《ACS Nano》综述:抗菌、抗病毒纳米材料和涂层的现状和未来展望

COVID-19大流行病已引起全世界对高接触表面助长污染物扩散的关注。在传染病传播中特别重要的一个领域是微生物在医疗场所和普通表面上在表面上生存的能力。通过杀死和/或减少微生物的附着来防止细菌传播和生物膜形成的解决方案已经进行了大量研究。但是,先前报道的许多抗菌涂料都集中在抗菌能力上,对抗病毒表面和涂层的关注却很少。

近日,加拿大麦克马斯特大学Leyla Soleymani和Tohid F. Didar等以抗菌素研究为出发点,对抗病毒材料和表面研究的现状进行全面总结。综述首先对金属和无机材料进行全面概括,重点是具有抗病毒特性的纳米材料。然后,讨论了使病毒灭活的聚合物和有机表面涂层(图1)。还讨论了每种方法考虑的毒性和环境问题。最终提出了尚未用于抗病毒目的的新兴技术,但是由于已经对其抗微生物特性进行了测试,因此它们对于抗病毒表面的未来工程具有广阔的前景和潜力。该成果以“Antimicrobial Nanomaterials and Coatings: Current Mechanisms and Future Perspectives to Control the Spread of Viruses Including SARS-CoV-2”为题发表于《ACS Nano》。

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图1 当前研究和新兴抗病毒涂层和表面的示意图

金属和无机抗病毒材料

铜也许是迄今使用最广为人知且特征最充分的抗菌金属。目前,大多数抗菌铜的研究都集中在其抗菌特性上,但是也有研究对铜的杀毒作用做出了一些假设。许多研究人员推测,在抗菌活性中发现的相同的ROS机制可以作用于病毒包膜或衣壳。值得注意的是,病毒不具有细菌或真菌中发现的修复机制,因此容易受到铜诱导的破坏(图2a)。一般应用于抗病毒的铜具有以下几种形式和方法:铜基抗病毒表面;将铜离子掺入其他材料;铜离子和颗粒用于抗微生物和抗病毒的纺织品、过滤器以及诸如乳胶的聚合材料(图3a);铜纳米颗粒;施加在表面上的铜粉等。

银是另一种抗病毒材料,它通过与病毒包膜和病毒表面蛋白相互作用,阻断病毒渗透进入细胞,阻断细胞途径,与病毒基因组相互作用以及与病毒复制因子相互作用而使病毒失活(图2b)。有关银抗病毒已有多个研究:以离子、纳米颗粒和混合涂层形式使用银来形成抗病毒表面;在涂料中使用金属离子;AgNPs与许多不同的材料结合在一起以提供抗病毒能力;将银纳米颗粒整合到膜和过滤器中。有关银的抗病毒特性,主要集中在AgNPs,除了以上使用,AgNPs的大小也会影响到抗病毒的效果。

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图2 无机材料的抗病毒机制


自从1974年以来,锌就被证明是抗病毒剂。病毒依靠锌指结构在宿主细胞中复制,锌指是蛋白质基序,其包含一个或多个氨基酸序列,该序列允许一个或多个锌离子的配位,由此证明了锌作为抗病毒剂的重要性。对于抗病毒表面应用:锌通常与其他金属结合使用,作为合金的一部分或作为涂层中的离子;氧化锌(ZnO)充当杀菌剂的结构;锌离子载体是负责将锌离子跨脂质膜运输的物质,是金属具有抗病毒能力的另一种有趣用途。

二氧化钛(TiO2

TiO2的光催化性能及其在细菌和病毒灭活中的应用引起了广泛的关注。TiO2中的致病性失活机理与光吸收,电子/空穴的产生以及通过价带孔空穴和导带电子产生的ROS对有机材料的氧化有关,例如超氧阴离子和羟基自由基(图2 d) 。虽然和众多金属一样,TiO2被广泛应用于抗菌剂中,但是依然有研究证明了它的抗病毒功能:TiO2胶体纳米颗粒、TiO2的平面表面涂层、氟化合物修饰TiO2表面涂层以及复合其他金属的TiO2均显示出抗菌和抗病毒活性。

