銀抗菌的安全性

1、銀抗菌的安全性邢彥軍1 ,2 , 宋陽3 ,吉友美1 ,戴瑾瑾1 (1) 東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，上海201620 ; (2)東華大學(xué)教育部生態(tài)紡織重點實驗室，上海201620 ;(3)東華大學(xué)，國家染整工程技術(shù)研究中心，上海201620抗菌紡織品的研究與應(yīng)用與人類健康密切相關(guān)，因而越來越受到人們的重視?？咕徔椘房梢悦黠@地提高產(chǎn)品的附加值，滿足人們對健康環(huán)保的需求 ，因此市場潛力很大。紡織品的抗菌整理多采用主動抗菌，即通過一定方式將特殊的抗菌物質(zhì)引入紡織材料，以達(dá)到抗菌的目的。目前多采用雙腹類、異曝嘎咻酮類、有機(jī)硅季鏤鹽類和酚類等溶出型有機(jī)抗菌劑。但是，長期使用這些抗菌劑很容易產(chǎn)生耐藥性菌種

2、，大大影響了抗菌效果。相反 ，無機(jī)抗菌殺菌劑具有抑菌持久性、廣譜性、高度安全性等優(yōu)點 ，因而其應(yīng)用領(lǐng)域不 斷擴(kuò)展。金屬離子抗菌劑是一類重要的無機(jī)抗菌劑，其中銀離子的抗菌能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其他抗菌金屬離子，故銀系無機(jī)抗菌劑在抗菌紡織品上的應(yīng)用越來越廣泛。本文對銀抗菌劑的安全性、抗菌性能、抗菌機(jī)制、銀系抗菌纖維和紡織品制 備方法、國內(nèi)外抗菌紡織品測試方法以及目前尚存的問題進(jìn)行了評述。1 銀的抗菌性微量的、相對無毒的金屬具有殺滅病原體和防止它們增殖的“微量作用效應(yīng)”。在所有金屬中，銀最具微量生物活性。銀的使用最早可以追溯到18世紀(jì)使用硝酸銀治療胃潰瘍1 o 19世紀(jì)第1次確定了銀離子的抗菌活性，到了 20

3、世紀(jì)20年代，膠體銀由于可以有效地處理傷口而被美國食品藥品署(FDA)認(rèn)可2-3 o與其他抗菌劑相比，銀系抗菌劑具有抗菌性能高(見表1),不易產(chǎn)生抗藥性的特點，具有很高的安全性。 在溫暖潮濕的環(huán)境里，銀離子具有非常高的生物抗菌 活性。同時，銀系抗菌劑還具有很多優(yōu)點，如對皮膚沒有刺激性，不影響紡織品的服用性能 ，因此銀系抗菌劑適合于抗菌功能紡織品的制備4-5 o表1用于紡織品的不同抗菌劑性能比較抗菌劑格蘭氏 陽性菌格蘭氏 陰性菌真菌抗藥性皮膚吸 收毒性三氯生+-+有有很少到無毒銀系+未報道輕微很少到無毒季鏤鹽+-有有中等到高殼聚糖+未報道未報道生物降解聚己縮腹+未報道無很少到無毒銅系+有無和劑量

4、相關(guān)注：+表示有效；+ + + 表示高效；- 表示無效。測定方法不同，不同抗菌劑間無法進(jìn)行比較2 銀的安全性我國民間很早就認(rèn)識到銀有抗菌作用，并記述了銀的毒性，明代醫(yī)學(xué)家李時珍在本草綱目中對銀的性質(zhì)有所記述：“生銀、味辛、寒、無毒”。從生理學(xué)上講，銀不屬于人體必需的微量元素，但由于食物和飲水的攝取或者職業(yè)的原因，人體內(nèi)仍然可以檢測到銀的存在(質(zhì)量濃度<213心g/L) 6 o疾病治療過程中所使用的含銀藥膏、繃帶或者導(dǎo)尿管等所含的銀也會進(jìn)入人體的循環(huán)系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，銀與人體細(xì)胞中的金屬硫蛋白作用會形成蛋白絡(luò)合物，從而減小了銀的毒性。含銀醫(yī)用敷料所釋放的銀除了形成硫化物或氯化物沉淀，與

