活性氧信號。
在此基礎上，由封紅青指導博士生王國敏開展實驗工作，納米能源所李舟課題組和香港城市大學朱劍豪課題組密切合作，對這一現象進行了系統的研究。在這一研究中，他們采用了新的抗菌體系和新的電容性電極材料：從原來的動態流動體系改為靜態處理體系，采用基于二氧化鈦納米管的電容性材料，用碳修飾來增加材料的電容。并使用了傳統的直流、交流電源來對電極材料充電并檢測斷電后電極片的抗菌性能。與Nano Energy的發現非常一致，他們在新的體系中也檢測到了斷電后電場確實賦予了原本不抗菌的電容材料以新的抗菌性能，而且抗菌性能力與材料電容呈正相關。除了用之前的納米發電機供電之外，使用常見的直流、交流電源供電都可以產生這樣的效應；在被處理的細菌胞體內，同樣檢測到了活性氧信號。
基于此，他們確認充電可以賦予原本不抗菌的電容性材料以抗菌性能是一種普適的現象，他們將這一現象命名為“充電后的抗菌性”（post-charging anti-bacterial property）。他們還發現，充電這一操作對碳摻雜二氧化鈦表面的生物相容性沒有產生任何不利的影響，甚至促進了成骨細胞在基底上的粘附和生長。
圖2 “充電后的抗菌性”的機理解釋。
展開 近日，國家納米科學中心的宮建茹課題組在國際知名期刊Advanced Materials上發表了抗菌碳納米材料的專題綜述“Antibacterial Carbon-Based Nanomaterials”（Adv. Mater. 2018, 1804838），系統地介紹了該研究方向近年來的重要進展。
目前，由于細菌耐藥性的廣泛出現和迅速傳播，現有的可對抗耐藥性細菌的抗生素種類極其有限，新型抗生素的開發進度緩慢，細菌感染再次被列為影響全球人類健康的重要因素之一。與傳統的抗生素不同，納米材料具有較強的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易誘發細菌耐藥性的特點，有望成為一種新型抗生素替代品。其中，碳納米材料具有高效的抗菌活性、良好的生物相容性和環境友好等特征，展現出巨大的抗菌應用潛力。據此，該綜述系統介紹了碳納米材料的重要理化性質，主要抗菌機制，其理化因素與抗菌機理的密切關聯，以及發展抗菌碳納米材料的挑戰和前景。
碳納米材料的主要理化性質及其抗菌機制
碳納米材料能夠通過多種機制實現抗菌或殺菌作用，其中包括：細菌細胞壁/細胞膜的機械性損傷、細菌的氧化應激（活性氧依賴和活性氧不依賴兩種）、光熱和光催化效應（如利用具有良好光催化性能的氮化碳納米材料，Nano Lett. 2018, 18, 5954）、脂質抽提、細菌代謝抑制、包裹隔離及其協同作用。此外，這些作用機制和碳納米材料的理化性質密切相關，如碳納米材料的維度決定了與細菌的作用方式，進而可能影響其主要的抗菌作用機制。文章討論了零維的富勒烯、納米金剛石、碳點和石墨烯量子點，一維的單壁碳管和多壁碳管，二維的碳化氮、石墨烯及其衍生物的抗菌活性和抗菌機制。除維度外，碳納米材料的尺寸、形狀、片層數及表面功能化等方面的理化性質也與其抗菌活性息息相關。例如，石墨烯量子點經不同手性氨基酸功能化后表現出明顯不同的抗菌活性。
展開 抗菌光動力療法(aPDT)是一種針對多藥耐藥細菌的有效殺菌方法。然而，廣譜aPDT不分青紅皂白地殺滅細菌，可能會導致微生物群失衡，并對正常細胞產生細胞毒性。因此，需要開發能夠特異性殺死特定病原菌而不引起微環境失衡或破壞正常宿主哺乳動物細胞的光動力抗菌材料。綜上所述，開發新型的針對銅綠假單胞菌生物膜中的銅綠假單胞菌特異性殺傷的抗菌光動力材料具有重要意義。
北京化工大學材料科學與工程學院徐福建教授/俞丙然教授研究團隊聯合北京協和醫院眼科睢瑞芳教授
在《Advanced Functional Materials》上發表了題為“
Bacteria-Targeting Photodynamic Nanoassemblies for Efficient Treatment of Multidrug-Resistant Biofilm Infected Keratitis
”的研究論文。（
DOI: 10.1002/adfm.202111066
）。該論文通過可逆加成-斷裂鏈轉移聚合(RAFT)合成了α-D半乳糖與光敏劑酸性紅（RB）的嵌段聚合物PαGal
50
-
b
-PGRB
n
，其中α-D半乳糖對銅綠假單胞菌凝集素A（Lec A）具有特異靶向性，光敏劑RB在光照的條件下產生
活性氧（
ROS
）
，兩者共同實現對多藥耐藥銅綠假單胞菌生物膜的解散與殺傷。
圖1. a.多藥耐藥銅綠假單胞菌靶向性光動力納米組裝材料的合成路線以及生物學應用。b. PαGal50-b-PGRBn多藥耐藥銅綠假單胞菌選擇性結合與殺傷。c. PαGal50-b-PGRBn殺菌機制研究。d.
