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关于银离子抗菌剂的抗菌机理介绍

关于银离子抗菌剂的抗菌机理介绍


一、基本概念与常识普及

1、分子、原子、 电子、 离子

分子是独立存在而且保持物质化学性质的最小粒子。

原子是组成物质的最小颗粒。原子由原子核以及围绕在原子核旁边的电子组成。

原子整个极性呈中性。如果原子的质子数和电子数不等,那么就成为了离子,如果电子数目大于质子数,离子极性为负,反之离子极性为正。极性为负的离子称为阴离子,极性为正的离子称为阳离子。

在化学反应中,金属元素原子失去最外层电子,非金属原子得到电子,从而使参加反应的原子带上电荷。带电荷的原子叫做离子,带正电荷的原子叫做阳离子,带负电荷的原子叫做阴离子。

2、纳米、离子的体积

纳米是长度单位,是一米的十亿分之一(米→厘米→毫米→微米→纳米), 大约为万分之一头发粗细。

1微米=1000纳米,即1~999个纳米单位都叫可称为纳米。

原子的大小是1毫米(mm)的千万分之一。1微米(μm)的万分之一。

这样就可以知道,1个纳米大约为10个离子(原子)的大小。

纳米银的制造技术,日本为最高为4~5个纳米单位。即,1个纳米银微粉颗粒,可以容纳40~50个离子(原子)。而一般的纳米银制造技术,微粉颗粒的大小在10~20纳米单位。也就是可以容纳100~200个离子(原子)。

3、微生物的大小以微米为准

比如,一个标准的草履虫--一种单细胞的淡水小生物--大约为2微米宽。

球菌的直径约在0.75-1.25微米(μm)之间、杆菌长度约2-5微米(μm)、螺旋菌长约100-200微米(μm)。

病毒比细菌小得多,必须通过电子显微镜才可以看到。

离子(原子)是细菌的几万或几十万分之一大小。银离子作为阳离子,因此很容易和阴离子的细菌吸附,进入细菌的体内。

4、细菌是分裂繁殖,病毒是靠自我复制来繁殖。

细菌病毒繁殖速度极快,成几何级数增长。一般细胞分裂一次需时仅20~30分钟。条件适宜,病毒复制周期短,几十分钟内可能要增殖几百万次。

5、抗菌、杀菌、消毒、抑菌

抗菌(anti-microbial): 是一个泛指词,包括杀菌和抑菌。

杀菌(microbiocide):指将待处理体系中的微生物营养体和繁殖体杀死的过程。

消毒(disinfection): 指破坏待处理体系中微生物的过程,但消毒过程一般对微生物孢子无效,消毒不需要杀灭体系中所有微生物,只需要达到预定的处理要求,一般需要将体系中的致病和条件致病的微生物出去或使之丧失活性。

抑菌(bacteriostasis):抑制微生物生长繁殖的作用,抑制待处理体系中微生物活性,使之繁殖能力降低或停滞繁殖的过程。

二、无机抗菌剂中的银离子

抗菌剂一般分为无机类和有机类两大类。

有机抗菌剂主要是化学抗菌剂,通过化学反应破坏细胞膜,杀菌快,效果好,成本低,应用广泛。但安全性差、效果不长久,容易出现耐性菌。

无机类抗菌剂,安全、长效、耐高温。不会出现耐性菌。金属离子是无机类抗菌剂很重要的部分,尤其银系抗菌剂近几年来应用最广。

银系抗菌剂的抗菌功能成份是银离子。银离子作为抗菌剂,具有安全性、广谱性、长效性、无耐性菌、抑菌效果显著的优点,是一种非常理想的抗菌剂。缺点是银离子不稳定,加工成本高。银离子无耐性菌出现,即菌对银离子没有抗药性。这是由于银离子的独特的杀菌机理造成的。

(图:银离子抗菌机理)

