COVID-19大流行病已引起全世界對(duì)高接觸表面助長(zhǎng)污染物擴(kuò)散的關(guān)注。在傳染病傳播中特別重要的一個(gè)領(lǐng)域是微生物在醫(yī)療場(chǎng)所和普通表面上在表面上生存的能力。通過(guò)殺死和/或減少微生物的附著來(lái)防止細(xì)菌傳播和生物膜形成的解決方案已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。但是，先前報(bào)道的許多抗菌涂料都集中在抗菌能力上，對(duì)抗病毒表面和涂層的關(guān)注卻很少。
近日，加拿大麥克馬斯特大學(xué)Leyla Soleymani和Tohid F. Didar等人以抗菌素研究為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)抗病毒材料和表面研究的現(xiàn)狀進(jìn)行全面總結(jié)。綜述首先對(duì)金屬和無(wú)機(jī)材料進(jìn)行全面概括，重點(diǎn)是具有抗病毒特性的納米材料。然后，討論了使病毒滅活的聚合物和有機(jī)表面涂層（圖1）。還討論了每種方法考慮的毒性和環(huán)境問(wèn)題。最終提出了尚未用于抗病毒目的的新興技術(shù)，但是由于已經(jīng)對(duì)其抗微生物特性進(jìn)行了測(cè)試，因此它們對(duì)于抗病毒表面的未來(lái)工程具有廣闊的前景和潛力。該成果以“Antimicrobial Nanomaterials and Coatings: Current Mechanisms and Future Perspectives to Control the Spread of Viruses Including SARS-CoV-2”為題發(fā)表于《ACS Nano》。
圖1 當(dāng)前研究和新興抗病毒涂層和表面的示意圖
金屬和無(wú)機(jī)抗病毒材料
銅
銅也許是迄今使用最廣為人知且特征最充分的抗菌金屬。目前，大多數(shù)抗菌銅的研究都集中在其抗菌特性上，但是也有研究對(duì)銅的殺毒作用做出了一些假設(shè)。許多研究人員推測(cè)，在抗菌活性中發(fā)現(xiàn)的相同的ROS機(jī)制可以作用于病毒包膜或衣殼。值得注意的是，病毒不具有細(xì)菌或真菌中發(fā)現(xiàn)的修復(fù)機(jī)制，因此容易受到銅誘導(dǎo)的破壞（圖2a）。一般應(yīng)用于抗病毒的銅具有以下幾種形式和方法：銅基抗病毒表面；將銅離子摻入其他材料；銅離子和顆粒用于抗微生物和抗病毒的紡織品、過(guò)濾器以及諸如乳膠的聚合材料（圖3a）；銅納米顆粒；施加在表面上的銅粉等。
銀
銀是另一種抗病毒材料，它通過(guò)與病毒包膜和病毒表面蛋白相互作用，阻斷病毒滲透進(jìn)入細(xì)胞，阻斷細(xì)胞途徑，與病毒基因組相互作用以及與病毒復(fù)制因子相互作用而使病毒失活（圖2b）。有關(guān)銀抗病毒已有多個(gè)研究：以離子、納米顆粒和混合涂層形式使用銀來(lái)形成抗病毒表面；在涂料中使用金屬離子；AgNPs與許多不同的材料結(jié)合在一起以提供抗病毒能力；將銀納米顆粒整合到膜和過(guò)濾器中。有關(guān)銀的抗病毒特性，主要集中在AgNPs，除了以上使用，AgNPs的大小也會(huì)影響到抗病毒的效果。
圖2 無(wú)機(jī)材料的抗病毒機(jī)制
鋅
自從1974年以來(lái)，鋅就被證明是抗病毒劑。病毒依靠鋅指結(jié)構(gòu)在宿主細(xì)胞中復(fù)制，鋅指是蛋白質(zhì)基序，其包含一個(gè)或多個(gè)氨基酸序列，該序列允許一個(gè)或多個(gè)鋅離子的配位，由此證明了鋅作為抗病毒劑的重要性。對(duì)于抗病毒表面應(yīng)用：鋅通常與其他金屬結(jié)合使用，作為合金的一部分或作為涂層中的離子；氧化鋅（ZnO）充當(dāng)殺菌劑的結(jié)構(gòu)；鋅離子載體是負(fù)責(zé)將鋅離子跨脂質(zhì)膜運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)，是金屬具有抗病毒能力的另一種有趣用途。
二氧化鈦（TiO2）
TiO2的光催化性能及其在細(xì)菌和病毒滅活中的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。TiO2中的致病性失活機(jī)理與光吸收，電子/空穴的產(chǎn)生以及通過(guò)價(jià)帶孔空穴和導(dǎo)帶電子產(chǎn)生的ROS對(duì)有機(jī)材料的氧化有關(guān)，例如超氧陰離子和羥基自由基（圖2 d） 。雖然和眾多金屬一樣，TiO2被廣泛應(yīng)用于抗菌劑中，但是依然有研究證明了它的抗病毒功能：TiO2膠體納米顆粒、TiO2的平面表面涂層、氟化合物修飾TiO2表面涂層以及復(fù)合其他金屬的TiO2均顯示出抗菌和抗病毒活性。
圖3 無(wú)機(jī)納米涂料的實(shí)例
其他無(wú)機(jī)材料
