纳米抗菌材料介绍及应用
2020-12-26 09:54:38
健康的生存环境日益成为人类的追求目标，因此危害人类健康的环境微生物也引起人们的重视，抗菌始终是人们保障健康的重要任务。纳米抗菌材料是一类具备抑菌性能的新型材料，是在纳米技术出现后，将抗菌剂通过一定的方法和技术制备成纳米级抗菌剂，再与抗菌载体通过一定的方法和技术制备而成的具有抗菌功能的材料。
纳米抗菌材料的分类
1、金属型纳米抗菌材料
无机纳米抗菌材料中使用的金属离子多限于对人体安全的银、铜、锌等几种。金属离子对细菌的抗菌效果和对人体的危害程度如下：
抗菌效果：As5+=Sb2+=Se2+ > Hg2+ > Ag+> Cu2+> Zn2+> Ce3+=Ca2+
危害程度：As5+=Sb2+=Se2+ > Hg2+ > Zn2+> Cu2+> Ag+> Ce3+=Ca2+
Ag+对原核生物（细菌）有毒性，而对真核生物细胞无毒性作用，一般用量为10~6ug/g(24h)或≤0.5ug/ml(1h)即可灭菌，其抗菌能力在可安全使用的几种金属离子中最强，Ag+对12种革兰氏阴性菌、8种革兰氏阳性菌、6种霉菌均有强烈的杀灭作用。由于银无毒、广谱及良好的抗菌性能，目前载银无机抗菌材料在无机抗菌材料中占主导地位，在医用产品、民用纺织品、家电产品中得到广泛应用。
医用产品
伤口敷料、医用防护服、手术隔离罩等
民用纺织品
袜子、手套、内衣、女性一次用品等民用抗菌纺织品
家电产品
冰箱外壳、内胆等
2、光催化型纳米抗菌材料
光催化型纳米抗菌材料是指以纳米TiO2为代表的，具有光催化性能的一类半导体无机材料，如纳米TiO2、ZnO、WO3、ZrO、V2O3、SnO2、SiC，以及相互之间的复合物等。就使用程序和性价比而言，纳米TiO2相比其他几种光催化抗菌材料具有极大优势：一般常用的杀菌剂其银、铜成分能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后会释放内毒素等有害物质，而纳米TiO2不仅能影响细菌繁殖力，而且能攻击细菌细胞的外层，穿透细胞膜，彻底降解细菌，防止产生内毒素引起二次污染。
3、季铵盐修饰的无机纳米抗菌材料
如插层型纳米抗菌材料蒙脱土、接枝结构的纳米抗菌材料纳米SiO2粒子等。
蒙脱土属于2：1层状硅酸盐，每个单位晶胞由两层硅氧四面体夹带一层铝氧八面体构成，其两个相邻晶层之问没有氢键，只有结合力较弱的范德华力。片层之间可以随机旋转、平移，层问具有可交换的水合阳离子，同时具有很强的吸附性能，适合作为无机和有机阳离子抗菌材料的载体。
无机的纳米SiO2粒子作为塑料中的掺杂相，被塑料包裹不易向外迁移和析出，从而使得抗菌塑料具有良好的抗菌长效性。在纳米SiO2表面共价接枝高分子季铵盐，制备出抗菌纳米SiO2粉体，抗菌效果与载银无机抗菌材料相当，两种抗菌材料对沙门氏菌和大肠杆菌的抗菌率都达到90％以上，接枝高分子抗菌材料的纳米SiO2粉体对革兰氏阳性菌的抗菌效果要高于载银的无机抗菌材料，后者在对革兰氏阴性菌的抗菌效果较好。
4、复合型纳米抗菌材料
目前，绝大多数纳米抗菌材料使用的是单一纳米抗菌材料，存在一定的局限性，因此设计开发新型具有快速、高效杀菌功能的抗菌材料成为当前纳米技术扩展研究的一个重要方向。沸石是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐化合物，其骨架结构中的金属离子Na+、K+、Mg2+可以被Ag+等金属阳离子交换，将Ag+引入到沸石结构进行改性，可以克服普通载银沸石抗菌材料易变色、综合性能差等不足。
纳米抗菌材料的制备方法
纳米抗菌材料的制备方法按抗菌离子引人纳米级载体结构的方式，可以分为后期添加法和本体加入法两种。后期添加法是在已有的无机纳米材料上负载抗菌离子来实施的，具体又可分为离子交换法和络合-被覆法。