 银离子抗菌剂

一般的抗菌剂主要通过破坏细胞膜来杀菌。这样一来,曾经受到重创的细菌也在不断进化变异,不断适应越来越毒的化学药剂。甚至出现了几乎“刀枪不入”,没有药剂可以对付的所谓“超级细菌”。而这些“超级细菌”曾经是一些比较“温驯”的细菌。就象太上老君的炼丹炉把孙悟空炼成火眼金睛一样,也“锤炼”成了能够分解药物,且本身毒性十足,足可以置人于死地的超级病原菌,如大肠菌O-157、耐性葡萄球菌(MRSA)等。

银离子的抑(杀)菌机理概括而言,主要有两大学说。其一,细菌细胞分裂繁殖阻碍说。银离子是作为阳离子吸附并进入细菌的细胞膜内,和细胞内酵素反应,引起蛋白质代谢失调,导致新陈代谢障碍,细胞分裂(增殖)机能停止。细菌在排除体内异己成份过程中,耗尽能量,丧失活力。其二,是银离子激活产生活性氧(OH-),氧化分解细菌病毒说。银离子是金属离子中最为活泼的一种,在光和水份(空气中含有一定的水份)存在的条件下,银离子会激活,产生活性氧(OH-)。这种安全性等同于自然界离子的活性氧(OH-),确拥有数倍于紫外线和臭氧的氧化分解能力,对细菌和病毒具有杀灭分解效果。近几年来,日本的夏普,松下等家电产品都采用了这种杀菌除臭技术。最近,日本一些研究者确认,即使在无光的水中,银离子也会产生活性氧(OH-)。

以上两大抑(杀)菌机理学说都有电子显微镜等现代科学测试的佐证。但是,不管是那一种论述都能够充分说明:银离子对细菌和病毒的抑(杀)菌方式,使细菌和病毒不可能出现耐性菌。

三、银离子抗菌剂的前世今生

银离子是一个既传统又经常被推陈出新的抗菌剂。

金属银在水中,或者在空气中(空气中存在一定的水份),银的表面会游离出微量的银离子,所以具有一定的杀菌作用。从远古时代,人们就开始使用银器。人们发现在银食器中的奶不会变质,食品不会变质,银耳环不会使皮肤感染发炎。东南亚的僧侣现在还在使用银碗化缘。这些都是人类经验性地利用银的抗菌作用的事例。后来的研究者也正是从中获得启发,从经验到理性研究,研制出了各种类型的银离子抗菌剂产品。

人们很早就能够在试验室制备银离子溶液。

1884年,德国妇产科医生Crede将浓度为1%的硝酸银溶液滴入新生儿眼中,预防新生儿结膜炎,使婴儿的失明率从10%降至0.2%。直到今天为止,许多国家仍在使用Crede预防法。

上世纪二、三十年代,德国、法国和旧苏联等国家将电解法银离子应用于自来水的杀菌消毒。日军在侵华战争中也曾利用电解银离子对占领区的饮用水进行杀菌消毒。但是,当时由于制造技术差,银离子浓度低而成本高,难以形成工业化生产。到后来自来水的杀菌消毒只能让位于新出现的化学药剂--氯。

以氯为代表的化学合成抗菌剂出现以后,由于它们杀菌力强、速度快,成本低,很快统治了抗菌剂大部分市场。银离子除了硝酸银眼药水等专用抗菌剂外,市场损失殆尽。

十几年前,纳米技术兴起。科学家发现,银的杀菌效率和其表面积有很大关系。通过增大表面积,可以提高银离子的释放量,使其杀菌能力产生质的飞跃。也就是说用极少量的银附着于纳米级的载体便可产生强力的杀菌作用。于是,一时间纳米银粉剂(或称之为载银)成为时髦。一些国家甚至作为新产业来扶持,竞相开发纳米银。

