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银系无机抗菌剂作用机理的研究进展

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

银系无机抗菌剂作用机理的研究进展

     自从八十年代中期以来,工业发达国家陆续开发无机抗菌剂材料。虽然它们的抗菌效果比不上有机抗菌剂,但却有许多难得的优点:无毒性、耐热性好、使用寿命长、不易产生抗药性等,所以得到广泛应用。在日本和美国,它已成为商品进入市场,所制成的各类抗菌产品也广泛用于医院、餐厅、高级住宅及其他日常生活领域。

很久以前,人们就发现了银的杀菌性能,并且在医药界使用。人们习惯用银片覆盖伤口预防溃烂;用银丝织成的纱布包裹皮肤创伤;用银汞填补牙洞;磺胺嘧啶银及氟派酸银可用来治疗烧伤;婴儿出生时滴上硝酸银溶液可防止粘膜感染。现在用银的化合物配制的抗菌材料更是无机抗菌剂中一个重要的门类。

由于细菌与抗菌剂之间的生化反应复杂,影响的因素颇多,且测试的条件尚未全面规范化,以致抗菌的机理有不同的解释。加上新口种抗菌剂不断出现,所以其作用原理更有待全面深入地研究后才能得出结论。

1 影响抗菌作用的因素

11抗菌剂的成分

     银系抗菌剂通常由抗菌金属及无机或有机载体组成。

     金属离子是抗菌剂中关键的抗菌成分,它们的抗菌能力差别颇大。高山正彦等人曾测定金属离子的抗菌能力。

     松本斡治在所编的“新杀菌工学实用手册”一书中列出了一些金属离子对沙门氏菌的最小阻止发育浓度值。其中 Hg2+、Cd2+、Pb2+ 虽有一定的抑菌能力,但同时有毒性,因而无实用价值。此外,由镍、钴的化合物无法得到白色粉末,不宜作工业用材料。

银、铜、锌是典型的杀菌金属。它们对革兰氏阳性菌与阴性菌的代表菌种的最小杀菌浓度MBC和最小 阻止发育浓度MIC的数值如下表。银离子和铜、锌离子比较,显示有非常强的杀菌能力,其主要原因是它极易被还原(氧化还原电位低,离子化倾向高);而且它和有机物官能团的反应力很强。

将载体与抗菌金属离子配合使用的目的是让二者形成无机复全物或稳定的有机螯合物,牢固地承载在抗菌产品上。为了使金属离子均匀分布和稳定保留在产品上,并且缓慢释放以处长具有抗菌效果的时间,通常先用有空洞或层状结构的多孔物质作载体,如沸石、活性炭、不溶性磷酸盐、层状粘土矿物、硅胶及树脂类、无环聚醚类化合物等。

目前采用得最多的载体是沸石。所制成的银沸石已在日本和美国作为商品投放市场。谌喜珠曾开展了银、铜、锌离子沸石的制备和抗菌活性的研究,结果表明:

(1) 含1种金属离子的沸石,当其金属离子含量相同时,其抗菌效果强弱的顺序为:银沸石>铜沸石>锌沸石。

(2) 含2种金属离子的沸石,其抗菌效果明显高于含1种金属离子的沸石。

另一类常用的载体是磷酸盐类。这些碗酸盐作为载体可充分利用其结构特征。金属离子的磷酸锆具有层状结构。让抗菌金属离子进入层间空隙中,可获得长效的抗菌剂。若同时加入有机和无机离子,可合成有机—无机复合抗菌剂。磷酸锆钠具有三维网状结构。结构中的钠离子若被抗菌金属离子置换,可得到呈立方体开头的抗菌剂微粒。用银离子、铜离子及锌离子置换羟基磷灰石中的钙离子,也可得到广泛使用的抗菌剂。

1.2 菌体细菌壁的结构

      抗菌剂的抗菌能力和菌体细胞壁的结构与成分有直接的关系。细胞的基本结构中细胞壁在最外层,它使细胞具有一定形态且承担着保护菌体的作用,和抗菌剂首先接触的就是它。如果细胞壁受到损伤,细胞便难以生长,甚至残废采用同种抗菌剂来处理不同菌体时,抗菌的效果是不同的,因为细胞壁的厚度和化学成分随细胞品种的不同而有差异。革兰氏阳性菌细胞壁的肽聚糖层厚而且致密,内嵌有磷壁酸,较少甚至没有类脂质、脂多糖、脂蛋白。革兰氏阴性菌的细胞壁薄而疏松,且由磷脂质、脂多糖及蛋折质形成外膜。抗菌剂对肽聚糖层合成的干扰程度反映着基抗菌的效果。

