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BSM CHEMICAL IMPORT & EXPORT CO.,LTD.

具有安全、杀菌能力强等优点的新型抗菌材料纳米银,精准控释载体是今后研究重点

来自话题:#纳米农业
2022-09-14
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世界农化网中文网报道:纳米银是基于纳米技术研制的新型抗菌材料,由粒径1~100nm金属银微粒组成。银是杀菌能力最强金属,而纳米银因粒径超小,表面积大,具有明显表面效应,其杀菌效果是普通银的数百倍。银离子可与细菌细胞的DNA键合,导致DNA结构改变,最终抑制DNA复制,从而有效抑制细菌数量增长。因为银在浓度较低时对人体安全,也难以产生抗药性,加上银系无机抗菌剂还具有稳定性好、安全性高等优点,因此银系纳米抗菌材料应用颇为广泛。


一、纳米银抗菌剂的载体


本文分析了2000-2021年纳米银抗菌剂相关专利。从事纳米银载体研究的主要有郑州大学、华东理工大学等高校,舟山明日纳米材料有限公司等一些企业。纳米银抗菌材料的制备主要包括抗菌载体的合成和纳米级银离子抗菌粉体的制备两个阶段。图1为2000-2016年的纳米银载体专利。有些载体除了具有负载功能外,本身还具有杀菌、光催化等作用。专利报道的纳米银载体主要包括无机载体、有机载体和新型载体。


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2000-2016年专利报道的纳米银载体材料


二、无机载体


纳米银无机载体种类众多,包括硅氧化物(二氧化硅)、磷酸锆、羟基磷酸锆、沸石系类、凹凸棒石、埃洛石纳米管、硅胶、碳纳米管、蒙脱土、膨润土、高岭土、粉煤灰、石英、石墨烯等。下面主要以沸石和磷酸锆载体介绍纳米银无机载体的发展进程。


1. 沸石


沸石,又名分子筛,是一种碱金属或碱土金属的结晶型硅铝酸盐,其结构为硅氧四面体和铝氧四面体共用氧原子而构成的三维骨架结构,具有较大的比表面积。由于骨架中的铝氧四面体电价不平衡,为达到静电平衡,结构中必须结合钠、钙等金属阳离子。而此类阳离子可以被其他阳离子所交换,从而使沸石具有很强的阳离子交换能力。沸石作为纳米银的载体,具有良好的负载功能和缓释功能,这使得沸石作为载体的纳米银抗菌剂具有良好的抗菌寿命。载银沸石抗菌剂的抗菌能力随着离子交换量的增加,即随载银量的增加而提高。离子交换过程有瞬时性,如果溶液中交换离子的浓度过大则会在表面沉积银颗粒堵塞沸石的孔道,影响沸石的抗菌性能和表观性能。


2003年,专利CN1391813A将沸石作为纳米载体,其公开了将研磨的矿物质沸石粉产物粒度达到2μm,含量大于总沸石粉的90%以上。然后加入硝酸银溶液,再加入添加剂使固液分离。将固体物质烘干制得纳米组装无机抗菌剂。随后,人们认识到上述方法制备的沸石纳米银抗菌剂在实际应用制作抗菌陶瓷时,抗菌性能大大降低。专利CN1685830A克服上述缺陷,通过改变沸石粉的粒径,使其在应用时具有更好的抗菌效果。人们发现纳米级沸石可以很好地解决银变色问题。之后,在专利CN101167451A中发现了硅铝比低的沸石分子筛作为纳米银载体,能加强其抗菌效果。


2. 磷酸锆


磷酸锆是常用的纳米银载体之一,其载银能很好地满足抗菌性能、耐热性、耐久性和安全性、耐高温的要求,缺点是银负载量小。专利CN1383723A公开了采用纳米级磷酸锆作为银的载体。专利CN102239887A 公开了用超滤膜除去合成磷酸锆过程中产生的副产物无机盐,以使磷酸锆载体不需要经过高温煅烧就可以直接用于吸附、置换银离子。随着研究的深入,专利CN105532731A发现用壳聚糖对磷酸锆进行辐射交联改性,制得改性磷酸锆载体,最后涡旋负载银离子后,能够激化银的抗菌性能;另外,壳聚糖具有良好的缓释性能,其的加入解决了银离子极易团聚、释放过快的问题,此种载体纳米银具有广阔的应用前景。