5、傷口的分泌物反應(yīng)形成穩(wěn)定的復(fù)合物外，有較少部分也會通過開放的傷口進(jìn)入人體。研究報道，受傷皮膚吸收的銀離子量遠(yuǎn)高于健康人體的皮膚7 o從理論上講，銀會沉積于人體的任何組織之中，但只有皮膚、大腦、肝、腎、眼睛和骨髓是目前研究最多的部位。大多數(shù)的銀主要通過肝和腎排出人體，同時頭發(fā)和指甲的生長也提供了一個排泄途徑4-5 o目前對銀的攝入和銀在人體中新陳代謝的研究還較少，只有少數(shù)關(guān)于磺胺喀咤銀的臨床研究。自引入市場以來，磺胺喀咤銀已經(jīng)在臨床上使用了幾十年，病人每天最多可使用30g(含銀9.06g)。研究表明在使用磺胺喀咤銀時，10 %的銀會被人體吸收，而高度血管化的彳口吸收更高8。使用磺胺喀咤銀的病人體

6、內(nèi)血銀質(zhì)量濃度可高達(dá)>300心g/L,但至今未發(fā)現(xiàn)明顯的毒副作用9-11 o Wysor采用口服或皮下注射的方法將1050mg/kg的磺胺喀咤銀(含30 %銀，相當(dāng)于70kg的人使用22g的銀)用于小鼠，連續(xù)實驗1個月后，受試動物無死亡，體重?zé)o減輕，沒有行為改變和腹瀉；組織切片分析發(fā) 現(xiàn)，受試動物無明顯病變。與人體皮膚直接接觸的醫(yī)用纖維中含有的金屬銀和銀離子，受汗液、皮脂和組織分泌液的激活而積累在皮膚的表面，其中一些會形成硫化銀穿過皮膚的表層而沉淀在皮膚中。雖然高溫和高濕環(huán)境將加速皮膚和黏膜對銀的吸收，但由此造成的銀吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用1 %磺胺喀咤銀軟膏病人所吸收的量。3 不同價態(tài)銀的抗菌

7、性能大量研究表明，不同價態(tài)的銀均具有殺菌效果，但隨著價態(tài)的變化，其殺菌機(jī)制有所不同?？傮w來說，高價態(tài)離子的還原勢極高，能夠?qū)е略友醍a(chǎn)生的能力也相應(yīng)的較大，從而極大地提高了抗菌性能。銀具有3種氧化態(tài)：Ag( i)、Ag(n)和Ag(HI),不同形態(tài)銀的抗菌性能的順序為12-14: Ag4O4>Ag( m )> Ag( n)>>Ag( I)>Ag(0)。表2中列出了銀單質(zhì)和不同形態(tài)化合物離子化能力的定性比較。表2用于抗菌材料的銀系化合物化合物離子化能力氯離子反應(yīng)過敏反應(yīng)抗菌性能金屬銀及涂層低(<1g/mL)反應(yīng)有低納米銀低(<1g/mL)不反應(yīng)無很高膠體

8、銀中等至高反應(yīng)有中等磷酸鹽中等反應(yīng)有中等硝酸鹽很高反應(yīng)有很高氯化物低-有低硫酸鹽中等反應(yīng)有中等沸心未見報道未知有中等磺胺喀咤鹽高反應(yīng)有高氧化銀低反應(yīng)有中等Ag4O4是由2個Ag( I )和2個Ag(田)與4個O2-緊密結(jié)合構(gòu)成的一種具有活躍電子的分子晶體。由于在同一個分子內(nèi)存在著Ag+/Ag3+ ,使電位不平衡，Ag 4O4具有潛在的電子躍遷的能力和向更穩(wěn)定狀態(tài)變化的趨勢15 °Ag4Q與病毒、細(xì)菌、真菌和原生動物等生物體的膜和衣殼上的特定蛋白表面裸露的-N基(-NH-,-NH2)和-S基(S-S,-SH)具有親和性，可以發(fā)生熱力學(xué)吸附并觸發(fā)氧化還原反應(yīng)和由反應(yīng)產(chǎn)生的Ag2+的螯合反