1.3 抗菌金属离子与载体的四种结合方式。

(1) 金属离子物理吸附到载体上:

(2) 金属离子与载体分子进行化学结合:

(3) 用有机化合物或高分子材料对载体表面进行处理,使金属离子“锚定”在其表面上;

(4) 通过离子交换、化学反应使金属离子镶嵌入载体的结构内部。

 工藤清孝将含银抗菌剂中主要成份间的结合方式汇成表。二者结合愈紧密,则银离子释出愈缓慢,能让抗菌的基体上长期稳定地维持有效的银离子浓度,因而抗菌剂能长期有效地使用。

2 抗菌过程的分析

无机抗菌剂中的金属庆使用过程中常以二种形式存在。

(1) 由和载体结合的物体中呈离子状态溶出,吸附在细胞表面,损伤细胞壁和阻碍细胞功能系统正常运行,从而发挥抗菌作用,-这就是溶出型抗菌剂。银的离子化倾向大,易被还原,所以银系抗菌剂中银离子较易溶出。日本大量生产的载银沸石及载银羟基磷灰石都属于这类抗菌剂。它们的抗菌范围宽,但持久性较差。

(2) 金属固定在与载体相结合的晶格中,并不会溶出,但却显示有抗菌的能力,这就是非溶出型抗菌剂。其抗菌能力是由环境中的光辐射及活性氧对结合体的作用而引起。这类抗菌剂的作用范围狭,使用寿命长,其代表为含银的磷酸钛锂、磷酸锆钠。

3 银系抗菌剂作用机理研究的现状

近二十年以来,在开发无机抗菌剂生产技术的同时,一些材料与微生物学者们也在不断地探讨这类材料的作用机理。对于银系抗菌剂来说,得到多数人赞同的论点有两种。

3.1 通过银离子与细菌的接触反应表现抗菌的作用

银离子和细胞接触后,依靠静电引力吸附在带有负电荷的细胞壁上,如在菌体表面存在着过剩的银离子,还能穿透细胞膜渗入细胞与胞体的组成部分发生反应。

取代细胞中酶蛋白的巯基,使蛋白质凝固,使酶丧失活性;

溶出的银离子与膜蛋白质结合,损伤细胞膜,导致膜内物质外漏;

干扰肽聚糖的合成,阻碍细胞壁的形成,抑止细胞的繁殖与生长;

到达细胞内的银离子和DNA反应,破坏细胞中一些功能系统,的正常活动,妨碍代谢作用的进行。

这些反应必然会消耗部分银离子。但当菌体失去活性后,银离子又会从菌体中游离出来,重复进行灭菌活动,因此它的抗菌效果可以延续下来。

3.2 通过光的催化反应形成活性强的自由基引发抗菌的能力

这咱廉洁的依据之一是,含载银抗菌剂的某些抗菌制品的使用过程中并无银离子溶出,却仍呈现抗菌能力。另一个依据是将自由基官司能团的清除剂加入到载银抗菌剂中,会使抗菌产品的抗菌能力下降,从而认为抗菌能力的出现是由一未免的催化反应形成超氧化物自由基氧离子及羟自由基·OH所致。

            日本学者们曾对两类组成不同的载银抗菌剂进行试验。今井茂雄等将载银抗菌剂配制成含银0.8重量%的钙—锌系中温釉料烧制在陶瓷内墙砖表面上,测定其抗菌能力与菌种作用时间的关系。高丽宽纪系统地研究载银磷酸锆的抗菌能力与外界条件的关系,他们得到相似的试验结果。

3.2.1 光与氧对抗菌能力的影响

这二类抗菌剂在暗室中几乎不显示抗菌活性,但在可见光照射下,则活性明显地得到强化。

     在氧气中的抗菌活性比在空气中强;

     在氮气中的抗菌活性比在空气中强;

