生物质基抗菌材料制备及其应用进展
生物质基抗菌材料制备及其应用进展
应对病原微生物（如细菌）感染是人类生命健康所面临的挑战之一。生物质基抗菌材料具有可再生、可降解、可改性及生物相容性好等优点，是近年来的研究热点之一。本文系统综述了近年来纤维素、木质素及壳聚糖等代表性生物质基抗菌材料的制备及其应用进展，涵盖生物质抗菌原理分析、材料制备方法及其抗菌性能优化策略（如季铵化、氨基硅烷化、羧甲基化、硫醇化等结构改性，以及纳米金属或金属氧化物颗粒组成复配等）。重点介绍了生物质基材料与抗菌分子的接枝原理、金属或非金属复合材料性质及实际应用情况（如医疗、食品保鲜、日用化妆品、纺织及污水处理等）。最后，总结了生物质基抗菌材料的研发现状和挑战，并对其未来的发展趋势进行了展望。
细菌广泛存在于人们的日常生活中，其中包括很多致病菌，如金黄色葡萄球菌、幽门螺杆菌及大肠杆菌，会引发各种疾病，如肺炎、败血病、骨髓炎等，严重威胁人类健康。在实际治疗过程中，抗菌消杀的处理至关重要。然而，传统抗菌材料往往会因消杀效率低、易产生细菌耐药性等问题阻碍正常治疗。例如，银纳米颗粒作为一种传统、高效的抗菌剂有着很好的抗菌效果。但在使用过程中，银离子具有潜在释放的风险，从而对人体、其他动植物以及环境造成潜在危害。此外，人体直接接触银离子，也会引起皮肤细胞的毒性反应和过敏反应。为了降低抗菌剂的毒副作用，人们往往需要严格限制其使用剂量。然而，降低抗菌剂的使用剂量会导致其杀菌效果减弱。因此，人们致力于开发新型高效、长效及低毒的抗菌基材（如纳米抗菌材料、水凝胶抗菌材料、表面涂敷材料等），以保证负载在其上的抗菌剂能够持续有效地发挥抗菌性能，而抑制抗菌剂的有害释放。其中，天然生物质高分子材料（如壳聚糖、木质素及纤维素），凭借其独特的高度聚合结构、生物活性、自然降解能力、低生物毒性，可作为理想的抗菌材料基材。同时，产量大、价格低廉和容易获取等特点使得这些物质具有良好的商业应用前景。因此，相关研究引起了人们的高度重视。
壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物，在C-2位上被一个氨基所取代，它是海洋节肢动物及众多昆虫的甲壳、菌类和藻类细胞膜、软体动物甲壳的主要成分，具有良好的生物降解性、生物相容性、抗菌活性。壳聚糖的抗细菌和真菌能力已被广泛报道，可以用于单独开发为抗菌材料，也可以制成药物载体与抗菌剂一起发挥协同作用服务医疗领域。木质素是仅次于纤维素的第二大植物天然高分子聚合物，占到植物细胞壁的20%~30%。它是3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的复杂三维网络结构的高分子，具备大量芳环结构、酚羟基和醌基等活性基团。它具有增强植物细胞壁强度、帮助植物抵御生物降解的功能。木质素具有天然的抗菌活性，通过一定的物理/化学改性，可以制备出具有优良抗菌效果的可降解材料。纤维素是由葡萄糖单元通过β-1,4苷键连接而成，是植物细胞壁的主要成分，是在自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物碳含量的50%以上。纤维素被认为是一种生物可降解、环境友好的有机材料。通过对纤维素分子结构中的羟基进行化学改性，可以与抗菌剂进行接枝并制备纤维素基抗菌材料。此外，三种生物质来源丰富，作为基础材料成本相对低廉。对于壳聚糖而言，成本相对较低、工艺简单的有机抑菌剂与其结合制成的复合材料适合大规模应用，而高成本的金属纳米颗粒复合和化学改性材料可适用于特定的医疗材料、食品包装等。此外，作为制浆产业的副产物，以木质素作为基材合成的抗菌材料的成本相对较低，适合大规模生产，尤其在包装、纺织品和农业领域具有较好的成本效益。不同于壳聚糖和木质素，由于纤维素本身的抗菌性能较弱。为了增强其抗菌效果，通常需要通过化学改性或与其他抗菌剂（如金属纳米颗粒、有机抑菌剂等）复合，因此会增加额外的成本。但纤维素良好的生物降解性和环保性一定程度上降低其后处理成本，从而使其在医疗、纺织、食品包装等领域同样具有较大潜力。
如今，生物质抗菌材料在医疗、食品保鲜、日用化妆品、纺织及污水处理方面有着广泛的应用（图1）。生物质高分子材料大致以三种方式实现抗菌效果：（1）自身带有天然抗菌活性基团（如木质素中的酚羟基和壳聚糖中的伯胺基）；（2）通过分子衍生化改善原有天然材料结构、强化功能基团，以增强抗菌效果，如季铵化、羧甲基化等；（3）天然材料与现有的抗菌剂结合，发挥综合效能，弥补现有抗菌剂中的不足（如分散性能不佳、容易失效等问题），从而得到高效低毒的抗菌材料。本综述从这三个角度介绍了当前生物质抗菌材料的自身抗菌特性、改性方式、生物质与抗菌剂的结合特点，各个结合方式的优缺点等。最后，总结了生物质抗菌材料发展方向和目前面临的一些挑战。
图1 生物质基抗菌材料的应用领域
本文原文来自《中国科学：化学》2025年第1期“生物质资源转化与利用专刊”。