银抗菌的安全性

邢彦军1 ,2 , 宋阳3 , 吉友美1 , 戴瑾瑾1 (1) 东华大学化学与化工学院,上海201620 ; (2) 东华大学教育部生态纺织重点实验室,上海201620 ;(3) 东华大学,国家染整工程技术研究中心,上海201620

    抗菌纺织品的研究与应用与人类健康密切相关,因而越来越受到人们的重视。抗菌纺织品可以明显地提高产品的附加值,满足人们对健康环保的需求,因此市场潜力很大。

纺织品的抗菌整理多采用主动抗菌,即通过一定方式将特殊的抗菌物质引入纺织材料,以达到抗菌的目的。目前多采用双胍类、异噻唑啉酮类、有机硅季铵盐类和酚类等溶出型有机抗菌剂。但是,长期使用这些抗菌剂很容易产生耐药性菌种,大大影响了抗菌效果。相反,无机抗菌杀菌剂具有抑菌持久性、广谱性、高度安全性等优点,因而其应用领域不断扩展。金属离子抗菌剂是一类重要的无机抗菌剂,其中银离子的抗菌能力远远强于其他抗菌金属离子,故银系无机抗菌剂在抗菌纺织品上的应用越来越广泛。本文对银抗菌剂的安全性、抗菌性能、抗菌机制、银系抗菌纤维和纺织品制备方法、国内外抗菌纺织品测试方法以及目前尚存的问题进行了评述。

1 　银的抗菌性

微量的、相对无毒的金属具有杀灭病原体和防止它们增殖的“微量作用效应”。在所有金属中,银最具微量生物活性。银的使用最早可以追溯到18世纪使用硝酸银治疗胃溃疡[1]。19世纪第1次确定了银离子的抗菌活性,到了20世纪20年代,胶体银由于可以有效地处理伤口而被美国食品药品署(FDA)认可[2-3]。与其他抗菌剂相比,银系抗菌剂具有抗菌性能高(见表1) ,不易产生抗药性的特点,具有很高的安全性。在温暖潮湿的环境里,银离子具有非常高的生物抗菌活性。同时,银系抗菌剂还具有很多优点,如对皮肤没有刺激性,不影响纺织品的服用性能,因此银系抗菌剂适合于抗菌功能纺织品的制备[4-5]。

表1 　用于纺织品的不同抗菌剂性能比较

　　注: + 表示有效; + + + 表示高效; - 表示无效。测定方法不同,不同抗菌剂间无法进行比较。

2 　银的安全性

我国民间很早就认识到银有抗菌作用,并记述了银的毒性,明代医学家李时珍在《本草纲目》中对银的性质有所记述:“生银、味辛、寒、无毒”。从生理学上讲,银不属于人体必需的微量元素,但由于食物和饮水的摄取或者职业的原因,人体内仍然可以检测到银的存在(质量浓度<213μg/L) [6] 。疾病治疗过程中所使用的含银药膏、绷带或者导尿管等所含的银也会进入人体的循环系统。

在大多数情况下,银与人体细胞中的金属硫蛋白作用会形成蛋白络合物,从而减小了银的毒性。含银医用敷料所释放的银除了形成硫化物或氯化物沉淀,与伤口的分泌物反应形成稳定的复合物外,有较少部分也会通过开放的伤口进入人体。研究报道,受伤皮肤吸收的银离子量远高于健康人体的皮肤[7]。从理论上讲,银会沉积于人体的任何组织之中,但只有皮肤、大脑、肝、肾、眼睛和骨髓是目前研究最多的部位。大多数的银主要通过肝和肾排出人体,同时头发和指甲的生长也提供了一个排泄途径[4-5]。

目前对银的摄入和银在人体中新陈代谢的研究还较少,只有少数关于磺胺嘧啶银的临床研究。自引入市场以来,磺胺嘧啶银已经在临床上使用了几十年,病人每天最多可使用30g(含银。研究表明在使用磺胺嘧啶银时,10 %的银会被人体吸收,而高度血管化的伤口吸收更高[8]。使用磺胺嘧啶银的病人体内血银质量浓度可高达>300μg/L,但至今未发现明显的毒副作用[9-11]。Wysor 采用口服或皮下注射的方法将1050mg/kg的磺胺嘧啶银(含30 %银,相当于70kg的人使用22g的银)用于小鼠,连续实验1个月后,受试动物无死亡,体重无减轻,没有行为改变和腹泻;组织切片分析发现,受试动物无明显病变。

