随着社会的发展和人们生活水平的提高,微生物污染和感染问题受到越来越多的关注。传统抗生素治疗曾为感染性疾病的治疗带来了革命性的突破,但过度使用抗生素导致细菌耐药性的出现,使得许多抗生素的治疗效果大幅度降低。此外,抗生素的滥用还会对人体产生副作用,影响人体健康。因此,研究并开发具有高效、广谱、持久抗菌特点且能克服细菌耐药性的新型抗菌材料成为研究热点之一。
20世纪80年代末90年代初,研究人员开始尝试利用稀土元素包括稀土氧化物和稀土配合物等制备抗菌材料,这为后续研究奠定了基础 。随着纳米技术的快速发展,稀土氧化物纳米颗粒因具有较大的比表面积和特殊的表面活性,有望表现出更强的抗菌效果。目前稀土抗菌材料在医疗器械、食品包装、环境治理等领域已得到实际应用,如稀土离子涂层被广泛用于医疗器械表面,以防止微生物污染和交叉感染。
随着稀土抗菌材料需求的增加,将稀土与其他材料复合制备稀土复合抗菌材料成为发展趋势。稀土复合抗菌材料不仅可以提高稀土的抗菌效率和稳定性,减少稀土用量,还能增强材料的功能性和特异性。笔者介绍了稀土抗菌材料的类型及其抗菌机理,综述了稀土抗菌材料的研究进展及未来的发展趋势。
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根据材料组成可以将稀土抗菌材料分为三大类:稀土氧化物抗菌材料、稀土-无机复合抗菌材料和稀土-有机复合抗菌材料。
稀土氧化物抗菌材料是以稀土元素构成的氧化物作为抗菌主体,利用稀土离子的独特性质来抑制或杀灭微生物。稀土-无机复合抗菌材料结合了稀土元素和其他无机物质,如金属或者金属氧化物等,通过物理或化学方法合成,依靠稀土元素与无机组分之间的协同效应发挥抗菌作用。稀土-有机复合抗菌材料是将稀土元素与有机化合物结合,可以形成配合物或者其他类型的有机结构。该材料不仅保留了稀土元素的抗菌特性,还可能借助有机组分的功能性,达到更好的抗菌效果。
氧化铈(CeO2)是稀土氧化物中一种非常重要的多功能性材料,比表面积大,对延长缓释时间具有较好的作用,同时CeO2 具有优异的储放氧功能及高温快速氧空位扩散能力。CeO2 本身具有一定的抗菌作用,而且对正常细胞毒性相对较低,可在 Ce(III)/Ce(IV)这2种价态之间可逆转换,具有独特的抗菌机理。
综上所述,具有适宜粒径、刚性结构形态以及大比表面积的稀土氧化物,在抑制微生物活性方面效果显著。此外,部分稀土氧化物更因对人体细胞呈现出较低的毒性而备受关注,在医疗领域具有广阔的应用前景。
1.2.1 稀土-金属离子型抗菌材料
稀土-金属离子型抗菌材料是通过离子交换、吸附和沉淀等方法将稀土离子与抗菌金属离子负载到无机载体上制备的复合抗菌材料。这些金属离子具有抗菌作用,而载体的大比表面积、稳定化学性质和强阳离子交换能力则增强了金属离子的缓释持久性和抗菌剂的使用寿命。
稀土-无机复合抗菌材料比单一抗菌剂的抗菌效果好,主要是由于稀土与其他金属粒子之间的协同作用增加了抗菌元素负载量,促进产生了更多的活性氧。但是不同元素之间的协同作用机理都不相同,因此对正常细胞的毒性需要深入探究。
1.2.2 稀土-光催化型抗菌材料
稀土-光催化型抗菌材料通常是将稀土元素或其化合物与其他材料(如TiO2等)结合,制备成具有光催化活性的复合材料或涂层。在光照作用下,该材料能够产生具有强氧化性的活性氧物种,破坏微生物的细胞膜、DNA等结构,从而达到抗菌效果。
目前制备的稀土掺杂光催化型复合抗菌材料,是将2种或2种以上具有抗菌效果的组分负载到TiO2等比表面积大的载体上。在不影响载体原有结构、形貌的基础上,抗菌组分之间发生协同效应,增强了光催化活性,在相同的光照条件下,产生更多的电子-空穴,进而生成更多的活性氧,从而大幅度提升抗菌效果。