但是,近几年来,出于纳米对环境和人体可能带来的负面影响的担心日益上升,“奔跑”的纳米银在发达国家出现了问题。2003年底发生了韩国三星纳米银洗衣机在北美等地因受抵制而主动招回事件。2006年11月22日美国环境保护局(EPA)要求在美国销售使用纳米银的企业,有义务向EPA呈示关于该产品的安全性的科学论证(见当天的华盛顿邮报)。这实际上是以美国为首的发达国家,开始对纳米银的一种叫停,这将会对制造和使用纳米银企业的产生影响。2009年,英国科研人员发表了纳米对DNA有损害的结论。可以想象,纳米材料使用于人体的现象不久就会中止。尽管现在国内还听不到这种声音。

在纳米银盛行的同时,传统的电解法银离子的研发,也在日本等国家深入进行。由于纳米产品本身的问题,原先运用纳米银开发产品的公司,纷纷转而选择电解法银离子,也刺激和加速电解法银离子产品的技术升级。

电解法银离子抗菌剂的产业化生产,一直是众多研究者的梦想。一度流行的电解法银离子,最终受制于当时的技术历史条件,没有实现。工业化生产难度大的原因:银离子是一种极为活泼的离子,极容易与其他物质反应,难以保存。而高浓度、高纯度的银离子分解提纯和浓缩更是困难,生产环境要求苛刻。 这就是目前市场上较少看到电解法生产的银离子溶液的原因。而浓度低,不稳定的银离子产品,没有使用价值。物流仓储成本高,也没有商业价值。

近几年,在日本,电解法生产终于获得了技术的突破。终于可以生产出可稀释上百倍,纯离子浓度高达数百ml/g以上,且纯度高的、性能稳定的电解银离子溶液。打破了目前银离子只有纳米银单一品种的市场局面。使银离子抗菌剂的普及性使用有了可能。电解法制取的银离子溶液,没有纳米银的载体,所含成份简单纯粹,无杂质。可直接使用于人体的皮肤、粘膜的杀菌消毒和环境消毒。高度浓缩的银离子溶液,无色、无味、透明,易于复配加工和仓储运输。

电解法获取的银离子,是没有任何附着载体的纯粹的银离子制剂。一定量的银离子消耗完后,银离子也就没有了,因此,是安全的。不存在银离子的蓄积性问题,也就没有纳米银在环境或体内的蓄积性所引起生态和身体的安全担心问题。电解法获取的银离子浓度为纯粹的银离子浓度,可以通过精确的浓度标准计量来测定。0.5~1.0ppm浓度的纯银离子稀释液即可杀灭大部分细菌和病毒。一百多年来银离子的应用,主要是电解法银离子的应用历史。包括国际卫生组织(WHO)在内的权威机构,都有关于银离子应用的经典性论述,多少浓度对何种病原菌有杀菌效果,有详细的资料可供参考。而这些资料都是建立在电解法纯银离子基础之上的。在国际卫生组织(WHO)的文献中,还没有关于纳米型银离子的资料。

四、银离子抗菌剂的分类与特征

1、药剂类

有粉剂与溶液。出现较早。在现代药典中,先后收载过硝酸银、蛋白银、矽炭银、磺胺嘧啶银等四个含银药物,分别用于眼结膜炎、淋病、膀胱炎、痢疾、肠炎、烧伤等疾病的治疗。其中代表产品为硝酸银眼药水。使用最多的是硝酸银。医疗上,1%浓度的硝酸银常用于新生儿滴眼防淋球菌感染和用于眼结膜炎的治疗。

2、电解银离子

液体。出现早,但是很长时期难以产业化。高浓度、高纯度制造是最近的突破。

3、纳米银

或称载银。粉末。制造方法上有多种载体材料可利用,所以市场上有众多产品。纳米银的制造工艺,需要磷酸锆、磷灰石、沸石等矿物质做载体,其中银含量为3%左右。原理上是通过将含银载体加工成纳米级微粉,增加银的单位表面积, 来提高银离子的释放量,提高杀菌力。纳米银微粉的主要用途是加工抗菌纤维,如果要将纳米银微粉加工成水溶液,加工方法是把微粉溶于水中。所以说纳米银溶液是包含载体的溶液,纳米银溶液的浓度是含矿物质载体的银离子浓度。

