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摘要：抗菌生物材料因为其良好的生物相容性与可控的杀菌能力，正逐渐从基础实验转向临床应用、食品包装及环境修复等实际应用场景。本文着重分类评述了该类材料的抗菌机制，通过厘清不同体系的作用逻辑，为研究者今后选择合适的材料提供理论参考，同时探讨其在其他领域的应用潜力。

关键词：物理杀菌，化学杀菌，生物杀菌，光敏剂杀菌

1 引言

与传统合成的抗菌材料相比，这类生物功能材料在生态兼容度、可降解性以及体内安全性方面具备明显优势，且在抗菌机制和抗菌性能方面表现出来了较高的潜力和前景[1]。该类材料的应用由医疗与食品领域，拓展至环境修复等场景，很有可能成为破解全球抗菌耐药困境的因素，有望为抗菌剂和解决治疗抗菌性感染等问题提供有效的方案和思路。在抗菌生物材料的研究中，了解抗菌机制是非常必要的。目前已经发现的抗菌机制包括物理杀菌、化学杀菌、生物杀菌和光敏剂杀菌等多种机制。

2物理杀菌

物理杀菌主要是依靠高温、电磁场、紫外辐射及低温等离子体等外界能量直接作用于菌体，通过损伤核酸结构或破坏细胞膜完整性实现灭活。该类杀菌机制不会引入化学药剂，无有害残留且作用迅速，细菌很难通过变异途径形成耐受。

目前，关于物理杀菌的研究持续增多，很多研究成果表现出非凡的创新性和实用价值。例如，伊拉克 Mustansiriyah 大学课题组[2]报道了介质阻挡放电（DBD）等离子体用于牙科器械灭菌的可行性：以牙科镊子为载体，在常压下分别以大肠杆菌与金黄色葡萄球菌污染后处理 1～4 min，结果显示该装置可有效杀灭两种细菌，其灭菌作用主要源于低温等离子体产生的活性氧氮物种（RONS），为牙科临床灭菌提供了新路径。另外，韩国釜山大学课题组[3]报道了一种常压非热空气等离子体用于牙科器械灭菌的可行性，本研究以金刚砂车针与聚乙烯基硅氧烷印模材料为载体，分别接种枯草芽孢杆菌和大肠杆菌之后经等离子体处理 30至240 s，并且通过平板菌落计数定量法评价灭菌效果。结果显示，该装置对大肠杆菌的杀灭效果强于传统紫外灭菌器，其中，大肠杆菌污染的车针与印模材料分别处理 60s 与 90s即可实现有效灭菌；而枯草芽孢杆菌因为具芽孢结构、抗性更强，则需延长至 120 s 与 180 s。该研究说明低温等离子体可以在不损伤橡胶、塑料类材料的前提下实现快速灭菌，这为牙科临床灭菌开辟了新路径；同时表明，物理杀菌效率与菌种抗性密切相关。

尽管物理杀菌具有优秀的杀菌效果和广泛的应用前景，但由于其操作复杂、设备要求高等因素限制了其在实际应用中的推广和普及，因此该方法仍需进一步改进和优化。

3化学杀菌

与物理杀菌手段不同，化学杀菌依赖于分子层面相互作用：杀菌剂通过诱导DNA链断裂、交联蛋白或氧化膜脂质等方式，从多个靶点对细菌进行致命打击。目前临床和工业中常用的化学杀菌剂主要包括酚类衍生物、含氯消毒剂、醛类、阳离子季铵盐以及过氧化氢等过氧化物。

在抗菌生物材料中，化学杀菌通常通过将抗菌物质或化学杀菌剂纳入到材料中来实现。例如，陕西科技大学团队[4]报道了Ag2O纳米颗粒大肠杆菌有高效抗菌活性，探讨了基于银的抗菌剂可能的抗菌机制，包括活性氧产生的氧化应激、Ag⁺与蛋白质中巯基的相互作用以及Ag⁺与细胞膜的强亲和作用破坏细菌细胞等。此外，湖南大学何清团队[5]报道了一种具有轴向层状带多正电荷的刚性新型分子骨架塔笼（Pyrgos(n)cages），研究发现塔笼分子一方面会破坏细菌膜电位，同时也能与DNA结合，对细胞外细菌（包括耐药菌）和细胞内细菌都有很强的杀菌能力。

4生物杀菌

生物杀菌是指利用生物体内自身具有的物质或机制来对抗细菌的一种抗菌机制。这种机制包括生物体内产生的天然抗菌肽、酶及细胞免疫系统等。

抗菌肽作为生物界广泛存在的短肽，凭借其膜破坏机制对多种病原菌有效。近年来的一个研究热点是将合成或重组获得的抗菌肽固定于材料表面，以构建接触式抗菌涂层。华东理工大学研究者[6]采用等离子体活化TPU，经硫醇-溴反应接枝DLL/BLG（90:10）肽聚合物，所得表面在维持细胞相容性的同时实现了广谱接触杀菌，为医用高分子的抗菌功能化提供了实验依据。

酶是生物体内一种重要的催化剂，可以将化学反应速率提高数百倍。在生物杀菌机制中，一些酶可以通过降低细菌营养物质的可利用性来抑制细菌的生长。例如，Gong[7]等人报道了在模拟饲料系统中，添加葡萄糖氧化酶（产生葡萄糖酸，降低pH值）和溶菌酶（破坏细菌细胞壁）可抑制大肠杆菌和沙门氏菌的生长。