与人体皮肤直接接触的医用纤维中含有的金属银和银离子,受汗液、皮脂和组织分泌液的激活而积累在皮肤的表面,其中一些会形成硫化银穿过皮肤的表层而沉淀在皮肤中。虽然高温和高湿环境将加速皮肤和黏膜对银的吸收,但由此造成的银吸收远远低于使用1 % 磺胺嘧啶银软膏病人所吸收的量。　　

3 　不同价态银的抗菌性能

大量研究表明,不同价态的银均具有杀菌效果,但随着价态的变化,其杀菌机制有所不同。总体来说,高价态离子的还原势极高,能够导致原子氧产生的能力也相应的较大,从而极大地提高了抗菌性能。银具有3 种氧化态:Ag(Ⅰ)、Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ),不同形态银的抗菌性能的顺序为[12-14]: Ag4O4>Ag(Ⅲ)> Ag(Ⅱ)>>Ag(Ⅰ)>Ag(0)。表2中列出了银单质和不同形态化合物离子化能力的定性比较。

表2 　用于抗菌材料的银系化合物

　　Ag4O4是由2个Ag(Ⅰ)和2个Ag(Ⅲ)与4个O2-紧密结合构成的一种具有活跃电子的分子晶体。由于在同一个分子内存在着Ag+/Ag3+ ,使电位不平衡, Ag4O4 具有潜在的电子跃迁的能力和向更稳定状态变化的趋势[15]。Ag4O4与病毒、细菌、真菌和原生动物等生物体的膜和衣壳上的特定蛋白表面裸露的-N基(-NH-,-NH2)和-S基(S-S,-SH)具有亲和性,可以发生热力学吸附并触发氧化还原反应和由反应产生的Ag2+ 的螯合反应,从而致使蛋白质构象改变, 最终导致病原体死亡[14]。Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)具有比Ag(Ⅰ)更强的杀菌能力,但其杀菌机制目前还未见详细报道。一般认为是Ag(Ⅱ)和Ag(Ⅲ)的强氧化性使其拥有杀菌能力。Ag(Ⅲ)的杀菌速度平均要比Ag(Ⅰ)快240倍,杀菌效果是Ag(Ⅰ)的200倍[12]。

在这些银的形态中,只有Ag(Ⅰ)和Ag(0)最稳定,并且已经应用于各种抗菌材料[16]。Ag(Ⅰ)中使用最多的是硝酸银和磺酸嘧啶银。硝酸银是非常优异的抗菌剂,其抗菌性能比很多其他抗菌剂(包括磺酸嘧啶银)要好,特别是在消除抗性品系的金黄色葡萄球菌、肺炎球菌以及绿脓杆菌上效果更好[17]。但硝酸银的用量不能超过1% ,否则与活组织细胞接触时会引起细胞电解质钠和钾的流失[18]。磺酸嘧啶银避免了硝酸银的很多缺点,同时广谱抗菌。虽然磺酸嘧啶银在水中的溶解度较小,但它与体液作用释放银离子的能力并不差。当磺酸嘧啶银质量浓度达到50 mg/L时,95 %的人体伤口中细菌种类都可以有效地消除,然而银离子极易与生物体中的氯离子产生氯化银沉淀,进而诱发人体过敏反应产生。

虽然金属银的离子化速度很慢,但也已经用于治疗伤口。纳米化学的发展加速了微细银颗粒(<20nm)的制备。制备得到的微细银颗粒的可溶性增强,并且由于金属银的离子化和颗粒的表面积成比例,纳米颗粒的高表面积使得银离子的释放速度也相应增加,因此相对于金属银来说,其抗菌性能也极高。然而,抗菌性能提高的同时也意味着毒性的增加。目前对纳米级物质的危险性还有很多争议。研究表明,当以纳米颗粒的形式存在时,纳米银要比一些重金属的毒性还要高[19]。体外试验表明纳米银颗粒会导致哺乳动物的肝细胞中毒[20],甚至可能会导致脑细胞中毒[21]。同时,纳米银颗粒的稳定性较差,储放时易产生凝聚形成微米级粒子,另外高分子基材不容易分散,影响了其应用。

抗菌织物所使用抗菌剂中银的来源和银离子的释放方式及速度对纤维和织物的抗菌性能有着极大的影响。采用不同方法得到的银系抗菌纺织品具有不同的释放体系和浓度。Thomas和Mc Cubbin研究了10种采用不同的银抗菌剂、纤维材料以及释放体系的织物并比较了它们的抗菌性能[22]。结果表明:银的总含量是最主要的影响因素,而银在织物中的分布、化学物理形态以及织物的亲湿性等对抗菌性能也有一定影响,因此某一种银抗菌体系的有效银含量能否代表其他银系抗菌体系值得考虑。

