#醫學科普#
隨著人們健康意識的提高，由抗菌納米材料製作的產品也不斷進入人們的日常生活。如目前市場上出現的納米抗菌洗衣機、抗菌保暖內衣、抗菌鞋襪等產品極大地提高了人們的生活質量。
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殺菌原因
這類納米材料為什麼會有神奇的殺菌功效呢？主要的原因有如下兩點：
1.金屬離子溶出抗菌原理
首先，市場上主要應用的納米抗菌劑是以銀離子，銅離子，鋅離子為主的金屬離子。這類離子氧化能力較強，能破壞細菌細胞的代謝過程，抑制細菌繁殖。另外，這些金屬離子可以迅速與細菌體內蛋白酶的巰基相結合，使蛋白酶失活，最終致使細菌死亡。而當菌體被殺滅後，Ag+又能游離出來繼續與其它菌體作用，進行新一輪的殺滅，直到細菌全部殺死為止。
2.接觸型滅菌機理
帶負電荷的微生物細胞容易吸引帶正電的納米顆粒，通過正負電荷的轉移來穿透細菌的細胞膜，使其蛋白質變性，無法代謝和繁殖，直至死亡。同時，納米顆粒並不會被消耗，能夠保持原有的抗菌活性，因此可以長期有效的起到滅菌作用。
抗菌劑
納米抗菌材料的核心是抗菌劑。抗菌劑主要分為天然、合成兩大類。
天然納米抗菌材料主要是沸石類礦物，其主要組成為水鋁矽酸鹽，具有納米孔隙結構。對於分子尺寸的粒子具有較強的吸附能力。天然抗菌材料具有抗菌範圍廣、安全性高、無副作用等特點。因此深受大眾的喜愛。但近年來的研究證明，此類抗菌劑的抗菌能力差、壽命短，使其使用受到限制。
合成抗菌劑又可以分為兩類。一類是離子型抗菌劑，主要有Ag+、Cu2+、Zn2+等金屬離子，其中銀離子抗菌劑的使用最為廣泛。在實驗中，將這類納米微粒放到水裡，能夠顯著降低水中細菌的活性，並去除水中的氨。不過，凡事都有兩面性。這類材料的廣泛應用也會帶來嚴重的環境問題，其中之一就是增加了溫室氣體的排放。第二類材料為光催化型抗菌劑，也稱納米光觸菌材料，常用於玻璃的殺菌，同時也是一種室外建築材料。
上面的幾種抗菌劑在日常生活中已經得到了廣泛的應用。然而，納米抗菌材料的用途並不僅限於此。科學家們正在努力將碳納米材料應用於人體抗菌抗病毒，藥物載體，腫瘤治療等生物醫學領域。
自古以來，人類的進化伴隨著與病菌的博弈。後來，人類發現抗生素能有效地控制細菌感染，因此抗生素被譽為「醫學皇冠上的一顆明珠」。然而，抗生素的濫用以及新抗生素研發緩慢等因素，導致現在的人類可能面臨無藥可醫的境地。
碳納米材料
病菌感染將威脅著公共衛生安全，同時新藥開發的過程中又常常伴隨著複雜嚴苛的技術要求和難以檢測的毒副作用。在這樣的境況下，基於抗菌納米材料具有合成簡單、成本相對低廉的優點，碳納米材料成為了抗菌納米醫學領域的一個新興研究方向。碳納米材料主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯和納米鑽石及其衍生物，是目前應用非常廣泛的一類納米材料。
石墨烯
石墨烯材料由於其相對低廉的成本和對人和環境較低的毒性，在抗菌納米醫學領域吸引了越來越多的關注。
石墨烯抗菌機制
主要有物理穿刺或者叫做「納米刀」切割，石墨烯包覆細菌體導致其跨膜運輸受阻從而遏制細菌生長。同時，石墨烯具有優越的電子傳導和電荷儲存性能有利於電荷在其表面傳輸和轉移。電荷通過不斷插入細胞造成細胞膜不穩定。這種機制使石墨烯能夠快速有效地消滅細菌。
下圖所表示的實驗為石墨烯材料在創傷治癒中的應用：
a）石墨烯量子點（GQDs）的粒徑分布；
b）未浸漬（左）和GQDs浸漬的紗布；
c）浸漬織物在一隻老鼠的傷口上（鑲嵌圖顯示了繃帶的結構）；
d）傷口被含有鹽水（參照）、雙氧水、GQDs、GQDs與雙氧水的繃帶包裹三天前後的對比照片；
e）用不同的繃帶處理後存活的細菌計數；
f）PAA–銀納米顆粒–rGO水凝膠治療傷口的照片；
g）用紗布在不同的時間點治療受傷的老鼠的照片比較：空白敷料（XSI–PU）、參照、高分子凝膠（XSI–聚氨酯/ GO-5 %）。
富勒烯
石墨烯可以殺菌，而富勒烯則可作為藥物載體。富勒烯，又稱巴基球，是又一種由碳原子形成的一系列籠形分子的總稱。它的顆粒十分微小，進入人體後，可以穿透部分生物體內的安全屏障，進入一般的常規藥物所無法到達的地方，因此富勒烯可以作為潛在的藥物運輸分子，可以有效運輸阿黴素和促紅細胞生成素。科學家實驗發現，在富勒烯輸送促紅細胞生成素EPO時，EPO的濃度達到了單獨使用EPO時的兩倍，大大提高了EPO的生物利用率。
碳納米管
除此之外，碳納米管是一種新型納米材料,它是由碳原子經過sp2雜化形成的石墨烯捲成的中空管體。其中空結構為容納藥物和生物特異性分子提供了足夠的空間。但是，沒有一種材料是十全十美的。由於碳納米管不溶於任何溶劑，限制了它在生物醫學領域的應用。所以，科學家對其表面進行修飾以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性。
據報導，通過對單壁碳納米管進行修飾，在其表面連接葉酸就可以靶向到特定的腫瘤細胞，在紅外線的照射下能特異性地殺傷腫瘤細胞，而且對正常細胞不會造成不良影響。對於著名抗癌藥物紫杉醇，科學家們的實驗表明，與單獨使用紫杉醇相比，碳納米管承載紫杉醇後，大幅提高了藥物的穿透性和在血液循環中停留的時間，對腫瘤的生長起到了更加有效的抑制作用，並且對人體正常細胞沒有毒副作用。可見，碳納米管也是一種很有潛力的腫瘤靶向性藥物載體。
碳納米材料在生物醫學領域的應用還處於研究階段，某些材料對人體的安全性、生物相容性還有待考量。不過，許多的納米產品已經應用到了我們生活中的各個領域。納米材料的變革必將讓我們的生活更加便捷，精彩。
參考資料：
《碳納米材料在生物醫學領域的應用現狀及展望》
《納米材料為什麼能殺菌》
《抗菌納米技術》
百度百科
圖片來源：網絡