微生物感染是人类面临的主要问题,也是对社会的挑战。席夫碱是一种有机化合物,具有优异的抗菌、抗真菌作用。利用席夫碱-稀土配合物进行药物设计是一个新的研究领域。稀土-有机复合物在促进伤口愈合及伤口抗菌方面的作用也开始受到关注。
稀土-有机复合抗菌材料结合了稀土元素和有机抗菌剂的优点,具有高效的抗菌性能。稀土元素能够破坏细菌细胞壁、细胞膜和胞内的DNA、蛋白质和酶,阻碍细菌的生命活动,抑制细菌的生长繁殖。同时,有机抗菌剂能够提供广谱的抗菌效果,对多种细菌都有抑制作用。但复合抗菌材料制备工艺复杂,需要精确控制稀土元素和有机抗菌剂的配比和反应条件,而且抗菌效果受温度、湿度、光照等环境因素的影响。在一些极端环境下,其抗菌效果可能会降低。
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目前稀土氧化物抗菌材料的抑菌机理主要为催化氧化型、金属离子释放型和直接接触型。稀土氧化物的抗菌活性源于这三者的共同作用。以CeO2为例,CeO2的抑菌机理主要在于其与细菌的直接接触。通过静电相互作用,带正电荷的CeO2纳米颗粒被吸附在带负电荷的细菌膜上,进而干扰细菌与溶液间的正常物质交换,阻碍细菌生长。此外,释放的铈离子能够改变细菌的电子流,并与—SH基团发生反应,导致蛋白质凝固,最终引发微生物死亡。随着细菌的死亡和降解,铈离子得以释放,继续发挥抗菌作用。此外, 氧化应激在抗菌过程中也发挥着关键作用。在光照条件下,细菌膜表面的Ce(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)可发生可逆转化,产生活性氧和羟基,这两种物质的氧化还原能力很强且具有很强的化学活性,当微生物内的核酸、蛋白质、多糖等有机物接触到这些自由基时,就会氧化成CO2和H2O,进而导致微生物失去活性 。CeO2本身的不规则形状和粗糙边缘有利于细菌膜的物理损伤。
稀土-无机复合抗菌材料的抗菌机理除了离子释放、氧化还原作用,还有表面效应和光催化作用等。首先,稀土元素与其他抗菌金属离子之间的协同作用能够大幅度提升抗菌效果,而且这些材料表面的纳米结构能够限制微生物的附着并破坏细菌细胞膜,从而抑制微生物的生长;其次,与具备光催化活性的半导体材料相结合,这种复合抗菌材料能够调整半导体的禁带能级结构,从而扩大光响应范围,促进活性氧的大量生成。这种复合材料的独特性质与稀土元素本身具备的抗菌活性相结合,促进了复合材料抑菌效果的提升。
随着稀土-无机复合抗菌材料的应用,未来的研究应聚焦于以下几个方面:(1)加强稀土元素与其他抗菌机理(如纳米结构、光催化等)协同作用的研究,优化材料设计,实现更高效、更持久的抗菌效果。(2)研究不同纳米结构对微生物附着和细胞膜破坏能力的影响,通过精确控制纳米结构的尺寸、形状和分布,提高抗菌性能。(3)开发新型光催化材料,调整稀土-无机复合材料的禁带能级结构,拓宽光响应范围,提高光催化效率和活性,从而产生更多的活性氧以抑制微生物生长。
稀土-有机复合抗菌材料不仅得益于稀土元素通过特定机理破坏细菌结构的能力,还与其与材料的螯合作用密切相关。这种螯合作用能够调整稀土离子的极性,并增强其中心金属原子的亲脂性,进而促进稀土离子深入细菌膜脂质层,直至细菌内部结构。值得注意的是,部分稀土配合物中的配体同样具有抗菌活性,稀土配合物通过干扰细菌的呼吸作用,干扰细菌正常生理活动,最终导致细菌死亡。稀土与具有抗菌特性的配体之间的协同作用,使其抗菌能力远超单独使用时的抗菌能力。相较于单独使用配体或稀土离子,稀土配合物的抗菌能力得到了显著增强。目前,大部分稀土元素在人体内的生物降解性是一个急待解决的问题。尽管这些材料可能在短期内对抑制细菌生长具有显著效果,但在长期应用中,可能会引发一些未知的生物兼容性问题。因此,需要进一步探索稀土元素在生物环境中的行为,以及如何通过合理的材料设计,改善其在体内的降解性。