2010年后,对纳米银载体的研究主要集中于对一些已知材料的改性和新载体的发现方面。如专利CN103461382A发现改性的蒙脱土载银具有较好的效果。专利CN101999411A、CN103843822A、CN105498698A发现了埃洛石纳米管、碳纳米管、石墨烯能够作为纳米银的载体,且具有较好的抗菌效果。从目前抗菌剂的研究以及应用现状来看,具有绿色安全、性能稳定、抗菌持久的纳米载银无机抗菌剂将是今后研究的主流方向。


三、有机载体


纳米银有机载体种类多,如天然多孔植物、藻类、通草、蜂胶、壳聚糖、聚酰胺、蛋白、淀粉、贝壳粉、木素、纤维素、聚合物核壳结构、聚合物微胶囊等。有机载体为聚合物载体,一般分为天然高分子物质和合成高分子物质,具有缓释药物,减少飘移,提高药物稳定性等作用。21世纪初,其技术普遍比较落后,朱红军在专利CN1322474A中公开了采用天然多孔植物材料的纤维吸附银,制备的银微粉具有极强的抗菌能力和广谱抗菌性,遇水杀菌力更强,无毒性、刺激性、过敏性和耐药性。随后,郑江龙的专利CN1498536A具体发现了一种天然多孔植物茎髓载体负载纳米银,有效地提高了载附在载体上的纳米银粒子的稳定性。专利CN1600104A、CN166943A发现通草和蜂胶也能作为纳米银的载体。


专利EP1753293A2发现银纳米颗粒可用浸软的植物组织细胞的水溶液生物学稳定化,这是一种绿色的生物稳定化途径。然而上述物质虽然环保,但是其材料不易得,工业应用较难,可能会出现银分布不均匀,载银量不高的情况。因此,研究者把目光放在了材料易得的高分子化学物质上,从2005年开始,就有研究者发现银负载于微胶囊外壳效果较好。如宝力科莱株式会社的专利US2004247690A1公布的内容。2010年以后,研究者更多地研究以高分子材料作为纳米银的载体,如多糖聚合物、壳聚糖、海藻酸钠,其专利申请量也越来越多,市场需求也越来越大。


专利US2012171271A1、US5011602A讲述采用聚氨酯载体和纳米银组合,其抗菌效果好。南开大学的专利CN102165960A公开了一种聚合物乳胶粒子为纳米银的载体,其制备成本低,生产过程简单,银纳米粒子不易团聚,可长期稳定存在,乳液不会变质,可长期保存。厦门大学的专利CN103315001A公开了纳米银负载于单分散聚合物纳米球表面的抗菌复合材料的制备方法,其是通过无皂乳液法聚合的单分散聚(苯乙烯-丙烯酸)纳米球作为聚合物基体,其银离子负载均匀。但是,一些多糖聚合物载体在使用过程中存在易降解、不稳定的问题。而西南大学的专利CN103749535A发现采用木素作为载体能够解决上述问题,且所得物质抗菌能力强。郑州大学的专利CN103329893A公开了银和富勒烯纳米复合材料的制备,可有效避免纳米银颗粒之间的团聚。


河北科技大学的专利CN105494430A公开了一种载银低分子量壳聚糖复合微球抗菌剂及其制备方法,可使纳米银粒子进入微球内部,从而明显提高复合抗菌剂的抗菌活性,所得抗菌剂具有广谱的杀菌性,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有高的致死率。为了提高高分子材料载体的稳定性,研究者把无机网络结构与高分子通过合适的方式进行复合,这类材料既具有无机组分较好的机械强度和良好的化学稳定性,同时又保持了高分子材料的三维网络结构和环境敏感性能。如江苏时空涂料有限公司的专利CN105532731A公开了一种缓释型磷酸锆载银抗菌剂,其将壳聚糖引入磷酸锆载银抗菌剂中,解决了银离子极易团聚,银释放过快的问题。


