在有生之年經(jīng)歷新冠疫情，實(shí)在是讓人“刻骨銘心永生難忘”，相信地球上大多數(shù)人民都被結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)的上了一課：微生物不好惹。其實(shí)，微生物對(duì)人類的威脅一直都在，久遠(yuǎn)的不說，2003年SARS事件，2009年甲型H1N1流感，2014年脊髓灰質(zhì)炎（小兒麻痹）疫情，2015寨卡病毒疫情，2018-2019年的剛果（金）埃博拉病毒都是受國際關(guān)注的巨大公共衛(wèi)生事件。PS：還有2018-2019年的非洲豬瘟疫情，讓愛吃豬肉的國人荷包大縮水。

　　縱觀歷史，各種微生物總是不定期的光臨地球，給人類帶來猛烈一擊，因此抗菌工作是個(gè)持久戰(zhàn)，在這一場(chǎng)戰(zhàn)役中，抗菌材料有著重要意義。抗菌材料是具備殺死或抑制有害細(xì)菌能力的功能材料，它與材料添加的抗菌劑有關(guān)系。抗菌劑分為無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑三種類型，其中無機(jī)抗菌劑有著廣泛的作用，而這其中無機(jī)抗菌劑中的主要金屬抗菌劑則是主要的抗菌劑類型，具有廣譜抗菌且抗菌性能優(yōu)良，不產(chǎn)生耐藥性的特點(diǎn)。

　　抗菌金屬的使用已有悠久的歷史，在很早之前人們已經(jīng)知道使用金屬制作的器具會(huì)更加安全，例如使用銅制作的器皿，用銀制作筷子等等。20世紀(jì)90年代，日本首次研制出具有抗菌性的鐵素體、奧氏體和馬氏體系的抗菌不銹鋼。它是在傳統(tǒng)鋼的基礎(chǔ)上添加了0.5%~1%Cu，再經(jīng)特殊熱處理，使Cu離子溶出并均勻分布在不銹鋼內(nèi)部及表面，其抗菌效果顯著。每一種抗菌金屬元素都有其特殊的抗菌機(jī)理，有的甚至同時(shí)兼有多種抗菌機(jī)理，在不同的環(huán)境影響下，選擇相應(yīng)的方式來抑菌，下文將對(duì)離子型、降解型、替代型以及氧化型幾種常見的金屬抗菌機(jī)理做簡單整理。

　　一、離子型抗菌

　　離子型抗菌是目前研究較多，并且應(yīng)用比較廣泛的一類抗菌形式，它可以通過正負(fù)電荷相互吸引與細(xì)菌緊密接觸，也可以通過離子溶出進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)等多種方式進(jìn)行殺菌，銅和銀是應(yīng)用較為廣泛的抗菌金屬，屬于典型的離子型抗菌。

　　1、銅的抗菌機(jī)理有如下幾種假設(shè)：①利用電場(chǎng)吸附的作用進(jìn)行殺菌。以不銹鋼材料為例，Cu離子均勻的分布在不銹鋼內(nèi)部及表面，帶正電荷的銅離子與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜在異性電荷相互吸引的作用下緊緊吸附在一起，使細(xì)菌的活動(dòng)受到了約束，呼吸受到了阻礙，阻礙了細(xì)菌的生長，最終導(dǎo)致死亡；②直接殺菌。銅離子穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，與細(xì)菌蛋白質(zhì)的巰基發(fā)生反應(yīng)，從而使得細(xì)菌的蛋白質(zhì)凝固，酶失去活性，DNA合成受到約束，進(jìn)而使其喪失增殖能力。③破壞酶系統(tǒng)殺菌。銅離子與細(xì)菌接觸時(shí)還可以破壞細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部酶運(yùn)輸系統(tǒng)，使得細(xì)菌固有成分喪失活性進(jìn)一步引起功能紊亂，導(dǎo)致菌體繁殖能力下降或新陳代謝受到阻礙，從而造成細(xì)菌的死亡。④催化作用殺菌。不銹鋼表面的銅離子可以起到催化作用，它能夠吸收周圍環(huán)境中的能量并與氧反應(yīng)生成以讓細(xì)菌的增殖能力下降·OH和O2-，達(dá)到讓細(xì)菌的增殖能力下降目的。

　　2、銀的抗菌機(jī)理：與銅相比，銀的抗菌性要高出許多，添加少量的銀就可以大大提高不銹鋼的抗菌性能，并且加入銀對(duì)不銹鋼的加工性能和力學(xué)性能基本沒有影響。銀離子抗菌劑作用機(jī)理有以下幾個(gè)方面：①阻礙細(xì)胞壁的合成。肽聚糖是細(xì)菌細(xì)胞壁重要組分，銀離子對(duì)細(xì)胞壁的合成有阻礙作用，主要抑制多糖鏈與四肽之間的連接，從而使細(xì)胞壁喪失了完整性，滲透壓的保護(hù)作用減退，最終由于菌體損傷而死亡。②對(duì)細(xì)胞膜造成損傷。細(xì)胞膜是細(xì)菌細(xì)胞生命活動(dòng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，若細(xì)胞膜受到損傷、破裂，將直接導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。③對(duì)蛋白質(zhì)的合成有著抑制作用。干擾DNA的正常生物合成過程，使合成的核酸失去功能。