9、應(yīng)，從而致使蛋白質(zhì)構(gòu)象改變，最終導(dǎo)致病原體死亡14 o Ag( n )和Ag(田)具有比Ag( I )更強(qiáng)的殺菌能力，但其殺菌機(jī)制目前還未見詳細(xì)報道。一般認(rèn)為是Ag( n)和Ag( m)的強(qiáng)氧化性使其擁有殺菌能力。Ag( m)的殺菌速度平均要比Ag( I )快240倍，殺菌效果是Ag( I )的200倍12。在這些銀的形態(tài)中，只有Ag( I )和Ag(0)最穩(wěn)定，并且已經(jīng)應(yīng)用于各種抗菌材料16 o Ag( I )中使用最多的是硝酸銀和磺酸喀咤銀。硝酸銀是非常優(yōu)異的抗菌劑，其抗菌性能比很多其他抗菌劑(包括磺酸喀咤銀)要好，特別是在消除抗性品系的金黃色葡萄球菌、肺炎球菌以及綠膿桿菌上效果更好17

10、o但硝酸銀的用量不能超過1% ,否則與活組織細(xì)胞接觸時會引起細(xì)胞電解質(zhì)鈉和鉀的流失18 o磺酸喀咤銀避免了硝酸銀的很多缺點，同時廣譜抗菌。雖然磺酸喀咤銀在水中的溶解度較小，但它與體液作用釋放銀離子的能力并不差。當(dāng)磺酸喀咤銀質(zhì)量濃度達(dá)到50 mg/L時,95 %的人體傷口中細(xì)菌種類都可以有效地消除，然而銀離子極易與生物體中的氯離子產(chǎn)生氯化銀沉淀，進(jìn)而誘發(fā)人體過敏反應(yīng)產(chǎn)生。雖然金屬銀的離子化速度很慢，但也已經(jīng)用于治療傷口。納米化學(xué)的發(fā)展加速了微細(xì)銀顆粒(<20nm)的制備。制備得到的微細(xì)銀顆粒的可溶性增強(qiáng)，并且由于金屬銀的離子化和顆粒的表面積成比例，納米顆粒的高表面積使得銀離子的釋放速度也相

11、應(yīng)增加，因此相對于金屬銀來說，其抗菌性能也極高。然而，抗菌性能提高的同時也意味著毒性的增加。目 前對納米級物質(zhì)的危險性還有很多爭議。研究表明，當(dāng)以納米顆粒的形式存在時，納米銀要比一些重金屬的毒性還要高19。體外試驗表明納米銀顆粒會導(dǎo)致哺乳動物的肝細(xì)胞中毒20,甚至可能會導(dǎo)致腦細(xì)胞中毒 21。同時，納米銀顆粒的穩(wěn)定性較差，儲放時易產(chǎn)生凝聚形成微米級粒子，另外高分子基材不容易分散，影響了其應(yīng)用?？咕椢锼褂每咕鷦┲秀y的來源和銀離子的釋放方式及速度對纖維和織物的抗菌性能有著極大的影響。采用不 同方法得到的銀系抗菌紡織品具有不同的釋放體系和濃度。Thomas和Mc Cubbin研究了 10種采用不同

12、的銀抗菌劑、纖維材料以及釋放體系的織物并比較了它們的抗菌性能22 o結(jié)果表明：銀的總含量是最主要的影響因素，而銀在織物中因此某一種銀抗菌體系的有效銀含量能否代表其的分布、化學(xué)物理形態(tài)以及織物的親濕性等對抗菌性能也有一定影響 他銀系抗菌體系值得考慮。到目前為止，對一價銀離子化合物的抗菌機(jī)制還沒有一個完全統(tǒng)一的認(rèn)識。目前提出的研究機(jī)制主要有2種：離子溶出說和活性氧說。離子溶出說認(rèn)為金屬銀和大多數(shù)銀化合物與水、體液和組織分泌液作用后可以釋放出的銀離子或者其他“具有生物活性的銀離子”，在吸附病菌后與其中酶蛋白的氨基（-NH2）或者疏基（-SH）等活性基團(tuán)發(fā)生作用，導(dǎo)致病菌中的酶失去活性或發(fā)生了改性，使

