纳米银的生物合成及应用进展

摘 要：纳米银由于其优异的抗菌性得到了广泛的研究和应用。而利用生物体系还原制备纳米银作为一种绿色的方法得到了越来越多的关注。本文从生物纳米银的制备体系、还原机理、影响因素、应用及存在的问题等方面进行简要的介绍，并对其发展进行了展望。

关键词：生物纳米银 还原机理 应用

中图分类号：TG14 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0122-03

纳米银即粒径为纳米级别的金属银单质，由于其稳定的物理和化学性能，在电子、光学、抗菌、催化等方面具有广阔的应用前景。纳米银的制备方法很多，物理法和化学法由于实验条件简单、易于调控等优点得到了广泛应用。同时这些方法也面临着诸如纳米粒子团聚、高能耗、反应条件苛刻、难于规模化生产等问题。此外，大量使用有毒有害化学试剂也会对环境造成严重危害。因此，清洁、无毒、环境友好型的生物还原法应运而生。

1 生物法制备纳米银

1.1 纳米工厂

化学法通常是用还原剂（NaBH4等）将Ag+还原成Ag0，用稳定剂（PVP等）来控制粒径的生长。而生物法则是由生物体系作为“纳米工厂”所产生的分子作为还原剂和稳定剂来实现纳米粒子的合成。常用的生物体系有细菌、真菌、酵母菌、藻类和植物[1-3]；反应前驱物常为硝酸银或者银氨溶液。一些研究者通过往微生物培养液上清液、菌体洗出液或植物提取液中加入银前驱物来制备纳米银；一些则直接利用菌体与前驱物反应实现银离子的还原。前者制备的纳米银分布在反应液中，为胞外还原，此法可有效减少纳米粒子分离纯化等后处理过程；后者得到的纳米银分布在细胞内或细胞壁上，细胞本身作为一种“支撑体”有效地防止纳米粒子的团聚，同时也给纳米粒子下游加工带来了一定的困难。

1.2 还原机理

生物法合成纳米银近年来得到了广泛的关注，根据还原过程中是否有酶的参与，其还原机理大体可分为：酶还原和非酶还原。

1.2.1 酶还原机理

酶还原指具有生物活性的酶类物质参与实现从Ag+到Ag0的还原过程。Mukherjee等首次报道了这一现象[3]。他们发现纳米银只在菌丝上形成，因此推断Ag+可以被细胞壁上酶分子中带负电的羧基化基团吸附，从而在细胞壁上形成Ag0。Ramanathan等认为在菌体中存在银还原酶并成功地通过温度对纳米银的形貌进行调控[4]。Kumar等从尖胞镰刀菌体内提取出了α-NADPH硝基还原酶，再次证实了还原酶在生物还原过程中至关重要的作用[5]。酶还原法因为涉及到微生物代谢，过程较为复杂，所以还原速率较慢。

1.2.2 非酶还原机理

非酶还原过程认为生物体系中不依赖其活性的还原性基团可通过Ag+吸附和原位还原两个步骤实现Ag+的还原。在许多反应体系中蛋白质都被认为是主要的还原剂和保护剂[6-8]。此外胞外聚合物（EPSs）中的还原性糖、生物表面活性剂和维生素E也可以为Ag+提供吸附位点并作为电子供体将Ag+还原为Ag0[9]。非酶还原过程不受生物生长条件的限制，具有更大的调控空间。

1.3 影响因素

生物法合成纳米银，酶还原过程涉及微生物活性，而非酶还原类似于化学还原，不必考虑微生物活性，因此对微生物生长及普通化学反应有影响的因素如温度、pH、反应物浓度、反应时间等都会对生物还原过程产生影响。许多研究者通过对这些影响因素进行调控来实现对生物还原速率、转化率、产物形貌和尺寸的控制。

Sintubin等对多种乳酸杆菌合成纳米银的能力进行了系统的研究，提出EPSs和细胞表面还原性糖是主要的还原性物质。此过程是非酶还原，因此作者在较宽的pH范围内（2～11.5）进行实验，发现随着pH值的增加，Ag+还原率升高；在碱度极高时（pH=11.5）Ag+的还原率也达到最大。此外，pH值也对Ag+还原速率产生较大影响。当pH为11.5时，在一分钟内反应体系颜色变为深棕色，UV-Vis图谱中在425nm处的等离子体共振峰证实了纳米银的存在。对此原因推测认为，pH值增加促使葡萄糖等单糖开环形成开链醛，当Ag+出现，醛被氧化成羧酸同时Ag+被还原为Ag0[10]。Fu和Govindaraju等也指出了碱性条件可以加速生物反应进程[11-13]。

Lengke等研究了温度对鲍氏织线藻生物合成纳米银的影响，发现温度不仅与Ag+还原率呈正比，还对纳米银形貌有影响[14]。Zhang和Huang等也认为高温有利于反应进行，能够加快生物还原速率[15，16]。

非酶还原中生物体系对银离子的耐受力（1～10gL-1）要比酶还原时（0.01～0.1gL-1）高很多，较高的Ag+浓度有利于提高纳米银的产量和在生物细胞上的负载率[1，8]。