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图3 无机纳米涂料的实例

其他无机材料

尽管铜、银、锌和TiO2是研究最广泛的无机材料,但抗病毒研究文献中也对其他无机材料和纳米粒子(例如金、镁、过渡金属、二氧化硅和钙钛矿)进行了研究。金纳米颗粒(AuNPs)已经使用了不同的表面修饰,例如增加的孔隙率或以硫酸盐为末端的配体,以及与其他生物活性金属(例如铜或铁)的组合,以实现抗病毒功能。由于对产生自由基的可见光具有更高的敏感性,过渡金属(包括铁、镁和锰)也已证明与TiO2结合使用可有效抗病毒。钙钛矿是指与钛酸钙具有相同晶体结构的所有化合物,由于极好的氧化能力,它们在抗菌和抗病毒的应用获得了广泛关注。

聚合物和有机抗病毒涂料

聚电解质涂层表面

聚合物如聚乙烯亚胺中的聚阳离子的正电荷吸引具有固有负电荷的病毒,干扰其基因组含量或结构单元,并导致病毒完全分解(图4a)。而且,这类涂料通常通过“涂装”进行涂覆,即使经过多次清洗也可以永久地传递抗病毒和抗菌性能。

用作抗病毒涂料的另一类聚电解质是基于聚氨酯的材料,例如N,N-十二烷基、甲基聚氨酯(Quat-12-PU),它们用途广泛,耐磨损且可长时间耐用。

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图4 聚阳离子涂料

光敏材料

许多最近的研究已经将除TiO2以外的光敏化合物(如玫瑰红和C 60)整合到表面上,以利用ROS依赖的抗微生物和抗病毒途径。作为光敏分子的光敏剂也可用于抗菌光动力疗法,作为抗生素化学疗法的替代方法。抗菌光动力灭活的原理是光敏剂通过可见光吸收而激发,随后与氧气反应生成能对生物物种产生氧化损伤的单线态氧(图5a)。为了降低医院纺织品的污染,将抗菌抗病毒的光敏剂引入到纤维素中,开发可以有效阻止感染的纺织品。

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图5 光敏剂-纤维素共轭材料。

毒性和环境注意事项

金属纳米颗粒对环境和健康的影响一直是人们关注的问题,因为由于抗菌活性而没有抗性的可能性,金属纳米颗粒的普及程度有所提高。纳米粒子的毒性机制是通过与细胞表面缔合,通过释放损害酶功能或DNA的有毒离子来溶解物质,或产生导致氧化应激的ROS。目前已经利用纳米金属的固定控制其的释放,降低对环境和健康的影响。另外,聚乙烯亚胺化合物在哺乳动物细胞中显示出最小的细胞毒性,这些均为它们的应用提供了理由。

新兴技术

尽管具有抗病毒作用的抗病毒剂和涂料已经有效地灭活了各种表面上的病毒,但是它们仍然遭受一些缺点,如大多数病毒不可用、批量生产的成本等,这些缺点阻碍了它们在日常生活中的实际应用。目前具有潜力的新兴技术有:受自然系统启发的防病原体表面,主要涉及纳米结构、微观结构和化学功能的结合;基于吡啶鎓的材料已用于捕获溶液中的病毒和空气并有可能用作表面涂层;量子点作为活性剂制造抗微生物涂层。而且,为了开发具有抗病毒特性的技术,数家公司已经利用抗病毒策略来生产产品和涂料。

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图6 具有抗病毒涂层潜力的新兴技术

未来展望

将来,将病原体防护涂层与抗病毒材料结合使用可产生协同效应,通过这种作用,表面可以排斥大多数病毒,而被涂层的抗病毒剂可以灭活所有尚未被驱除的附着病毒,从而提供双层保护对抗病毒。结构改良的抗病毒剂具有更高的生物相容性和较低的毒性,将使其可用于更大范围的应用,包括高度管制的食品和医疗行业。

预计将一系列具有不同抗菌机制的材料结合在一起,可以形成能吸引、结合和消除多种病原体的智能表面。最后,将简单、实时的感应功能集成到这些抗菌表面上,除了降低传播风险外,还可以帮助识别环境中存在的病原体,并最终帮助公共卫生部门管理传染病暴发。

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05937

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