     在氮气中的抗菌活性比在空气中弱,由此可见,可见光和氧是引发抗菌能力不可缺少的条件。

3.2.2 抗菌过程中产生自由基的确认

在探讨无机抗菌作用机理的实践中用来检测自由基的方法有以下几种。

(1)利用清除剂的作用确认自由基的存在。今井茂雄曾向大肠杆菌菌种中加入一定浓度的自由基清除剂溶液。发现这时载银抗菌釉面砖上残存的活菌数远比未加清除剂前要大得多。因为半胱氨酸会吸收所有自由基官能团,而丙氨酸、碘化钾则是羟自由基·OH的清除剂,从而说明自由基的存在是抗菌力的源泉。

高丽宽纪将一定量的过氧化氢酶及过氧化物歧化酶加入载银磷酸锆中,同样会降低后者的抗菌能力。这是由于这二种酶能清除氧离子和氢氧离子和防止其产生。因此可反证光催化反应会生成自由基。

(2)根据氧化的效果判断超氧化物自由基氧离子的存在。通过闭环氧化反应超氧化物自由基可将肾上腺素氧化成肾上腺素红。根据肾上腺素氧化变色彩程度可判定氧离子的存在与多少。

(3)采用旋俘获法鉴定氧离子与氢氧离子

  由于氧离子与氢氧离子是不稳定的自由基,难以直接应用电子自旋共振波普技术进行检测,而只能选用具有抗磁性的自旋俘获剂,使不稳定自由基附国在俘获剂的中性分子或离子的不饱和键上起加成反应而变成比较稳定的自由基。通过解析俘获自由基后的ESP谱图可间接鉴定氧离子与氢氧离子的存在。在光照射下,以DMPO为自旋俘获剂载银磷酸锆的ESR谱图。其中上图为载银磷酸锆悬液的ESR谱图;中图为添加清除剂碘化钾的载银磷酸锆ESR谱图。从此图中可见到典型的分裂峰形,表示羟基官能团的生成。若羟自由基的峰形消失,就形成超氧化物自由基。这些自由基的峰形完全不存在。上述结果证明,载银磷酸锆受可见光照射会生成氧离子与氢氧离子自由基。

3.2.3 光催化反应与自由基的生成

自由基是带有不成对电子的分子、原子、离子,一般均显示极活泼的化学性质。当物质受到射线的照射或通过光化学反应吸收了外界提供足够大的能量后,会使原来带有成对电子的分子、原子或离子转变为带有不成对电子的自由基。根据这个规律,可将载银抗菌剂因光催化作用而出现自由基的过程描述如下。

可见光将电子e激发出来,此电子使空气和银离子吸附的氧分阶段子还原生成超氧化物自由基氧,此外,光还激发出失去电子的带正电荷的电子空穴氢离子,命名水中的氢氧阴离子氧化生成羟自由基,既可作为还原剂供给电子,又可作为氧化剂接受电子。氢氧离子的化学性质更为活泼,易与生物体内的生物分子反应。这些自由基不仅会损伤细胞的遗传基因,还会破坏细胞结构,阻碍细胞的分裂增殖活动,从而使细胞死亡。

4 值得探讨的问题

由于人们对生活与工作环境的卫生要求日益提高,因而抗菌剂的市场迅速扩大。试举无机抗菌剂生产集中的日本为例,1997年总产量为400吨,估计2000年会达700吨;载银抗菌剂商品的品种达二、三十种之多。我国研制开发无机抗菌剂起步较晚,虽然目前也有若干品种进入市场,但生产尚不具规模,也未得到相关待业的认可。值得指出的是,我们对抗菌剂的作用与抗菌能力的测试等技术基础工作未普遍开展。建议微生物学者及材料科学工作者们联手对下列内容展开研究。

(1) 选定评价抗菌剂及抗菌制品抗菌能力的指标MBC、MIC菌种残存率、杀菌率等,以便对比时采用;

(2)探讨银与钛所引发的光催化作用的异同;

(3) 观察细菌以何种机构、方式摄取抗菌剂中的金属离子;

(4) 测定抗菌剂中银的价态及聚集状态对抗菌能力的影响

(5) 测定载体组成的变化与抗菌能力的关系;

(6) 对微生物学中应用的自由基定量测定方法进行移值性试验。

 相信上述基础工作的开展对保证抗菌剂及抗菌物品的质量稳定性和加快开发新品种的步伐是有益处的。

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