不同的生物体系还原合成纳米银的能力不同，通过选择合适的生物体系，改变反应条件提高纳米银产率，合成形貌尺寸可控的纳米粒子将是未来生物纳米银合成研究的主要方向。

1.4 应用

1.4.1 抗菌性

人们对纳米银的杀菌性应用已久，同样，研究表明生物法合成的纳米银也能明显地抑制多种微生物的生长，表现出很强的抗菌性。

Sinbutin等用乳酸杆菌在细胞壁上合成了纳米银，并对化学法合成的纳米银、银离子、生物银的抗菌性进行了比较。由最小抑制浓度（MIC）和最低殺死浓度（MBC）结果可见，生物银与Ag+有相似的杀菌能力，远强于化学银。相比于革兰氏阳性菌（金黄色葡萄杆菌），生物银对革兰氏阴性菌（大肠杆菌、铜绿假单胞杆菌）有更显著的杀菌性，这主要是由阳性菌和阴性菌不同的细胞结构造成的[2，9]。Bart等人进一步研究了发酵乳酸杆菌合成生物银的抗病毒性，并且在饮用水中与Ag+、化学纳米Ag0的抗病毒性进行了比较。结果表明生物银Ag0对噬菌体UZ1的杀灭效率更高[7]。

生物納米银与普通法合成的纳米银一样，都具有广谱杀菌性，而且纳米银的物理化学性质对杀菌性有着至关重要的影响。首先，纳米银抗菌性与纳米尺寸呈反比，即粒径越小，比表面积越大，抗菌活性越强。Elechiguerra等人发现粒径在1～10nm之间的纳米银可以优先和病毒的gp120糖蛋白结合，从而抑制某些病毒和宿主细胞的结合[12]。此外，纳米银的形状也会影响它的杀菌性。Pal等人发现，三角形的银纳米盘因为含有更多的活性<111>晶面，从而比银纳米棒、银纳米球和Ag+表现出更强的杀菌性[13]。化学法产生的纳米粒子在平均粒径小于40nm或者较高浓度下仍然存在不稳定及团聚的问题，这也必然导致其相对表面积的减少，进而降低抗菌活性。生物法合成的纳米银，在其表面结合的生物分子或者细胞结构的保护和稳定下，可以有效地缓解纳米粒子团聚的问题。此外，这些生物分子还可以通过改变纳米粒子和目标微生物之间的相互作用来影响抗菌活性。不同的生物质合成的纳米银尺寸、形状、表面结合的蛋白质或其他生物分子都不同，因此，为了有利于在实际工程中的应用，对生物纳米银的抗菌性进行完善的表征则变得非常重要。

1.4.2 医学应用

目前由抗生素耐受性细菌在临床上引发的感染越来越多，因此纳米银应用于医学领域的研究也越来越多。一些研究发现纳米银不仅具有广谱性、杀菌性，还能消炎、加速伤口愈合，这使得纳米银应用于移植器械、导管和伤口包扎用品等成为可能[15，16]。Roopan等首次用椰子壳提取物合成粒径约为23nm的纳米银，并首次报道了此纳米银具有很好的抗蚊虫作用，进一步研究有望开拓生物纳米银在抗疟疾药物方面的应用[17]。Fayaz等研究了由绿色木霉菌合成的生物纳米银对常见抗生素（青霉素、氯霉素、卡那霉素、氨苄青霉素等）抗性的影响。发现，生物纳米银与抗生素的结合能够有效地提高抗生素的抗性，这种增强作用在氨苄青霉素中表现的最为明显[18]。Gajbhiye等在对生物银与氟康唑结合抗真菌性的研究中也发现了类似的增强现象[19]。

虽然以上研究表明生物纳米银对一些耐药性细菌和真菌都有很好的杀菌性，对于其是否能安全地应用于医疗器械还没有明确的说法。Chaloupka等曾指出，生物银表面生物分子、生物组织或制备过程中残存的活细菌，可能会成为病原体对生物医学应用造成污染。因此，在确保生物银能够安全地应用于医学领域前，仍需对其毒性和生物相容性进行更深入的研究。

2 面临的问题

2.1 规模化生产

目前对生物纳米银的研究主要集中在小试水平，若想在实际工程中得到广泛应用，大规模生产和成本将是其面临的主要难题。关于大规模生物法合成纳米银的报道还很少，Huang等发明了一种在连续搅拌釜氏反应器中采用侧柏叶水提取液快速制备纳米银颗粒的方法。即用蠕动泵将前驱体和侧柏叶水提取液以0.5～1mL·min-1的流速持续通入到反应器中，磁力搅拌器进行搅拌，关闭出口阀门，待反应体积达到50mL时，打开出口阀收集反应液，出口流量与进口保持相同以维持反应平衡[20]。虽然此装置能实现纳米银的连续合成，但是距离实际大规模工业化生产还有大差距。

2.2 扩展应用领域

理论上，生物纳米银应当可以像化学纳米银一样，被用于催化、生物传感器、抗菌材料、生物医学等领域。然而目前人们对生物纳米银的研究多数集中在抗菌性能的测试及生物医学上的初步尝试。因此，生物纳米银在各个领域的实际应用仍将是未来人们研究的重点和难点。

3 结语

生物还原作为一种绿色友好的纳米银制备方法在不同的生物体系中得到了应用和证实。生物纳米银在生物质成分的保护下稳定性和分散性得到了较大提高，展现出优异的抗菌性能。今后对其还原机理、规模化生产及扩展应用领域等相关问题仍需要广大研究者的着重关注。

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