COVID-19大流行病已引起全世界對高接觸表面助長污染物擴散的關(guān)注。在傳染病傳播中特別重要的一個領(lǐng)域是微生物在醫(yī)療場所和普通表面上在表面上生存的能力。通過殺死和/或減少微生物的附著來防止細菌傳播和生物膜形成的解決方案已經(jīng)進行了大量研究。但是，先前報道的許多抗菌涂料都集中在抗菌能力上，對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，對抗病毒材料和表面研究的現(xiàn)狀進行全面總結(jié)。綜述首先對金屬和無機材料進行全面概括，重點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表面涂層（圖1）。還討論了每種方法考慮的毒性和環(huán)境問題。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)對其抗微生物特性進行了測試，因此它們對于抗病毒表面的未來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 當前研究和新興抗病毒涂層和表面的示意圖
金屬和無機抗病毒材料
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，但是也有研究對銅的殺毒作用做出了一些假設(shè)。許多研究人員推測，在抗菌活性中發(fā)現(xiàn)的相同的ROS機制可以作用于病毒包膜或衣殼。值得注意的是，病毒不具有細菌或真菌中發(fā)現(xiàn)的修復(fù)機制，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，它通過與病毒包膜和病毒表面蛋白相互作用，阻斷病毒滲透進入細胞，阻斷細胞途徑，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)銀抗病毒已有多個研究：以離子、納米顆粒和混合涂層形式使用銀來形成抗病毒表面；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的大小也會影響到抗病毒的效果。
圖2 無機材料的抗病毒機制
鋅
自從1974年以來，鋅就被證明是抗病毒劑。病毒依靠鋅指結(jié)構(gòu)在宿主細胞中復(fù)制，鋅指是蛋白質(zhì)基序，其包含一個或多個氨基酸序列，該序列允許一個或多個鋅離子的配位，由此證明了鋅作為抗病毒劑的重要性。對于抗病毒表面應(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）充當殺菌劑的結(jié)構(gòu)；鋅離子載體是負責(zé)將鋅離子跨脂質(zhì)膜運輸?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中的致病性失活機理與光吸收，電子/空穴的產(chǎn)生以及通過價帶孔空穴和導(dǎo)帶電子產(chǎn)生的ROS對有機材料的氧化有關(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 無機納米涂料的實例
其他無機材料
盡管銅、銀、鋅和TiO2是研究最廣泛的無機材料，但抗病毒研究文獻中也對其他無機材料和納米粒子（例如金、鎂、過渡金屬、二氧化硅和鈣鈦礦）進行了研究。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，以實現(xiàn)抗病毒功能。由于對產(chǎn)生自由基的可見光具有更高的敏感性，過渡金屬（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，它們在抗菌和抗病毒的應(yīng)用獲得了廣泛關(guān)注。
聚合物和有機抗病毒涂料
聚電解質(zhì)涂層表面
聚合物如聚乙烯亞胺中的聚陽離子的正電荷吸引具有固有負電荷的病毒，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“涂裝”進行涂覆，即使經(jīng)過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，耐磨損且可長時間耐用。
圖4 聚陽離子涂料
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力療法，作為抗生素化學(xué)療法的替代方法。抗菌光動力滅活的原理是光敏劑通過可見光吸收而激發(fā)，隨后與氧氣反應(yīng)生成能對生物物種產(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
金屬納米顆粒對環(huán)境和健康的影響一直是人們關(guān)注的問題，因為由于抗菌活性而沒有抗性的可能性，金屬納米顆粒的普及程度有所提高。納米粒子的毒性機制是通過與細胞表面締合，通過釋放損害酶功能或DNA的有毒離子來溶解物質(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，降低對環(huán)境和健康的影響。另外，聚乙烯亞胺化合物在哺乳動物細胞中顯示出最小的細胞毒性，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，如大多數(shù)病毒不可用、批量生產(chǎn)的成本等，這些缺點阻礙了它們在日常生活中的實際應(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)
未來展望
將來，將病原體防護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，從而提供雙層保護對抗病毒。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)計將一系列具有不同抗菌機制的材料結(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，將簡單、實時的感應(yīng)功能集成到這些抗菌表面上，除了降低傳播風(fēng)險外，還可以幫助識別環(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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