盡管銅、銀、鋅和TiO2是研究最廣泛的無(wú)機(jī)材料，但抗病毒研究文獻(xiàn)中也對(duì)其他無(wú)機(jī)材料和納米粒子（例如金、鎂、過(guò)渡金屬、二氧化硅和鈣鈦礦）進(jìn)行了研究。金納米顆粒（AuNPs）已經(jīng)使用了不同的表面修飾，例如增加的孔隙率或以硫酸鹽為末端的配體，以及與其他生物活性金屬（例如銅或鐵）的組合，以實(shí)現(xiàn)抗病毒功能。由于對(duì)產(chǎn)生自由基的可見(jiàn)光具有更高的敏感性，過(guò)渡金屬（包括鐵、鎂和錳）也已證明與TiO2結(jié)合使用可有效抗病毒。鈣鈦礦是指與鈦酸鈣具有相同晶體結(jié)構(gòu)的所有化合物，由于極好的氧化能力，它們?cè)诳咕涂共《镜膽?yīng)用獲得了廣泛關(guān)注。
聚合物和有機(jī)抗病毒涂料
聚電解質(zhì)涂層表面
聚合物如聚乙烯亞胺中的聚陽(yáng)離子的正電荷吸引具有固有負(fù)電荷的病毒，干擾其基因組含量或結(jié)構(gòu)單元，并導(dǎo)致病毒完全分解（圖4a）。而且，這類涂料通常通過(guò)“涂裝”進(jìn)行涂覆，即使經(jīng)過(guò)多次清洗也可以永久地傳遞抗病毒和抗菌性能。
用作抗病毒涂料的另一類聚電解質(zhì)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），它們用途廣泛，耐磨損且可長(zhǎng)時(shí)間耐用。
圖4 聚陽(yáng)離子涂料
光敏材料
許多最近的研究已經(jīng)將除TiO2以外的光敏化合物（如玫瑰紅和C 60）整合到表面上，以利用ROS依賴的抗微生物和抗病毒途徑。作為光敏分子的光敏劑也可用于抗菌光動(dòng)力療法，作為抗生素化學(xué)療法的替代方法?？咕鈩?dòng)力滅活的原理是光敏劑通過(guò)可見(jiàn)光吸收而激發(fā)，隨后與氧氣反應(yīng)生成能對(duì)生物物種產(chǎn)生氧化損傷的單線態(tài)氧（圖5a）。為了降低醫(yī)院紡織品的污染，將抗菌抗病毒的光敏劑引入到纖維素中，開發(fā)可以有效阻止感染的紡織品。
圖5 光敏劑-纖維素共軛材料。
毒性和環(huán)境注意事項(xiàng)
金屬納米顆粒對(duì)環(huán)境和健康的影響一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)橛捎诳咕钚远鴽](méi)有抗性的可能性，金屬納米顆粒的普及程度有所提高。納米粒子的毒性機(jī)制是通過(guò)與細(xì)胞表面締合，通過(guò)釋放損害酶功能或DNA的有毒離子來(lái)溶解物質(zhì)，或產(chǎn)生導(dǎo)致氧化應(yīng)激的ROS。目前已經(jīng)利用納米金屬的固定控制其的釋放，降低對(duì)環(huán)境和健康的影響。另外，聚乙烯亞胺化合物在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中顯示出最小的細(xì)胞毒性，這些均為它們的應(yīng)用提供了理由。
新興技術(shù)
盡管具有抗病毒作用的抗病毒劑和涂料已經(jīng)有效地滅活了各種表面上的病毒，但是它們?nèi)匀辉馐芤恍┤秉c(diǎn)，如大多數(shù)病毒不可用、批量生產(chǎn)的成本等，這些缺點(diǎn)阻礙了它們?cè)谌粘Ｉ钪械膶?shí)際應(yīng)用。目前具有潛力的新興技術(shù)有：受自然系統(tǒng)啟發(fā)的防病原體表面，主要涉及納米結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)功能的結(jié)合；基于吡啶鎓的材料已用于捕獲溶液中的病毒和空氣并有可能用作表面涂層；量子點(diǎn)作為活性劑制造抗微生物涂層。而且，為了開發(fā)具有抗病毒特性的技術(shù)，數(shù)家公司已經(jīng)利用抗病毒策略來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品和涂料。
圖6 具有抗病毒涂層潛力的新興技術(shù)
未來(lái)展望
將來(lái)，將病原體防護(hù)涂層與抗病毒材料結(jié)合使用可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)這種作用，表面可以排斥大多數(shù)病毒，而被涂層的抗病毒劑可以滅活所有尚未被驅(qū)除的附著病毒，從而提供雙層保護(hù)對(duì)抗病毒。結(jié)構(gòu)改良的抗病毒劑具有更高的生物相容性和較低的毒性，將使其可用于更大范圍的應(yīng)用，包括高度管制的食品和醫(yī)療行業(yè)。
預(yù)計(jì)將一系列具有不同抗菌機(jī)制的材料結(jié)合在一起，可以形成能吸引、結(jié)合和消除多種病原體的智能表面。最后，將簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)的感應(yīng)功能集成到這些抗菌表面上，除了降低傳播風(fēng)險(xiǎn)外，還可以幫助識(shí)別環(huán)境中存在的病原體，并最終幫助公共衛(wèi)生部門管理傳染病暴發(fā)。
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