13、得病原菌無法進(jìn)行呼吸和新陳代謝，病菌的生長和繁殖得到抑制，從而達(dá)到抗菌的目的。在這種機(jī)制中，銀離子的緩釋對抗菌性能具有極大的影響，而其緩釋性能在很大程度上取決于抗菌材料中銀化合物或金屬銀形成離子的能力，然而，目前尚沒有用于抗菌材料銀化合物或金屬銀離子化能力的精確的定量數(shù)據(jù)（見表2）活性氧說則認(rèn)為銀等重金屬具有較高的極性催化能力，在與水和空氣中的氧作用后可以產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（如H2O-,H2O+ ,0-2等）o這些活性氧物質(zhì)能夠破壞細(xì)胞內(nèi)各種重要的生物高分子和膜，阻礙病菌的繼續(xù)生長和繁殖 ，從而起到抗菌效應(yīng)。Lok使用蛋白質(zhì)組學(xué)和膜性質(zhì)測定研究了納米銀對E.coli的作用。結(jié)果表明：其抗菌機(jī)制與

14、Ag+相同，但是納米銀的有效濃度遠(yuǎn)低于Ag+23。然而，研究表明納米銀易產(chǎn)生生物毒素24,因此在使用納米銀作為抗菌劑時，必須嚴(yán)格控制其用量。雖然大多數(shù)研究均已采用以上2種機(jī)制，但仍然存在較多疑點，因此還需結(jié)合微生物學(xué)和生物化學(xué)等知識對銀系抗菌劑的抗菌機(jī)制作進(jìn)一步的探討，特別是納米銀抗菌劑的抗菌機(jī)制（如粒徑大小、形狀與抗菌性能的關(guān)系）,以指導(dǎo)抗菌劑的開發(fā)和使用。5銀系抗菌紡織品的制備目前銀系抗菌紡織品的制備方法主要有纖維改性法和織物后整理法。纖維改性法首先在成纖高聚物中添加合適的 抗菌劑填料，然后進(jìn)行濕法或熔融紡絲，再加工制成抗菌織物；織物后整理則是通過在織物表面涂層或浸漬抗菌劑的方 式，使紡織

15、材料表面形成抗菌層。每種方法都有各自的優(yōu)缺點，生產(chǎn)中可根據(jù)不同的需求采用相應(yīng)的加工方法，見表3。表3不同的織物抗菌整理方法方法優(yōu)點缺點后整理易加工，柔性成本耐洗性及抗菌效果持久性差，易遷移進(jìn)入皮膚（產(chǎn) 生過敏反應(yīng)），對環(huán)境有影響（三廢）涂層不會遷移高成本（ 10 %的銀），不能用于無色織物，金屬銀 易變色，只有與皮膚接觸時才能產(chǎn)生效果纖維改性效果持久，不會遷移，適用于只有當(dāng)與皮膚接觸以及釋放銀離子時才能產(chǎn)生效 果；影響纖維的物理機(jī)械性能多種纖維，對環(huán)境無影響目前抗菌紡織品的生產(chǎn)主要以纖維改性為主。該法是將抗菌劑的超細(xì)粉末作為添加劑進(jìn)行紡絲25,此時抗菌劑進(jìn)入到纖維的內(nèi)部，故耐洗滌性能好，抗菌效

16、果持2時間長，但纖維改性法對抗菌劑的要求較高，抗菌劑必須在水、堿和酸里的溶解度極低，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐強(qiáng)酸、堿和氧化劑，熱穩(wěn)定性好，因此目前抗菌添加劑多為載銀陶瓷顆粒或者載銀沸石（見表4）。在加工過程中，要求添加的抗菌劑必須與纖維本體有良好的相容性和分散性，同時抗菌劑顆粒細(xì)小，粒徑分布范圍窄，不能影響紡絲；添加劑的加入不能夠影響纖維的物理性能，包括纖維的強(qiáng)力和伸長。纖維改性方法大多只適用于合成纖維，除納米銀抗菌劑外無法對棉、麻、毛、絲等天然纖維進(jìn)行抗菌加工。表4抗菌纖維中使用的銀系抗菌劑種類制備技術(shù)耐久性抗菌性能適用纖維銀涂層機(jī)械涂層不使用黏合劑， 易脫落用量超過5 %寸效 果好目前只應(yīng)用于錦