4 　银的抗菌机制

到目前为止,对一价银离子化合物的抗菌机制还没有一个完全统一的认识。目前提出的研究机制主要有2种:离子溶出说和活性氧说。离子溶出说认为金属银和大多数银化合物与水、体液和组织分泌液作用后可以释放出的银离子或者其他“具有生物活性的银离子”,在吸附病菌后与其中酶蛋白的氨基(-NH2)或者巯基(-SH)等活性基团发生作用,导致病菌中的酶失去活性或发生了改性,使得病原菌无法进行呼吸和新陈代谢,病菌的生长和繁殖得到抑制,从而达到抗菌的目的。在这种机制中,银离子的缓释对抗菌性能具有极大的影响,而其缓释性能在很大程度上取决于抗菌材料中银化合物或金属银形成离子的能力,然而,目前尚没有用于抗菌材料银化合物或金属银离子化能力的精确的定量数据(见表2) 。

活性氧说则认为银等重金属具有较高的极性催化能力,在与水和空气中的氧作用后可以产生活性氧物质(如H2O- ,H2O+ ,O-2等)。这些活性氧物质能够破坏细胞内各种重要的生物高分子和膜,阻碍病菌的继续生长和繁殖,从而起到抗菌效应。Lok 使用蛋白质组学和膜性质测定研究了纳米

银对的作用。结果表明:其抗菌机制与Ag+相同,但是纳米银的有效浓度远低于Ag+[23]。然而,研究表明纳米银易产生生物毒素[24],因此在使用纳米银作为抗菌剂时,必须严格控制其用量。

虽然大多数研究均已采用以上2种机制,但仍然存在较多疑点,因此还需结合微生物学和生物化学等知识对银系抗菌剂的抗菌机制作进一步的探讨,特别是纳米银抗菌剂的抗菌机制(如粒径大小、形状与抗菌性能的关系),以指导抗菌剂的开发和使用。

5 　银系抗菌纺织品的制备

目前银系抗菌纺织品的制备方法主要有纤维改性法和织物后整理法。纤维改性法首先在成纤高聚物中添加合适的抗菌剂填料,然后进行湿法或熔融纺丝,再加工制成抗菌织物;织物后整理则是通过在织物表面涂层或浸渍抗菌剂的方式,使纺织材料表面形成抗菌层。每种方法都有各自的优缺点,生产中可根据不同的需求采用相应的加工方法,见表3。　　

表3 　不同的织物抗菌整理方法

　　目前抗菌纺织品的生产主要以纤维改性为主。该法是将抗菌剂的超细粉末作为添加剂进行纺丝[25],此时抗菌剂进入到纤维的内部,故耐洗涤性能好,抗菌效果持续时间长,但纤维改性法对抗菌剂的要求较高,抗菌剂必须在水、碱和酸里的溶解度极低,化学稳定性好,耐强酸、碱和氧化剂,热稳定性好,因此目前抗菌添加剂多为载银陶瓷颗粒或者载银沸石(见表4)。在加工过程中,要求添加的抗菌剂必须与纤维本体有良好的相容性和分散性,同时抗菌剂颗粒细小,粒径分布范围窄,不能影响纺丝;添加剂的加入不能够影响纤维的物理性能,包括纤维的强力和伸长。纤维改性方法大多只适用于合成纤维,除纳米银抗菌剂外无法对棉、麻、毛、丝等天然纤维进行抗菌加工。

表4 　抗菌纤维中使用的银系抗菌剂

　　表5 列出了部分抗菌纤维及抗菌纺织品。织物后整理的方法主要针对天然纤维或者天然纤维与其他纤维混纺的纺织品,一般使用抗菌剂的悬浮液浸渍[26]、涂层或者溶胶凝胶[27]等方法,使抗菌剂能够附着在织物上以获得抗菌效果。后整理方法得到的抗菌织物其纤维内部并没有抗菌剂,因此耐洗涤性和长效性都较差。后整理方法加工处理方便,对抗菌剂的要求相对较少,但要求使用的抗菌整理剂在加工方法上能够采用常规的纺织品加工工艺。表6列出部分用于纺织品后整理的抗菌整理剂产品。

