纳米氧化镁的抗菌性能研究!

纳米氧化镁及其复合材料的抗菌性能研究

摘要： 参考最近有关文献，认为抗菌材料已经成为传统材料与环境一体化的方向，作为新型陶瓷抗菌剂的纳米MgO 系材料与其它抗菌剂相比，表现出独特的抗菌性和广泛的应用背景，对其研究已成为国外研究的新热点。本文总结了纳米MgO 粉体的制备方法，分析了其抗菌机理，概述了其研究进展和复合制备技术，最后指出了存在的问题和研究方向。

关键词：纳米氧化镁；抗菌；复合抗菌剂；吸附作用；氧离子O2一

1 引 言

微生物以细菌、霉菌等形式作为病原菌很容易感染人类、动植物，引起疾病和霉腐造成巨大的危害，影响着人们的健康甚至危及生命，给人类带来重大的经济损失。1996年仅仅国内某一个行业因为产品霉变而造成的经济损失就超过了5．6亿人民币，是同期国内火灾损失的23倍，说明“菌胜于火”。美国曾经由于微生物破坏造成的橡胶的损失价值高达2300万美元。根据WHO统计，全世界每年因为细菌传染造成数千万人死亡。抗菌材料是解决上述问题的有效手段。因此，研制抗菌材料是一项与人类息息相关的重要课题，已经被列为21世纪材料与环境功能一体化的主要研究方向和目标。

从1999年至今国家科技部创新基金连续无偿资助了有机抗菌材料(有毒)、光催化型抗菌材料(需紫外光照射)、纳米抗菌材料(变色)和稀土复合抗菌材料等4个项目的研究开发和产业化，预计今年抗菌制品产值可达400亿元。研究表明：有机类抗菌材料存在抗菌性较弱，且自身分解产物和挥发物可能对人体有害，所以其应用受到了限制，而逐渐被无机类的抗菌材料所替代，氧化物载银、分子筛载银、TiO2是目前人们研究最多的并得到应用的无机抗菌剂的成功范例，其中银系抗菌剂在抗菌市场的比例占优势。载银抗菌剂中Ag+切断了酶蛋白的巯基(一SH)的S—S结合而生成Ag2S，致使微生物的新陈代谢被破坏，从而产生了抗杀菌作用。但其效果约在24h左右才明显，银与一些物质作用后变色而丧失抗菌作用，且随着Ag+的溶出而效果逐渐下降，这已成为制约其广泛应用的技术难题。作者所在课题组近年来对这个问题进行了深入的研究，采用改善加工工艺和抗菌剂结构的方法虽能抑制塑料的变色，但是使用时间依然不是很长。环保、热稳定性好和光催化率高的TiO2系抗菌剂具有两个问题：其一，只有锐钛型TiO2在紫外线照射下才具有光催化作用，亦即表现出抗菌、杀菌作用。而有的细胞壁对光催化反应敏感，有些细菌则对这种反应具有防护作用；其二，必须有氧气才能表现出抗菌功效。所以这些无机抗菌剂的应用逐渐受到了制约。

由于纳米氧化镁系抗菌剂具有独特的抗菌性能而在国外逐渐成为研究热点，例如纳米MgO不需要光照就可以有效的杀菌、物理吸附作用强、不变色，所以最近美国NSFC资助了不少这样的项目。而关于纳米氧化镁及其复合抗菌材料的研究，国内起步很晚，对其抗菌研究还没有引起关注，很少报道，研究水平明显落后国外，与市场形成那严重的脱节。本文主要结合所查阅的文献对纳米氧化镁的制备、抗菌机理的分析和抗菌材料的应用进行归纳，希望能引起相关研究者的重视。

2 纳米氧化镁的制备

纳米MgO合成方法有气相法、金属醇盐水解法、溶胶一凝胶法、均匀沉淀法、白云石碳化法和固相合成法等 。由于纳米粉体的制备方法已有综述文献进行详细的报道，所以下面仅仅对各种制备方法进行简单比较。

最近用气凝胶法制备出表面积可达300m2／g以上的纳米MgO粉体，且其形貌和粒径可以在比较宽的范围内调整，最小粒径可以达到4nm，晶型是不规则的多面体而不是规则的立方体或者六面体。不同制备方法对纳米氧化镁的抗菌性能有着重要的影响，例如粉体粒径小、比表面积大，表面吸附能力就强，抗菌能力就好。

3 纳米氧化镁的抗茵机理

抗菌剂抗菌动力学研究表明，抗菌剂对微生物的抗菌作用主要通过两个方面作用实现：(1)抑制微生物生长增殖，使微生物数量增加速度降低，即静菌作用；(2)杀灭微生物个体，降低体系中微生物数量，即杀菌作用。抗菌剂的抗菌作用则是这两种作用的综合结果。

MgO极易水合，并在表面形成一层Mg(OH)。，溶解在溶液中的氧通过单电子还原反应生成过氧离子O2-。MgO的表面包覆一层OH一，由于O2-在碱性环境中具有化学稳定性，所以高浓度的O2-能够在MgO表面存在从而对细胞膜壁造成破坏，迅速杀死细菌，而无需光照。例如芽孢外壁的化学组成中均含有大量的肽键，O2-进攻肽键中带正电荷的C，使碳正离子与氧连接从而使芽孢外壁中的肽键结构发生变化，这样就使芽孢外壁结构遭到破坏，MgO便起到杀灭芽孢的作用。小粒径的MgO 比表面较大，所以其表面Mg离子数较多，表面的OH一浓度高，在水溶液中产生的O2一的浓度也大，增加了O2-与芽孢之间作用的概率从而提高了MgO的杀菌能力，故表现出MgO的杀菌能力随粒径减小而增大的趋势。另一个方面，由于氧化镁粉体表面积大，吸附作用极强，细胞膜壁容易被强烈吸附在其表面而产生机械破坏。但是上述这些理论各有依据，但又不完善，到目前为止，研究者并没有合理地阐明纳米MgO粉体的抗菌机理。