17、綸銀沸心微米沸石交換吸附Ag+取決于所使用的 黏合劑低到中等，取決 于沸石吸附量無法應(yīng)用于超細(xì) 纖維銀粉粉碎或等離子體 加工取決于所使用的 黏合劑差只適用于粗纖 維，易降低纖維 強(qiáng)力納米銀溶膠凝膠法進(jìn)入纖維內(nèi)部使 用時間長優(yōu)良用于所有天然及 合成纖維表5列出了部分抗菌纖維及抗菌紡織品?？椢锖笳淼姆椒ㄖ饕槍μ烊焕w維或者天然纖維與其他纖維混紡的紡織品，一般使用抗菌劑的懸浮液浸漬26、涂層或者溶膠凝膠27等方法，使抗菌劑能夠附著在織物上以獲得抗菌效果。后整理方法得到的抗菌織物其纖維內(nèi)部并沒有抗菌劑，因此耐洗滌性和長效性都較差。后整理方法加工處理方便，對抗菌劑的要求相對較少，但要求使用的抗菌整理劑

18、在加工方法上能夠采用常規(guī)的紡織品加工工藝。表6列出部分用于紡織品后整理的抗菌整理劑產(chǎn)品。6抗菌測試目前市場上的銀系抗菌紡織品多以載銀陶瓷和沸石或者納米銀抗菌劑為主，此類固著型抗菌劑只有在潮濕狀態(tài)（例如排汗，潮濕狀態(tài)是細(xì)菌繁殖的理想環(huán)境）才能釋放出銀離子，擴(kuò)散性極差，因此在使用溶出型抗菌劑性能標(biāo)準(zhǔn)測定銀系抗菌紡織品的抗菌性能時會給出負(fù)結(jié)果。目前，銀系抗菌劑的抗菌測定多推薦使用振蕩燒瓶試驗。國際上相對比較完表5 部分銀抗菌纖維及衍生產(chǎn)品生產(chǎn)廠產(chǎn)品應(yīng)用加工方法性能興諾CLEANCOOL內(nèi)衣、運動服纖維內(nèi)吸附銀永久抗菌OdloTermic運動服載銀陶瓷顆粒永久抗菌Tex-A-medPadycare床單

19、、T恤、綁腿銀涂層PA616微纖維,20 %含銀量40 C下洗滌150次Schoedel AGSilverline床墊表層銀涂層纖維永久抗菌Schoedel AGMicrocare床墊表層醋酸銀復(fù)合物，與濕氣 結(jié)合產(chǎn)生活性氧可在60c重 復(fù)洗滌Malden MillsPolartec PowerT恤使用銀涂層纖維永久抗菌TWD GmbHDiolen Care, Timbrelle Care運動服、床墊、醫(yī)療 產(chǎn)品等PES或者PA616的銀離子復(fù)絲永久抗菌KaneboLivefresh內(nèi)衣、襪子、運動服、 鞋墊PA616、銀離子沸石> 50次洗滌MontefibreLeacril Sani

20、wear,TeritalSaniwear運動服、床單、杲布PAM PES銀離子沸石-Statex NoblefibreShieldexX-Static抗神經(jīng)性皮炎服裝、 內(nèi)衣等銀涂層PA66纖維永久抗菌NylstarMeryl Skinlife運動服、襪子、內(nèi)衣 等銀涂層PA66微纖維永久抗菌Trevira GmbHTreviraBioactive功能性內(nèi)衣、運動 服、床單PES與銀抗菌劑復(fù)絲永久抗菌東麗X-Static護(hù)士服錦綸，銀離子沸石永久抗菌可樂麗Saniter床單、被褥滌綸中摻入銀沸心永久抗菌KosaImbue用途廣泛聚酯絲嵌入銀陶瓷永久抗菌RhovylRhovyl Eco內(nèi)衣碘化銀