展開 隨著新冠病毒在歐洲的不斷擴散和變異，越來越多的防疫物資被送往抗疫一線，研發新型醫用材料也成為現在熱門研究方向。在眾多高性能材料中抗菌、可降解讓PA56脫穎而出。
生物基聚酰胺56(PA56)是由生物基戊二胺與石油基己二酸合成的一種高聚物，其中生物基含量達到40%以上。生物基 PA56 作為一種環境友好且性能優異的高分子材料被廣泛運用，且前景廣闊。
聚六亞甲基胍鹽酸鹽(PHMG)是環保型高分子抗菌劑，屬于有機抗菌劑，具有廣譜高效的抗菌性 能以及易溶于水、無色無味、低毒性和價格低廉等特點，較好的熱穩定性能，讓其能夠直接用于熔融共混的生產工藝中。
將不同比例的PHMG與PA56共混，形成PA56/PHMG共混體系，并通過熔融紡絲的方法可以制備得到抗菌PA56纖維。
01
PA56和PHMG相容性
PHMG在PA56中呈現顆粒狀態，大約在0.2~1μm之間，分布均勻，即使PHMG質量分數達到3%的比例時，依舊沒有出現大量團聚的情況；同時可以看出：共混物斷面未出現明顯孔洞，沒有相分離現象，說明兩者有很好的相容性。其主要原因是PA56與PHMG均含有端氨基，它們具有一定的化學相容性，為后續滿足纖維加工提供了必要條件。
PA56及PA56/PHMG共混體系在2K和10K倍數下的SEM圖像
02
PA56/PHMG共混體系黏度分析
隨著PHMG添加量的增加，PA56/PHMG共混體系的黏度逐漸降低，但總體降低不大。
展開 超分子材料通過非共價相互作用自組裝，以實現特定功能。這些可逆的非共價作用為材料提供了層級結構，賦予材料有序與動態的特征，以模擬生命系統。其中，水凝膠為超分子材料的重要部分。而基于短肽的水凝膠由于其優異的生物相容性、高保水量與高凝膠化傾向，具有廣闊的應用前景。但較差的機械穩定性阻礙了其發展。為此，引入超分子3D基質，通過納米工程等手段能夠有效地解決機械性能不足的問題。同時，引入特定的超分子纖維能夠賦予凝膠導電性能，提供獨特的生物學功能。
本文中，作者開發了一種基于短肽RGD與聚苯胺（PAni）的超分子纖維復合水凝膠。該材料具有優異的機械穩定性，能夠支持纖維細胞于表面的黏附與生長，同時也具有抗菌性與導電性能。
作者首先合成了肽段Fmoc-K(Fmoc)-RGD。該肽段能夠在低濃度下（0.5% w/v）下形成透明的凝膠。透射電子顯微鏡（TEM）表征表明，其由纏結的納米纖維組成，證明了其為超分子凝膠（圖1b）。流變結果表明，凝膠在一小時內形成，儲能模量高達5 kPa（圖1c-d）。同時，上述凝膠具有一定的自愈特征，能夠在大應變下轉變為溶膠狀態，并在應變于線性粘彈區時發生重組（圖1f-g）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熒光光譜表明凝膠內部存在的β-折疊特征與Fmoc基團的π–π堆積（圖1h-j）。
圖1. 本文的水凝膠設計
此外，分子動力學（MD）模擬也證實了凝膠的自組裝過程。其中，Fmoc基團之間的π–π堆積在聚集體內部形成疏水核心，對于水凝膠骨架的形成起到重要作用。
