微生物數(shù)量龐大、無(wú)處不在，是人類(lèi)非常重要的鄰居，在應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下，甚至還可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)人類(lèi)有益的有益菌，用于制造酸奶、奶酪、醬油、醋、酒等發(fā)酵產(chǎn)品。但微生物并非所有時(shí)刻都是友好的，它們同樣能對(duì)工業(yè)產(chǎn)品、人類(lèi)和動(dòng)植物帶來(lái)危害，如食品變質(zhì)、破壞纖維素類(lèi)產(chǎn)品、使化妝品中藥材等產(chǎn)品腐敗等。

沒(méi)有添加防腐劑的漢堡放了34天后的樣子

圖片來(lái)源：漢堡王創(chuàng)意廣告《The Moldy Whopper》

但這些跟傳染病流行比起來(lái)，都只能算小事。迄今為止，傳染疾病依然是人類(lèi)的最高發(fā)病率與致死率的疾病。雖然人類(lèi)在疾病的預(yù)防和治療方面已到了前所未有的高度，但微生物的進(jìn)化速度仍遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)研發(fā)成功新抗生素的速度。而且大量濫用廣譜抗生素更加促進(jìn)許多菌株產(chǎn)生基因突變、發(fā)生變異，具有更強(qiáng)的耐藥性。

人類(lèi)遭遇的第一次流感大流行：1918年西班牙流行性感冒

要解決問(wèn)題，最好就從源頭開(kāi)始整頓，既然治療有困難，那就想辦法避免人們患病，因此廣譜抗菌材料開(kāi)始受到重視。其中，納米氧化鎂（nano-MgO）由于具有許多不同于塊體氧化鎂的光、電、磁、熱、化學(xué)及力學(xué)等性質(zhì)，成為一種新型功能無(wú)機(jī)材料，尤其是在與人類(lèi)生存和健康密切相關(guān)的抗菌材料領(lǐng)域，更顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如持久和廣譜的抗菌活性、成本低、不易變色、無(wú)生物毒性等。

納米氧化鎂的SEM圖像（A比例尺：200 nm ；B比例尺20nm）

一、納米氧化鎂是怎么抗菌的？

正確認(rèn)識(shí)氧化鎂的抗菌機(jī)理，對(duì)于提高材料抗菌活性研究具有重要意義。下圖所示的是氧化鎂的兩種主要抗菌機(jī)理，包括活性氧氧化損傷和吸附作用的機(jī)械損傷。

①活性氧（ROS）氧化損傷

日本科學(xué)家SAWAI等對(duì)陶瓷粉體進(jìn)行研究時(shí)，提出了MgO的活性氧（reactive oxygen species，ROS）氧化損傷機(jī)理，即nano-MgO表面的氧空位可以催化水中的溶解氧發(fā)生單電子還原反應(yīng)而產(chǎn)生超氧陰離子自由基O₂^–。由于O₂^–具有強(qiáng)氧化性，因此可以破壞細(xì)菌細(xì)胞膜壁蛋白肽鏈，從而迅速殺死細(xì)菌。

MgO在水溶液中易水合生成Mg(OH)₂，使顆粒表面包覆一層OH^–而呈堿性，堿性環(huán)境中O₂^–具有較高化學(xué)穩(wěn)定性和殺菌能力。相對(duì)于塊體MgO，nano-MgO比表面積大且表面氧缺陷多，易水化生成Mg(OH)₂，且可產(chǎn)生大量的O₂^–，從而具備強(qiáng)的殺菌能力。研究表明，MgO水合生成的Mg(OH)₂會(huì)使溶液的pH上升到10.5左右，而用相同pH的NaOH水溶液對(duì)大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）的殺菌效果卻沒(méi)有nano-MgO好，說(shuō)明單純的pH增加并不能促進(jìn)抗菌性能提高。

ROS氧化損傷機(jī)制得到了大多數(shù)研究者的認(rèn)可，制備nano-MgO抗菌材料時(shí)，可以通過(guò)暴露表面富含活性氧的(111)晶面增強(qiáng)其抗菌能力，也可以通過(guò)摻雜增加氧化鎂表面的缺陷使其產(chǎn)生更多氧空位，或者通過(guò)與不同抗菌組分復(fù)合提高材料的抗菌性能。