21、加入纖維FossFoss fiber抗菌清潔布含銀無機(jī)沸后 AglON 嵌入聚酯雙組分纖維多次清洗可漂 白AmericosSilverAntimicrobial-載銀硅酸鹽永久抗菌NanoHorizonsSmartSilver-納米銀永久抗菌表6部分銀系抗菌后整理劑生產(chǎn)廠產(chǎn)品主要成分應(yīng)用推薦工藝性能樂凱CSA-1季鏤銀鹽棉、滌綸、睛 綸-抑菌性持久耐 洗滌50次樂凱納米銀膠體水 溶液納米銀超細(xì)微粒& 50 nm-抑菌性持久耐 洗滌華普HP902納米銀陶瓷棉、錦綸、睛 綸等浸軋法、噴涂-滬正AGS2WMB納米銀012014 nm棉、混紡、化 纖等噴涂、浸軋、 浸漬法-晶碩納米抗菌防臭 整

22、理助劑納米銀 5 nm-噴軋、浸軋-ThomsonUltra2FreshSilpure納米銀懸浮體180 nm棉、滌綸、錦 綸等使用前混合兩 組分浸軋耐50次水洗CibaIrgaGuard B 5000P5120載銀硅酸鹽滌綸、錦綸-持久、局溫加 工不分解RudolfRUCO2BAC AG納米TiO2負(fù) p載 Ag2O棉浸軋法耐50次水洗DohmenDOCAIR納米銀棉浸軋法高效耐久日清紡Ag Fresh納米銀4 nm棉浸漬法持久整的評價方法是美國測試與材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2149 2001固著性抗菌劑抗菌性的動態(tài)測試法28、美國紡織化學(xué)家和染色學(xué)家協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AATCC 100-2004紡織

23、品抗菌性能的定量評估29以及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JISL 1902-2002紡織品的抗菌性試驗方法30 o三者在抗菌性能評價的標(biāo)準(zhǔn)上有很大的不同。由于 ASTME 2149主要應(yīng)用于非溶出型抗菌樣品的抗菌性能的表征，因此應(yīng)用于銀系抗菌樣品的性能測試較為科學(xué)。該標(biāo)準(zhǔn)先將樣品浸泡在一定濃度的菌液中振搖培養(yǎng)1 h后，比較抗菌樣品在振蕩前后減少的菌落數(shù)對樣品的抗菌性能進(jìn)行表征。而JISL1902和AATCC 100標(biāo)準(zhǔn)則比較適合于溶出型樣品31,因此測試銀系抗菌樣品時會產(chǎn)生一定的誤差。它們的操作方法和結(jié)果表示與ASTME2149也非常不同。雖然JISL1902和AATCC 100標(biāo)準(zhǔn)都是通過比較和計算細(xì)菌在

24、抗菌樣品和比照樣上培養(yǎng)后的菌數(shù)差異 定量地評價紡織品的抑菌和殺菌性能，但二者在具體操作、樣品尺寸、抑殺菌效果的計算方式和結(jié)果表示等方面仍有較大不同。目前我國主要采用 GB 15979-2002一次性使用衛(wèi)生用品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)32 以及FZPT 73023-2006抗菌紡織品33測定非溶出型抗菌產(chǎn)品的性能。FZPT73023和GB 15979均是ASTM E 2149進(jìn)行改進(jìn)形成的，但二者在振蕩時間上有極大的差別。前者的振蕩時間為18 h ,而后者的時間僅為1 h ,與ASTM E2149相同。盡管可以定性鑒定或者定量測定織物上銀的含量，但由于采用了不同的釋放體系和濃度，一種銀系抗菌紡織品的銀有效含量、抗菌檢測結(jié)果和方法不能代表和應(yīng)用于其他的銀系抗菌劑22 o研究還表明即使是相同的織物，采用不同的測試方法