未来稀土-有机复合抗菌材料的发展应聚焦以下方面:深入研究稀土元素与其他材料之间的作用机理,揭示其抑菌的内在原因;探索稀土无机/有机复合抗菌材料在生物体内的降解行为,以及如何通过调控材料的组成和结构,改善其生物兼容性。
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Liu等在具有抗菌活性的无机载银抗菌材料的基础上,通过氧化还原反应制备载银碳酸钙无机纳米抗菌剂。同时,在含银纳米抗菌剂的陶瓷釉中加入混合稀土氧化物,制备了纳米抗菌建筑卫生陶瓷。添加质量分数0.5%的混合稀土氧化物后,釉的白度、耐磨性、硬度和抗热震性均得到显著提高。
将铈添加到活性玻璃(BG)中,可以用作骨填充物、支架和植入物涂层。加入铈可以改善BG的生物相容性并减少植入后的并发症。近年来,Ce-BG的应用取得显著进展,不仅用于硬组织如骨和牙齿的重建,还广泛应用于医疗器械、伤口敷料、生物医用材料、抗菌药物载体等方面,为医学治疗和医疗保健提供了可靠支持。
食品加工过程中,使用抗菌材料可以减少细菌滋生,提高食品安全性。抗菌包装材料也可以保持食品的新鲜度和品质。Guo等设计了含有 CeO2−x−TiO2、黄原胶、聚丙烯酸和透明质酸的抗菌膜。测试结果表明,抗菌膜具备抗菌防雾双功能,可用于食品加工显示设备和食品包装。
Ayon等采用改进的溶胶-凝胶法将稀土元素( Ho 和 Sm)掺杂到 ZnO 纳米颗粒中。Ho3+ 和 Sm3+ 掺杂 ZnO 纳米颗粒对多种革兰氏阳性、革兰氏阴性细菌和真菌具有优异的抗菌活性,该材料还具有磁性,可应用于软磁器件、磁性开关、墙壁和织物涂层以抑制细菌传播。
抗菌材料也广泛用于抗菌墙纸,衣物服饰等方面。抗菌材料可以有效地消灭细菌,保持居室空气的健康和清洁。 Akioka等通过对稀土金属离子的简单吸附,使织物具有抗菌性能。其中吸附Ce3+的羊毛对大肠杆菌抗菌活性最好,即使在循环洗涤50次后,抗菌效果几乎不变。
医院、学校、办公室等公共场所使用抗菌地毯、抗菌沙发等可以有效地杀灭病菌,硅胶具有良好的柔软性、耐高温、耐腐蚀等特性,加入稀土元素后提升了其抗菌性能,使其在需要抗菌、防霉的场合得到应用,如办公用具、公共健身器械、公共浴室设施等。张彬等采用溶胶-凝胶法制备锌-钇抗菌硅胶,锌-钇抗菌硅胶具有粒径小,比表面积大,吸附性强的特点,抗菌硅胶对大肠杆菌具有较好的杀菌效果,最高杀菌率为62.3%。
Li等将铈、钐、铒与1-羟基-2-吡啶硫酮(PT)配位,合成了新型稀土配合物如CePT、SmPT,新型稀土配合物对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的体外抗菌功效均有显著提高,经过检测新型稀土配合物可以作为高效、长效缓释的杀菌剂。此外,该配合物对硅藻具有明显的抑制作用,对海洋浮游生物表现出良好的活性。
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稀土抗菌材料能够有效抑制细菌的生长和繁殖,但是其抑菌机理目前尚不明确,需要深入研究稀土与微生物之间的相互作用及其生物相容性,不断探索稀土抗菌材料的作用机理。为了扩大稀土抗菌材料的应用范围,还可以将稀土-无机复合抗菌材料与其他功能性材料(如生物相容性材料、药物载体等)相结合,开发具有抗菌、生物相容、药物缓释等多功能的复合材料,以满足不同的应用需求。