四、新型载体


2017年之后,对纳米银农药载体的研究主要集中于安全环保、精准控释、更加稳定等方面,研究者把更多目光放到天然高分子材料、两亲聚合物以及有机、无机载体复合材料上,如竹炭、蛋白质、金属有机框架等,这些载体性质稳定,环保高效,且能够精准释放。华南理工大学的专利CN109676149A公开了一种绿色合成核壳结构的小麦醇溶蛋白/纳米银颗粒,解决了现有方法生产的银纳米材料容易聚集和氧化的问题,所制得的物质具有良好的分散性和稳定性,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的杀菌作用。现主要介绍2种新型载体。


1. 金属有机框架


金属有机框架(MOFs)是以金属离子为连接点,有机配体为支撑构成的多孔材料,具有良好的结构可裁剪、巨大的比表面积及多种多样的拓扑结构,将银纳米颗粒负载于MOFs上可以有效避免其团聚,高效发挥其抗菌性能。用于农业领域,其金属离子还能作为营养元素利于植物生长。金属有机框架作为纳米银载体的专利申请主要集中在2018年以后,主要申请人为大学,如厦门大学、太原理工大学、浙江大学等。太原理工大学的专利CN109820000A 公开了一种MOFs载纳米银抗菌材料,将10nm以下的纳米银颗粒附载于MOFs的表面、骨架及孔道中,避免纳米银的团聚,实现高效抗菌作用。上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司的专利CN111109293A公开了ZIF-8金属有机框架(MOFs)负载银,提高了复核材料的银载带效率,实现高效抗菌作用。采用PVP弱还原性原位生长的纳米银均匀分散在ZIF-8的表面、骨架和孔隙中,避免了纳米级银颗粒的自发团聚。厦门大学的专利CN113712045A公开基于金属有机框架的银纳米颗粒复合抗菌剂,衢州学院的专利CN111296480A公开了以铁基金属-有机框架材料为载体,可以避免银纳米颗粒与外界的直接接触,防止银纳米颗粒被污染;并且可以减少银纳米颗粒自身之间的团聚,大幅增加抗菌效果。由于体系内外银纳米颗粒的浓度差,银纳米颗粒可以缓慢持续从孔道释放至外界,因此该装载银纳米颗粒的铁基金属-有机框架材料具有银纳米颗粒缓释功能,可以增长抗菌时间。MOFs是具有很大应用前景的纳米载体,值得持续关注。


2. 生物炭


生物炭是以生物质作为碳源,具有高比表面积、多孔性、吸附能力强、稳定性好等优点,生物质竹炭具有负离子穿透和吸附等特性,良好杀菌抑菌效果。将生物质竹炭和纳米银结合,可以具有更好的抗菌效果。将竹炭作为纳米银的载体,较早申请专利的申请人是中国计量大学,申请日为2015年6月22日,授权日为2018年4月3日,公开号为CN104861388A,其公开了一种银和竹炭复合材料的制备方法,成功制备出了具有较大比表面积和优异抗菌性能的银和竹炭复合材料。


同济大学的专利CN106925216A 公开了载银TiO2改性竹炭材料,兼具有竹炭的多孔吸附功能和载银纳米TiO2的可见光催化杀菌功能,两者能够协同作用,优势互补,使得复合材料具有优异的吸附调湿及光催化杀菌效果等。工谷环保科技有限公司的专利CN113080203A、CN113115791A公开了竹炭作为抗菌剂纳米银的载体,可以减少纳米银流失,从而具有持久的抗菌活性,同时结合纳米银粒子和竹炭双重的杀菌功效,对金黄色葡萄链球菌等细菌的抑菌效果大大增强。而采用季铵盐对竹炭进行改性后,能够增加银等活性成分的负载量,提高其杀菌性能。


五、结语与展望


纳米银具有安全、杀菌能力强等优点。已研究开发了各类银系抗菌剂和银系复合抗菌材料,所用载体形式多样,载体材料易得,价格低廉,安全环保。精准控释载体则是今后研究的重点。相信随着纳米银载药研究的进一步深入,定会发现更多纳米银载体,由此制备出更安全、高效、经济的纳米银抗菌剂,应用于更广阔领域。


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