②吸附作用的機(jī)械損傷

nano-MgO表面存在大量晶格局限羥基、游離羥基以及離子空穴等多種活性位點(diǎn)，這些都可以作為吸附和表面反應(yīng)中心。YAMAMOTO等提出nano-MgO的抗菌作用除了ROS氧化損傷之外，顆粒對(duì)微生物的吸附作用也能造成細(xì)胞膜損傷，并且隨著顆粒尺寸減小，抑菌效果越好。

LEUNG等也發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有ROS存在下，nano-MgO對(duì)E.coli依然具有很強(qiáng)的抗菌性能，細(xì)菌死亡應(yīng)是由于與nano-MgO接觸過(guò)程中細(xì)胞膜的pH改變、Mg²⁺釋放導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，而不是脂質(zhì)過(guò)氧化作用。MAKHLUF等通過(guò)nano-MgO作用細(xì)菌后的電子致密黑點(diǎn)表明其可以穿透細(xì)胞膜或者細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞，而MgO粒徑越小，細(xì)胞質(zhì)中的電子致密黑點(diǎn)越多，抗菌活性越高；研究還發(fā)現(xiàn)，無(wú)定形態(tài)的nano-MgO沒(méi)有殺菌能力。

圖：大腸桿菌在0~2.0 mg/mL的n-MgO中培養(yǎng)24小時(shí)后的SEM圖像

大腸桿菌的形狀明顯發(fā)生扭曲，其細(xì)胞壁和細(xì)胞膜受到破壞

吸附作用的機(jī)械損傷機(jī)理是對(duì)活性氧氧化損傷機(jī)理的補(bǔ)充，它不僅能夠解釋在沒(méi)有ROS存在下氧化鎂仍具有良好抗菌性能的問(wèn)題，還驗(yàn)證了nano-MgO粒徑越小抗菌性能越高機(jī)制，因此可以通過(guò)減小氧化鎂粒徑、增加比表面積、增強(qiáng)吸附作用等來(lái)提高氧化鎂的抗菌性能。

二、該如何發(fā)揮出納米氧化鎂的抗菌性能？

目前氧化鎂抗菌材料的開(kāi)發(fā)路徑主要有兩條：一是通過(guò)粒徑大小、形貌特征等控制，提高納米氧化鎂的抗菌性能，如鱗片狀納米氧化鎂粉體，對(duì)炭疽熱、葡萄球菌、 大腸桿菌等表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗菌殺菌能力；二是通過(guò)氧化鎂和其他抗菌材料的復(fù)合，開(kāi)發(fā)新型復(fù)合抗菌材料，如活性炭/氧化鎂、金屬氧化物/氧化鎂和氯氣，溴氣/氧化鎂等。

氧化鎂和多壁碳納米管復(fù)合材料

應(yīng)用上，主要有以下幾種：

①以涂料為載體，通過(guò)添加2%-5%的納米氧化鎂，提高了涂料抗菌性、阻燃性、疏水性。

②通過(guò)在塑料中添加納米氧化鎂，可以提高塑料制品的抗菌率和塑料的強(qiáng)度。

③通過(guò)在陶瓷表面的噴涂，經(jīng)燒結(jié)，提高了陶瓷的表面的平整度、抗菌性。

④通過(guò)在織物纖維中添加納米氧化鎂，可提高織物的阻燃性，抗菌性、疏水性和耐磨性，解決紡織品的細(xì)菌、污漬侵蝕的問(wèn)題。

此外，還有科學(xué)家利用納米氧化鎂發(fā)明了可用于酸性飲料的抑菌劑（防腐劑），具有無(wú)毒、對(duì)常見(jiàn)飲料微生物具有較好的抑菌效率等特點(diǎn)，尤其是對(duì)酸性飲料中熱帶假絲酵母具有明顯的抑菌效果，而且制備方法簡(jiǎn)便，適合工業(yè)化生產(chǎn)。或許在不久的將來(lái)，我們就能在食品配方上看到納米氧化鎂的身影了。

資料來(lái)源：

納米氫氧化鎂/氧化鎂的制備及抗菌性能研究，鄭軍。

納米氧化鎂抗菌材料的研究進(jìn)展，葉俊偉，楊瑤瑤，陳弋心，高夢(mèng)陽(yáng)，柴政澤，林源，寧桂玲。

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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