　　二、降解型抗菌

　　隨著研究的不斷深入，純鎂及鎂合金也逐步走入了研究者的視線。中國科學(xué)院金屬研究在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對(duì)鎂基金屬的殺菌作用作了進(jìn)一步的研究，證實(shí)了鎂基金屬的殺菌不同于銅銀和鋅，它不是依靠離子的作用，鎂基金屬殺菌是因?yàn)樵谌梭w或環(huán)境中進(jìn)行自身降解，降解過程中影響了整個(gè)環(huán)境，使得環(huán)境堿度大幅提升，即pH值大幅增大，影響細(xì)菌生長環(huán)境，從而達(dá)到殺菌的作用。可降解鎂因其良好的抗菌性能，已逐漸應(yīng)用到外科手術(shù)中，但由于降解速度過快可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌感染，并且對(duì)生物相容性有不利影響，因此仍需改良鎂合金成分及支架設(shè)計(jì)從而控制降解速度，以適應(yīng)臨床上需求。

　　三、替代型抗菌

　　所謂替代型抗菌是基于金屬離子結(jié)構(gòu)的相似性，菌對(duì)抗菌元素和自身必需的營養(yǎng)元素發(fā)生混淆，致使抗菌元素進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)替代了營養(yǎng)元素，損傷了蛋白質(zhì)和酶，改變了細(xì)菌的生存環(huán)境，從而顯示出殺菌的效果。

　　1、鎵的抗菌機(jī)理。鎵離子抗菌是當(dāng)前國際上比較先進(jìn)的一種新型抗菌方式，其作用機(jī)理是與鐵高度相似的鎵利用細(xì)菌的噬鐵特性，替代鐵進(jìn)入細(xì)胞破壞細(xì)菌的鐵代謝，降低細(xì)菌存活率達(dá)到抗菌目的。鎵的抗菌性早已得到公認(rèn)，美國藥監(jiān)局FDA認(rèn)定鎵具有良好的抗菌活性，可用于藥物。國際上大量利用鎵抗菌養(yǎng)殖飼料案例數(shù)據(jù)顯示，鎵對(duì)針對(duì)多種細(xì)菌包括多重耐藥菌都有較好的抗菌效果。無論是體內(nèi)還是體外鎵都具有抗菌活性，其活性與其他藥物有協(xié)同作用，且細(xì)菌不易對(duì)鎵產(chǎn)生耐藥性，并能為有益菌創(chuàng)造更好的生存條件。鎵可用于臨床，但值得注意的是，長時(shí)間使用鎵會(huì)影響宿主的免疫系統(tǒng)。

　　2、鈰的抗菌機(jī)理。研究人員在不銹鋼中添加0.11%含量的鈰便可取得優(yōu)異的抗菌性能，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到了98.9%。此外內(nèi)蒙古科技大學(xué)也在做此研究，均證實(shí)了金屬鈰的抗菌性能，并對(duì)抗菌機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為鈰在離子狀態(tài)下，與細(xì)菌結(jié)合，替代細(xì)菌里的鈣，從而破壞了細(xì)菌的結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到殺死細(xì)菌的目的。

　　含鈰抗菌不銹鋼在制備時(shí)不用經(jīng)過時(shí)效處理就可以獲得良好的抗菌性能，工藝手段較為簡便。但稀土鈰在低濃度時(shí)反而會(huì)刺激細(xì)菌的生長，濃度過高時(shí)可能會(huì)損壞不銹鋼的其他性能，因此需要對(duì)鈰的用量拿捏到恰到好處。

　　四、氧化型抗菌

　　有些金屬本身不具備抗菌性能或是抗菌能力稍差，但其金屬氧化物在特定的環(huán)境下卻擁有較強(qiáng)的抗菌能力，比如氧化鋅、氧化鈦等，在光照的條件下會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到殺菌的目的。

　　1、氧化鈦的抗菌機(jī)理。眾多研究表明氧化鈦是利用光催化機(jī)理進(jìn)行殺菌的。氧化鈦被一定能量的光子激發(fā)時(shí)分別產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+）。電子（e-）與空氣中的氧原子反應(yīng)生成超氧離子自由基（-O2-），空穴（h+）與水分子經(jīng)過離子反應(yīng)之后生成羥基自由基（-OH）。自由基能夠與構(gòu)成為生物機(jī)體的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)將其直接氧化成CO2，H2O等無機(jī)物，改變有機(jī)物的原有狀態(tài)和性質(zhì)，從而阻礙了微生物細(xì)胞的繁殖，起到了抗菌和殺菌的作用。

　　2、氧化鋅的抗菌機(jī)理。有研究認(rèn)為氧化鋅的抗菌機(jī)理主要是由于氧化鋅在受光子激發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多強(qiáng)氧化物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)與細(xì)菌發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，殺死細(xì)菌。但氧化鋅的安全性尚待明確。

　　目前，離子型抗菌是應(yīng)用最為廣泛的抗菌形式，相比容易造成細(xì)菌感染的降解型抗菌和有局限性的氧化型抗菌，有著更好的發(fā)展前景。銅、銀屬于典型的離子型抗菌，并有著多種抗菌方式。此外，一些稀土元素通過替代相似結(jié)構(gòu)的金屬元素也展現(xiàn)了良好的抗菌性能?？咕牧显诎l(fā)揮其抗菌作用的同時(shí)，是否會(huì)對(duì)非目標(biāo)的生物體的傷害、環(huán)境造成污染以及是否讓細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性等都是需要重點(diǎn)考慮的問題。