6 　抗菌测试

目前市场上的银系抗菌纺织品多以载银陶瓷和沸石或者纳米银抗菌剂为主,此类固着型抗菌剂只有在潮湿状态(例如排汗,潮湿状态是细菌繁殖的理想环境) 才能释放出银离子,扩散性极差,因此在使用溶出型抗菌剂性能标准测定银系抗菌纺织品的抗菌性能时会给出负结果。目前,银系抗菌剂的抗菌测定多推荐使用振荡烧瓶试验。国际上相对比较完

　　表5 　部分银抗菌纤维及衍生产品

表6 　部分银系抗菌后整理剂

整的评价方法是美国测试与材料协会标准ASTM E2149 —2001《固着性抗菌剂抗菌性的动态测试法》[28]、美国纺织化学家和染色学家协会标准AATCC 100-2004《纺织品抗菌性能的定量评估》[29]以及日本工业标准JISL 1902-2002《纺织品的抗菌性试验方法》[30]。三者在抗菌性能评价的标准上有很大的不同。由于ASTME 2149主要应用于非溶出型抗菌样品的抗菌性能的表征,因此应用于银系抗菌样品的性能测试较为科学。该标准先将样品浸泡在一定浓度的菌液中振摇培养1 h后,比较抗菌样品在振荡前后减少的菌落数对样品的抗菌性能进行表征。而JISL1902 和AATCC 100标准则比较适合于溶出型样品[31] ,因此测试银系抗菌样品时会产生一定的误差。它们的操作方法和结果表示与ASTME2149 也非常不同。虽然JISL1902 和AATCC 100标准都是通过比较和计算细菌在抗菌样品和比照样上培养后的菌数差异定量地评价纺织品的抑菌和杀菌性能,但二者在具体操作、样品尺寸、抑杀菌效果的计算方式和结果表示等方面仍有较大不同。

目前我国主要采用GB 15979-2002《一次性使用卫生用品卫生标准》[32] 以及FZPT 73023-2006《抗菌纺织品》[33] 测定非溶出型抗菌产品的性能。FZPT73023和GB 15979均是ASTM E 2149进行改进形成的,但二者在振荡时间上有极大的差别。前者的振荡时间为18 h ,而后者的时间仅为1 h ,与ASTM E2149 相同。

尽管可以定性鉴定或者定量测定织物上银的含量,但由于采用了不同的释放体系和浓度,一种银系抗菌纺织品的银有效含量、抗菌检测结果和方法不能代表和应用于其他的银系抗菌剂[22] 。研究还表明即使是相同的织物,采用不同的测试方法时,也会得到完全相反的结果。由于不同检测方法的结果之间没有严格的可比性,应采用多种方法进行对比测试,以便给出正确的结果。因此,在对银系抗菌纺织品进行测试时,如何合理地选择相应的抗菌检测方法就显得尤为重要。

7 　存在的问题

银离子化学性质较活泼,对光和热较敏感,特别是经紫外线长时间照射后会还原为黑色的单质银,从而影响白色或浅色制品的外观,极大地限制了其应用。国外近来的一些研究结果表明,用银络合离子替代银离子[34-35],或者使用变色抑制剂[36]可以解决这一问题。另外,某些不会变色的金属离子(如Zn2+、Al3+)与银离子复合后也可起到抑制银变色的作用,同时还可以降低成本[37] 。

由于织物的使用环境大多数都存在含有氯离子的化合物,特别是人体的汗液中含有大量的氯化钠[38],在这种环境中任何银化合物都会与氯离子反应生成氯化银沉淀。由于氯化银的光反应活性更强,在可见光的照射下银离子被还原成褐色的非离子化的金属银,因此还应对银系抗菌剂的耐氯性能作进一步的研究。

Cl- + hν →Cl + e

Ag+ + e →Ag

此外,对银的安全用量还需要进一步的研究。虽然各专业机构(如欧盟EUCAST和CLSI)已经对银的MIC和临界点浓度进行了规定,但目前对临界点的范围尚未达成一致[5 ,39 ] 。同时,各种含银产品的安全性标准还没有采用MIC50和MIC90 测定[40]。由于目前使用的银系抗菌剂仍需使用较多的银进行制备,成本较高,因此消费者的承受能力也是阻碍银系抗菌纺织品广泛应用的重要因素之一。

8 　结语

人们对抗菌纺织品的要求越来越高。银系抗菌剂依靠其高效、广谱和无抗药性的特点,越来越成为抗菌整理的首选,以银为抗菌剂的功能纺织品正日益成为产品热点,然而目前银系抗菌剂的种类少,易氧化变色的缺点还有待克服,未来仍需进一步研究开发抗菌性能更好、稳定性高、廉价的新型银系抗菌剂及整理方法。

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