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微生物退散!纳米MgO发挥抗菌硬实力
2020年08月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:414
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微生物数量庞大、无处不在,是人类非常重要的邻居,在应用得当的情况下,甚至还可以转变为对人类有益的有益菌,用于制造酸奶、奶酪、酱油、醋、酒等发酵产品。但微生物并非所有时刻都是友好的,它们同样能对工业产品、人类和动植物带来危害,如食品变质、破坏纤维素类产品、使化妆品中药材等产品腐败等。

 

没有添加防腐剂的汉堡放了34天后的样子

图片来源:汉堡王创意广告《The Moldy Whopper》

 

但这些跟传染病流行比起来,都只能算小事。迄今为止,传染疾病依然是人类的最高发病率与致死率的疾病。虽然人类在疾病的预防和治疗方面已到了前所未有的高度,但微生物的进化速度仍远超过人类研发成功新抗生素的速度。而且大量滥用广谱抗生素更加促进许多菌株产生基因突变、发生变异,具有更强的耐药性。

 

人类遭遇的第一次流感大流行:1918年西班牙流行性感冒

 

要解决问题,最好就从源头开始整顿,既然治疗有困难,那就想办法避免人们患病,因此广谱抗菌材料开始受到重视。其中,纳米氧化镁(nano-MgO)由于具有许多不同于块体氧化镁的光、电、磁、热、化学及力学等性质,成为一种新型功能无机材料,尤其是在与人类生存和健康密切相关的抗菌材料领域,更显示了独特的优势,如持久和广谱的抗菌活性、成本低、不易变色、无生物毒性等。

 

纳米氧化镁的SEM图像(A比例尺:200 nm ;B比例尺20nm)

 

一、纳米氧化镁是怎么抗菌的?

正确认识氧化镁的抗菌机理,对于提高材料抗菌活性研究具有重要意义。下图所示的是氧化镁的两种主要抗菌机理,包括活性氧氧化损伤吸附作用的机械损伤

 

活性氧(ROS)氧化损伤

日本科学家SAWAI等对陶瓷粉体进行研究时,提出了MgO的活性氧(reactive oxygen species,ROS)氧化损伤机理,即nano-MgO表面的氧空位可以催化水中的溶解氧发生单电子还原反应而产生超氧阴离子自由基O2由于O2具有强氧化性,因此可以破坏细菌细胞膜壁蛋白肽链,从而迅速杀死细菌。

 

 

MgO在水溶液中易水合生成Mg(OH)2,使颗粒表面包覆一层OH而呈碱性,碱性环境中O2具有较高化学稳定性和杀菌能力。相对于块体MgO,nano-MgO比表面积大且表面氧缺陷多,易水化生成Mg(OH)2,且可产生大量的O2,从而具备强的杀菌能力。研究表明,MgO水合生成的Mg(OH)2会使溶液的pH上升到10.5左右,而用相同pH的NaOH水溶液对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的杀菌效果却没有nano-MgO好,说明单纯的pH增加并不能促进抗菌性能提高。

 

ROS氧化损伤机制得到了大多数研究者的认可,制备nano-MgO抗菌材料时,可以通过暴露表面富含活性氧的(111)晶面增强其抗菌能力,也可以通过掺杂增加氧化镁表面的缺陷使其产生更多氧空位,或者通过与不同抗菌组分复合提高材料的抗菌性能。

 

②吸附作用的机械损伤

nano-MgO表面存在大量晶格局限羟基、游离羟基以及离子空穴等多种活性位点,这些都可以作为吸附和表面反应中心。YAMAMOTO等提出nano-MgO的抗菌作用除了ROS氧化损伤之外,颗粒对微生物的吸附作用也能造成细胞膜损伤,并且随着颗粒尺寸减小,抑菌效果越好。

 

LEUNG等也发现在没有ROS存在下,nano-MgO对E.coli依然具有很强的抗菌性能,细菌死亡应是由于与nano-MgO接触过程中细胞膜的pH改变、Mg2+释放导致细胞膜破裂,而不是脂质过氧化作用。MAKHLUF等通过nano-MgO作用细菌后的电子致密黑点表明其可以穿透细胞膜或者细胞壁进入细胞,而MgO粒径越小,细胞质中的电子致密黑点越多,抗菌活性越高;研究还发现,无定形态的nano-MgO没有杀菌能力。

图:大肠杆菌在0~2.0 mg/mL的n-MgO中培养24小时后的SEM图像

大肠杆菌的形状明显发生扭曲,其细胞壁和细胞膜受到破坏

 

吸附作用的机械损伤机理是对活性氧氧化损伤机理的补充,它不仅能够解释在没有ROS存在下氧化镁仍具有良好抗菌性能的问题,还验证了nano-MgO粒径越小抗菌性能越高机制,因此可以通过减小氧化镁粒径、增加比表面积、增强吸附作用等来提高氧化镁的抗菌性能。

 

二、该如何发挥出纳米氧化镁的抗菌性能?

目前氧化镁抗菌材料的开发路径主要有两条:一是通过粒径大小、形貌特征等控制,提高纳米氧化镁的抗菌性能,如鳞片状纳米氧化镁粉体,对炭疽热、葡萄球菌、 大肠杆菌等表现出极强的抗菌杀菌能力;二是通过氧化镁和其他抗菌材料的复合,开发新型复合抗菌材料,如活性炭/氧化镁、金属氧化物/氧化镁和氯气,溴气/氧化镁等。

氧化镁和多壁碳纳米管复合材料

 

应用上,主要有以下几种:

①以涂料为载体,通过添加2%-5%的纳米氧化镁,提高了涂料抗菌性、阻燃性、疏水性。

②通过在塑料中添加纳米氧化镁,可以提高塑料制品的抗菌率和塑料的强度。

③通过在陶瓷表面的喷涂,经烧结,提高了陶瓷的表面的平整度、抗菌性。

④通过在织物纤维中添加纳米氧化镁,可提高织物的阻燃性,抗菌性、疏水性和耐磨性,解决纺织品的细菌、污渍侵蚀的问题。

 

此外,还有科学家利用纳米氧化镁发明了可用于酸性饮料的抑菌剂(防腐剂),具有无毒、对常见饮料微生物具有较好的抑菌效率等特点,尤其是对酸性饮料中热带假丝酵母具有明显的抑菌效果,而且制备方法简便,适合工业化生产。或许在不久的将来,我们就能在食品配方上看到纳米氧化镁的身影了。

 

资料来源:

纳米氢氧化镁/氧化镁的制备及抗菌性能研究,郑军。

纳米氧化镁抗菌材料的研究进展,叶俊伟,杨瑶瑶,陈弋心,高梦阳,柴政泽,林源,宁桂玲。

Nguyen, N.T., Grelling, N., Wetteland, C.L. et al. Antimicrobial Activities and Mechanisms of Magnesium Oxide Nanoparticles (nMgO) against Pathogenic Bacteria, Yeasts, and Biofilms. Sci Rep 8, 16260 (2018).

 

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