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除過上述的應用范圍之外，石墨烯還可以被用在超級電容器、鋰離子電池、太陽能電池、石墨烯生物器件、抗菌材料、石墨烯感光元件、海水淡化等領域，這也是為什么石墨烯被稱為“材料之王”的原因。
可改善塑料表面的耐磨性和抗劃傷性；在粘結劑和密封劑中添加納米SiO2可提高膠接的效果及增加膠的密封性；在紡織品中添加納米SiO2可防紫外，防遠紅外，抗菌消臭，耐老化等；在涂料中添加納米SiO2（VK-SP30/VK-SP50/VK-SP30H/S）可大幅度提高涂料的綜合性能；此外納米SiO2還廣泛應 用于生物醫學工程，光學，木材，電子封裝材料，樹脂，基復合材料，有機玻璃，催化劑，和催化劑載體，農業及食品行業，人造牙齒，化妝品及抗菌材料等領域的研究
在眾多高性能材料中抗菌、可降解讓PA56脫穎而出。
生物基聚酰胺56(PA56)是由生物基戊二胺與石油基己二酸合成的一種高聚物，其中生物基含量達到40%以上。生物基 PA56 作為一種環境友好且性能優異的高分子材料被廣泛運用，且前景廣闊。
Hu 等發現氧化石墨烯是一種優良的抗菌材料。利用石墨烯的這一特性，于歡將石墨烯/TiO2 復合材料添加到水性聚氨酯涂料中，研究其對涂料的抗菌滅菌性、表面性能等的影響。結果表明，顯著提高改性水性聚氨酯的抗菌滅菌性，使涂層具有良好的防污性能。岳鑫將改性石墨烯加入到環氧樹脂中，對其防腐防污性能進行研究。結果表明，改性石墨烯因分散更均勻，加入改性石墨烯可以更有效地提高涂層的防腐防污性。
目前3D打印牙齒從最初的簡單材料打印牙齒模型的階段，到性能優化打印階段，到進一步混合活性細胞、抗菌材料、生長因子等功能打印階段，其打印精度和效果在不斷地提高，但也并未復刻天然牙齒的各項性能，離臨床應用還有較遠的距離。
圖1.
因此，需要開發能夠特異性殺死特定病原菌而不引起微環境失衡或破壞正常宿主哺乳動物細胞的光動力抗菌材料。綜上所述，開發新型的針對銅綠假單胞菌生物膜中的銅綠假單胞菌特異性殺傷的抗菌光動力材料具有重要意義。
根據實際需求可以選擇對涂層膠漿進行泡沫加工，亦可在涂層膠中加入阻燃劑、抗菌劑等功能材料，對面料進行功能性的涂層整理。
另外塑料著色還可賦予塑料多種功能，如提高塑料耐光性和耐候性;賦予塑料某些特殊功能，如導電性、抗靜電性、抗菌性能等特殊材料;不同彩色農地膜具有除草或避蟲、育秧等作用。即通過配色著色還可達到某種應用上的要求。
著色劑
顏料特性：顏料是不能溶于普通溶劑的著色劑，故要獲得理想的著色性能，需要用機械加溫混練等方法將顏料均勻分散于塑料中。
除此之外，微納米復合膜經過七個循環之后，未觀察到充電容量的顯著降低，復合膜仍舊保留89.9%和65.1%的?OH和H2O2充電容量，說明復合膜具有很好的結構穩定性，表明其可以用作多次重復利用的醫用抗菌防護材料(見圖4)。
f) 水消毒性能與最先進的抗菌材料的比較。g) 總有機碳(TOC) 和總溶解固體 (TDS) 殘留物以及 h) 原始去離子水和 ABH 浸泡 2 小時后去離子水的紫外-可見吸收。
圖4. 基于ABH 的抗生物污染太陽能水蒸發器。a)CCS、ABH 的 UV-vis NIR 光譜，以及AM 1.5 G 傾斜太陽光譜的標準化太陽光譜輻照密度。