后期添加法
离子交换法
用抗菌金属离子与载体中起平衡电价作用的钠、钾、钙等阳离子相交换，从而赋予载体抗菌功能。
络合-被覆法
通过抗菌金属离子与络合剂硫代硫酸钠等络合，然后用硅胶吸附带负电的络合金属离子或金属离子，最后，用溶胶-凝胶法外涂覆一层二氧化硅膜获得抗菌产品。
本体加入法
以抗菌离子作为原料之一参与纳米级载体的纳米抗菌材料合成的方法。
三种方法各有千秋：
离子交换法是目前最为常见的纳米抗菌材料制备方法，原则上可适用于一切结构中存在可交换阳离子的无机载体；络合-被覆法制备的纳米抗菌材料具有优良的稳定性；本体加入法主要应用于可溶性玻璃抗菌材料的制备，即在成分设计时将抗菌金属离子的盐作为组成的一部分，按照玻璃的通常制备方法制得玻璃抗菌材料。
纳米抗菌材料的应用
1、纳米抗菌涂料
童忠良通过在乳液聚合过程中加入含SiMPC／MMA／BA 乳液，引入接枝粒径较小的单分散有机硅单体种子乳液生成水性的高固含量三元聚合纳米复合乳液，可应用于水性材料的抗紫外线防老化保护。
2、纳米抗菌塑料
塑料抗菌材料是一类新型塑料添加剂，添加少量抗菌材料可赋予塑料长期的抗菌和杀菌 能力。一项检验结果显示：用塑料制作的手机，每平方厘米驻扎着的细菌约有12万个，被称为“手机上的细菌比马桶还多”。塑料抗菌材料添加量为1％ 即可在塑料中长期抗菌和杀菌，国内已普遍使用。
抗菌塑料的应用
应用领域
应用产品
食品用具
食品保鲜膜（袋）、餐具、菜板、食品加工机、保温瓶壳
电子通信
电话机、传真机、移动电话、话筒、键盘
家用电器
冰箱、洗衣机、空调、洗碗机、录像机、电饭锅、电熨斗、换气扇
建材
装饰板、内墙涂料、油漆、壁纸、家具、卫生间设施
办公用品
纸张、文具
玩具
塑料、木制玩具、棋子
医疗卫生
医院设施、注射器、输液器、医护人员及病人的服装
日常用品及其它
牙刷、交通工具内饰件、乐器、助听器、污物筒、包装袋等
3、纳米抗菌纤维
纤维由于能够吸附很多微生物，如果温度适宜，微生物就会迅速繁殖，进而对人体产生种种危害，纺织品纤维抗菌是人们保证健康的重要环节。
图美国Noble纤维技术公司研发生产镀银纤维X-Static具有抗菌、抗静电、导热功能
德国特雷维拉公司推出了多功能抗菌纤维Trevira Bioactive，既能抵抗所有普通细菌，同时纤维手感及抗起球性优良，可与棉纤维混纺或用作填充纤维。
4、纳米抗菌陶瓷
日本最大的两家建筑陶瓷和卫生陶瓷公司INAX和TOTO推出的抗菌型制品，在国际市场上引起人们对无机抗菌材料生产与研究的极大关注。国内抗菌卫生洁具率先在广东佛山 问世并少量投放市场。江西瓷厂等单位合作研制开发纳米磷酸锆载体银为抗菌材料的抗菌陶瓷餐具等产品，实现了陶瓷餐具表面抗菌化。
5、纳米抗菌建材
现代建筑气密性好，隔热和换气不充分，墙壁可能结露、潮湿，这种环境为真菌等微生物的繁殖、增生提供了有利条件。使用抗菌建材和抗菌涂料、抗菌油漆等可使家具表面、居 室内墙、室内空气中的细菌存活率大大降低，是降低细菌交叉感染和接触感染概率的有效途径。
纳米抗菌材料具有不同与宏观复合材料的许多优异性能，比如耐热性高、使用方便、化学性能稳定、抗菌的光谱长效以及对人体安全无害等，使得纳米抗菌材料广泛应用于建材、陶瓷洁具、纺织品、塑料等众多领域。相信随着科研的不断深入，纳米抗菌材料必将在医药、日用、化工、建材等各个领域发挥越来越大的效用。
参考资料：
[1]孙镇镇.纳米抗菌材料的分类及抗菌机理与应用[J]中国粉体工业；
[2]沈海军,史友进.纳米抗菌材料的分类、制备、抗菌机理及其应用[J]上海建材；
[3]张文毓.纳米抗菌粉体材料的制备与应用[J]中国粉体工业;
[4]贾冬舒,杨飞华,童忠良.纳米抗菌材料制备方法与应用研究进展[J]建筑装饰材料世界
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