微生物數量龐大、無處不在，是人類非常重要的鄰居，在應用得當的情況下，甚至還可以轉變為對人類有益的有益菌，用于制造酸奶、奶酪、醬油、醋、酒等發酵產品。但微生物并非所有時刻都是友好的，它們同樣能對工業產品、人類和動植物帶來危害，如食品變質、破壞纖維素類產品、使化妝品中藥材等產品腐敗等。

沒有添加防腐劑的漢堡放了34天后的樣子

圖片來源：漢堡王創意廣告《The Moldy Whopper》

但這些跟傳染病流行比起來，都只能算小事。迄今為止，傳染疾病依然是人類的最高發病率與致死率的疾病。雖然人類在疾病的預防和治療方面已到了前所未有的高度，但微生物的進化速度仍遠超過人類研發成功新抗生素的速度。而且大量濫用廣譜抗生素更加促進許多菌株產生基因突變、發生變異，具有更強的耐藥性。

人類遭遇的第一次流感大流行：1918年西班牙流行性感冒

要解決問題，最好就從源頭開始整頓，既然治療有困難，那就想辦法避免人們患病，因此廣譜抗菌材料開始受到重視。其中，納米氧化鎂（nano-MgO）由于具有許多不同于塊體氧化鎂的光、電、磁、熱、化學及力學等性質，成為一種新型功能無機材料，尤其是在與人類生存和健康密切相關的抗菌材料領域，更顯示了獨特的優勢，如持久和廣譜的抗菌活性、成本低、不易變色、無生物毒性等。

納米氧化鎂的SEM圖像（A比例尺：200 nm ；B比例尺20nm）

一、納米氧化鎂是怎么抗菌的？

正確認識氧化鎂的抗菌機理，對于提高材料抗菌活性研究具有重要意義。下圖所示的是氧化鎂的兩種主要抗菌機理，包括活性氧氧化損傷和吸附作用的機械損傷。

①活性氧（ROS）氧化損傷

日本科學家SAWAI等對陶瓷粉體進行研究時，提出了MgO的活性氧（reactive oxygen species，ROS）氧化損傷機理，即nano-MgO表面的氧空位可以催化水中的溶解氧發生單電子還原反應而產生超氧陰離子自由基O₂^–。由于O₂^–具有強氧化性，因此可以破壞細菌細胞膜壁蛋白肽鏈，從而迅速殺死細菌。

MgO在水溶液中易水合生成Mg(OH)₂，使顆粒表面包覆一層OH^–而呈堿性，堿性環境中O₂^–具有較高化學穩定性和殺菌能力。相對于塊體MgO，nano-MgO比表面積大且表面氧缺陷多，易水化生成Mg(OH)₂，且可產生大量的O₂^–，從而具備強的殺菌能力。研究表明，MgO水合生成的Mg(OH)₂會使溶液的pH上升到10.5左右，而用相同pH的NaOH水溶液對大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）的殺菌效果卻沒有nano-MgO好，說明單純的pH增加并不能促進抗菌性能提高。

ROS氧化損傷機制得到了大多數研究者的認可，制備nano-MgO抗菌材料時，可以通過暴露表面富含活性氧的(111)晶面增強其抗菌能力，也可以通過摻雜增加氧化鎂表面的缺陷使其產生更多氧空位，或者通過與不同抗菌組分復合提高材料的抗菌性能。

②吸附作用的機械損傷

nano-MgO表面存在大量晶格局限羥基、游離羥基以及離子空穴等多種活性位點，這些都可以作為吸附和表面反應中心。YAMAMOTO等提出nano-MgO的抗菌作用除了ROS氧化損傷之外，顆粒對微生物的吸附作用也能造成細胞膜損傷，并且隨著顆粒尺寸減小，抑菌效果越好。

LEUNG等也發現在沒有ROS存在下，nano-MgO對E.coli依然具有很強的抗菌性能，細菌死亡應是由于與nano-MgO接觸過程中細胞膜的pH改變、Mg²⁺釋放導致細胞膜破裂，而不是脂質過氧化作用。MAKHLUF等通過nano-MgO作用細菌后的電子致密黑點表明其可以穿透細胞膜或者細胞壁進入細胞，而MgO粒徑越小，細胞質中的電子致密黑點越多，抗菌活性越高；研究還發現，無定形態的nano-MgO沒有殺菌能力。

圖：大腸桿菌在0~2.0 mg/mL的n-MgO中培養24小時后的SEM圖像

大腸桿菌的形狀明顯發生扭曲，其細胞壁和細胞膜受到破壞

吸附作用的機械損傷機理是對活性氧氧化損傷機理的補充，它不僅能夠解釋在沒有ROS存在下氧化鎂仍具有良好抗菌性能的問題，還驗證了nano-MgO粒徑越小抗菌性能越高機制，因此可以通過減小氧化鎂粒徑、增加比表面積、增強吸附作用等來提高氧化鎂的抗菌性能。

二、該如何發揮出納米氧化鎂的抗菌性能？

目前氧化鎂抗菌材料的開發路徑主要有兩條：一是通過粒徑大小、形貌特征等控制，提高納米氧化鎂的抗菌性能，如鱗片狀納米氧化鎂粉體，對炭疽熱、葡萄球菌、 大腸桿菌等表現出極強的抗菌殺菌能力；二是通過氧化鎂和其他抗菌材料的復合，開發新型復合抗菌材料，如活性炭/氧化鎂、金屬氧化物/氧化鎂和氯氣，溴氣/氧化鎂等。

氧化鎂和多壁碳納米管復合材料

應用上，主要有以下幾種：

①以涂料為載體，通過添加2%-5%的納米氧化鎂，提高了涂料抗菌性、阻燃性、疏水性。

②通過在塑料中添加納米氧化鎂，可以提高塑料制品的抗菌率和塑料的強度。

③通過在陶瓷表面的噴涂，經燒結，提高了陶瓷的表面的平整度、抗菌性。

④通過在織物纖維中添加納米氧化鎂，可提高織物的阻燃性，抗菌性、疏水性和耐磨性，解決紡織品的細菌、污漬侵蝕的問題。

此外，還有科學家利用納米氧化鎂發明了可用于酸性飲料的抑菌劑（防腐劑），具有無毒、對常見飲料微生物具有較好的抑菌效率等特點，尤其是對酸性飲料中熱帶假絲酵母具有明顯的抑菌效果，而且制備方法簡便，適合工業化生產。或許在不久的將來，我們就能在食品配方上看到納米氧化鎂的身影了。

資料來源：

納米氫氧化鎂/氧化鎂的制備及抗菌性能研究，鄭軍。

納米氧化鎂抗菌材料的研究進展，葉俊偉，楊瑤瑤，陳弋心，高夢陽，柴政澤，林源，寧桂玲。

Nguyen, N.T., Grelling, N., Wetteland, C.L. et al. Antimicrobial Activities and Mechanisms of Magnesium Oxide Nanoparticles (nMgO) against Pathogenic Bacteria, Yeasts, and Biofilms. Sci Rep 8, 16260 (2018).

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