纳米银实际上是一个包含多种制造方法,不同载体的,质量效果都参差不齐的产品总称。纳米单位从1~999纳米单位都可叫纳米,每相差1个纳米单位,其表面积相差都会成几何级数增大。可想而知,1纳米单位与999纳米单位的表面积相差会有多么巨大。纳米单位越小,表面积越大,游离出来的银离子越多,杀菌效果越好。所以,同是纳米银,品质价格相差很大。目前,在国际最高水平的纳米银制品(日本东亚合成株式会社)的纳米单位为4个纳米单位。而一般纳米银产品在20~30个纳米单位左右。产品良莠不齐,价格悬殊可想而知。再加上纳米单位很难验证,客人即使借助精密仪器,也难以判断。这就使纳米银的信用受到影响。所以同样叫载银(纳米银),市场上,有的1公斤卖几千元,有的才几百元,相差十几倍,客人难以适从。

关于银离子抗菌剂

以上三种类型的银离子抗菌剂,实现其杀菌功能的成份都是所含银离子。

不同类型的银离子抗菌剂由于自身的物理形态、性能和配合成份不同,使用场合受到限制。

以硝酸银为代表的药剂类银离子抗菌剂,虽然出现得较早。但是,存在硝酸成份,所以使用主要限于眼药水。在欧美、日本等发达国家,不允许使用于皮肤粘膜及环境杀菌消毒。

硝酸银等药剂类抗菌剂用途专业,而纳米银与电解银应用广泛,也比较容易被混淆。

纳米银溶液与电解银离子溶液是相同而又有区别的两个概念。这是要特别指出的。所含的杀菌功能成份都是银离子。但是所含内容不同。电解银溶液所含为纯粹银离子,而纳米银溶液所含的载体才是主成分,银离子只是很少量。第二,纳米银和电解银使用的浓度计量单位都是ml/g(ppm),国际上通行的电解银溶液中标示浓度为所含纯粹银离子浓度。而纳米银的标示浓度为包含纳米载体的浓度。又由于纳米银各厂家技术良莠不齐,即使同样的标示浓度,而实际所含银离子的浓度也并不一样,杀菌效果自然也不一样。

由上所述,电解银离子溶液与纳米银离子溶液的浓度难以比较。

我们只能以最低抑菌浓度为标准,来做粗略的分析比较。纳米银溶液250~500ppm相当于含1ppm的纯粹银离子浓度。即电解银离子溶液在1ppm时的抑菌力 ,大约相当于纳米银溶液250~500ppm浓度的抑菌力。即:

纳米银离子溶液[MIC]为:62ppm~250ppm

电解银离子溶液[MIC]为:0.05ppm~0.5ppm

单纯的浓度比较大概是500比1。

形态:

电解银离子液为无色、无味的透明液体。纳米银溶液因载体不同,分为无色、透明的液体,和棕色溶液两大类型。棕色溶液使用磷灰石等廉价材料,价格低。

纳米银的物理形态是粉剂。市场上,很多采用纳米银粉剂置换银离子的溶液出售。从载体中银离子溶出(游离出)的速度和浓度,视各厂家的纳米银粉剂而有差异,且工艺繁琐,价格高。所以由纳米银加工银离子液体并不是载银的优势。

电解银离子产品是液体。是一种不含载体颗粒的,高纯度的无色、无味、无毒性的透明水溶液。因此可使用于眼睛、口腔、鼻孔、皮肤及阴道等粘膜组织。理论上说,银离子只要不和其它元素反应,不生成银化合物,不成为新的物质,银离子的杀菌效果一直存在。即使银离子进入细菌的细胞核,使细菌死亡之后,再次溶出,仍然可以周而复始杀菌。

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