细胞免疫不只是巨噬细胞“吃”细菌那么简单。NK 细胞、巨噬细胞这些效应细胞确实能直接识别并吞掉入侵微生物，但真正决定抗感染成败的，还有细胞之间靠细胞因子搭起来的信号网络。局部微环境里的炎症调到什么程度、往哪个方向走，都得靠这套网络来拿捏。Seebach [8]等人从材料角度证实了这条通路的存在：45S5 生物活性玻璃涂层受表皮葡萄球菌生物膜刺激后，其浸提液能诱导巨噬细胞 M1 型极化，促炎因子表达上调，相当于放大了巨噬细胞本身的抗菌火力。

5光敏剂杀菌

光敏剂是一类能被特定波长光激活的分子，激活后可能会引发氧化损伤、DNA破坏等生物学后果。近年来，基于光敏剂的光动力疗法在抗菌方向的应用不断增多。该方法借助特定波长的光来激发光敏剂，在富氧环境中产生大量的活性氧和自由基，进而攻击细菌细胞膜与遗传物质等关键结构。与常规治疗方法相比，光动力疗法具有全身毒性低、操作非侵入并且作用范围可控等的特点，因而在感染性疾病等在内的多种疾病治疗中具有重要位置。

近年来，许多研究人员利用光动力疗法的原理，开发出了一系列具有抗菌功能的生物材料。例如，Prieto-Montero[9]等人研究发现，葡萄糖酰胺修饰的玫瑰红偶联二氧化硅纳米粒子（RB-G@SiNP）可通过葡萄糖酰胺配体与革兰氏阴性菌外膜脂多糖特异性结合，使纳米颗粒紧密吸附于菌体表面，经绿光激发表面光敏剂产生单线态氧，实现对大肠杆菌的光动力抗菌作用，且在无光照条件下无明显暗毒性。

6结论

抗菌生物材料在医疗、食品包装及环境保护等方面都具有应用前景。无论是天然材料还是合成的抗菌材料，其抑菌机制各有不同，主要包括了物理破坏、化学杀伤及免疫调控等策略。目前国内外研究者正围绕高效、可持续、低成本的方向持续推进材料开发。但该类材料在真实场景中的表现仍具有一定的局限性，比如稳定性波动、生物相容性不确定性及制备工艺可持续性等问题。未来研究需在这些关键因素上寻求突破，优化制备工艺和应用技术，以达到实际需求。

参考文献

[1] Li W., Thian E. S., Wang M., Wang Z., Ren L. Surface Design for Antibacterial Materials: From Fundamentals to Advanced Strategies [J]. Adv Sci (Weinh), 2021, 8(19): e2100368e2100368.

[2] Mohammed R. S., Al -Marjani M. F. DBD plasma as a practical approach to sterilization of dental instruments [J]. Physica Scripta, 2024, 99(4): 045601045601.

[3] Sung S. J., Huh J. B., Yun M. J., Chang B. M., Jeong C. M., Jeon Y. C. Sterilization effect of atmospheric pressure non-thermal air plasma on dental instruments [J]. J Adv Prosthodont, 2013, 5(1): 2-82-8.

[4] Li D., Chen S., Zhang K., Gao N., Zhang M., Albasher G., Shi J., Wang C. The interaction of Ag(2)O nanoparticles with Escherichia coli: inhibition-sterilization process [J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 17031703.

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[6] Lu Z., Wu Y., Cong Z., Qian Y., Wu X., Shao N., Qiao Z., Zhang H., She Y., Chen K., Xiang H., Sun B., Yu Q., Yuan Y., Lin H., Zhu M., Liu R. Effective and biocompatible antibacterial surfaces via facile synthesis and surface modification of peptide polymers [J]. Bioact Mater, 2021, 6(12): 4531-414531-41.

[7] Gong T., Ji M., Yang Y., Liu J., Gong Y., Liu S., Zhao Y., Cao G., Guo X., Yang Y., Li B. Enzymatically hydrolyzed diet improves growth performance and intestinal microbiome in growing pigs [J]. Front Nutr, 2024, 11: 14850171485017.

[8] Seebach E., Kretzer J. P., Bormann T., Gibmeier J., Vassen R., Kunisch E., Renkawitz T., Westhauser F. Plasma-sprayed 45S5-bioactive glass coating provides superior anti-biofilm activity compared to hydroxyapatite coating while maintaining host cell cytocompatibility and antibacterial immune activation [J]. Biomater Adv, 2026, 185: 214895214895.

[9] Prieto-Montero R., Herrera L., Tejon M., Albaya A., Chiara J. L., Fanarraga M. L., Martinez-Martinez V. Exploring Gluconamide-Modified Silica Nanoparticles of Different Sizes as Effective Carriers for Antimicrobial Photodynamic Therapy [J]. Nanomaterials (Basel), 2024, 14(24)

[基金项目]本文系山东医药大学大学生创新训练项目（项目编号：S202410440009，项目编号：X2026104400089，项目编号：X2026104400470）

魏助 孙文博 姜子雯 赵稳稳

山东医药大学