纳米银材料的生物安全性研究进展

纳米银材料被广泛应用到医疗、化工、生物等许多领域,增加了与人类接触的可能性,因此关注其生物安全性是很有必要的。本文对近年来纳米银的抗菌性和生物安全性研究进行了综述。首先分析了纳米银的皮肤毒性、呼吸系统毒性、消化系统毒性和其他组织毒性,其次分析了体外细胞毒性和细胞内纳米银与生物大分子相互作用,最后对纳米银材料的人群暴露生物安全性及纳米银与银离子毒性关系进行了探讨。本文旨在为纳米银的毒性作用机制研究提供参考,为建立标准的纳米银安全性评价体系提供依据。     

粒径和包裹物对纳米银在海洋微藻中的毒性影响

纳米银由于其独特的抗菌特性广泛应用于工商业领域.通过研究3种不同粒径和包裹物的纳米银对典型海洋微藻中肋骨条藻(Skeletonema costatum)的毒性效应,进一步丰富纳米银对藻类毒性效应及其作用机制的认识.结果表明3种纳米银对硅藻细胞生长都有不同程度的生长抑制效应,其毒性大小依次为10 nm-OA10 nm-PVP20 nm-PVP.在细胞毒性方面,相同粒径的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包裹的纳米银比油胺包裹(OA)的纳米银毒性更小;而相同包裹物的10 nm和20 nm两种尺寸的纳米银的毒性效应主要取决于其在水环境中的粒径和浓度,在浓度小于500μg·L~(-1)时,大粒径的纳米银毒性更大;在浓度≥500μg·L~(-1)时,小粒径的纳米银毒性更大.在光合毒性方面,50μg·L~(-1)的10 nm-PVP显著上调3Hfcp A的表达(P0.05)和显著下调D1的表达(P0.05),10 nm-OA在浓度为500μg·L~(-1)显著上调3Hfcp A的表达(P0.05),而20nm-PVP处理组没有显著性变化,说明光合作用相关基因的表达对小粒径PVP包裹的纳米银更敏感.本研究结果表明,纳米银对海洋微藻的毒性是由粒径大小、包裹物类型、暴露介质以及暴露浓度等多方面因素共同决定的.纳米银的粒径越小毒性越大,粒径对纳米银的毒性效应影响很大;而包裹物通过影响纳米银在水介质中的粒径大小间接影响纳米银的毒性效应.     

纳米银对聚磷菌吸磷和释磷的影响及毒性效应

利用硼氢化钠还原硝酸银,并使用聚乙烯醇（PVA）作为分散剂,制备出分散良好、粒径为（14±3）nm的纳米银颗粒,考察了其对聚磷菌（Microlunatus phosphovorus）好氧吸磷和厌氧释磷的影响,以及产生的毒性效应.结果表明,在好氧状态下,7mg/L的纳米银能够完全抑制聚磷菌的生长（P <0.01）,达到10mg/L时才能完全抑制聚磷菌的吸磷能力（P=0.01）;在厌氧状态下,大于20mg/L的纳米银才使聚磷菌释磷能力受到部分抑制（P <0.05）.活性氧簇（ROS）和扫描电子显微镜（SEM）的检测结果表明,纳米银使细菌体内ROS水平降低,部分细菌菌体表面塌陷,这说明,纳米银不但可以毒害聚磷菌菌体表面,还可以降低菌内ROS水平.     

纳米银和PVP包被纳米银对HepG2细胞遗传毒性的比较研究

为了探讨纳米银对HepG2细胞DNA损伤、染色体畸变等遗传毒性指标的影响,以期为纳米银体外遗传毒性评价提供参考依据,本文采用2种纳米银材料(20 nm-PVP包被纳米银、20 nm-无包被纳米银),分别以20μg·mL~(-1)、40μg·mL~(-1)、80μg·mL~(-1)、160μg·mL~(-1)的剂量对HepG2细胞染毒24 h,用Hoechst-33258染色法检测细胞凋亡,彗星实验检测DNA损伤,胞质分裂阻滞微核细胞组学试验法检测染色体畸变。结果表明,20 nm Ag NPs组在160μg·mL~(-1)时引起细胞凋亡数显著增多(P0.05);20 nm PVP-Ag NPs组在80μg·mL~(-1)和160μg·mL~(-1)剂量组中细胞凋亡数显著增多(P0.01)。2种纳米银引起HepG2细胞发生细胞凋亡,并呈剂量效应关系。彗星试验结果表明,20 nm Ag NPs和20 nm PVP-Ag NPs在40μg·mL~(-1)、80μg·mL~(-1)、160μg·mL~(-1)剂量组中,Olive尾矩、尾长和尾部DNA百分比与空白对照组相比均有显著差异(P0.05)。2种纳米银对HepG2细胞DNA损伤程度为:20 nm Ag NPs20 nm PVP-Ag NPs。胞质分裂阻滞微核细胞组学试验结果表明,2种纳米银均不会引起核质桥数发生明显改变(P0.05),20 nm Ag NPs在高染毒剂量下引起微核总数、I型微核、II型微核、核芽数明显升高(P0.05);20 nm PVP-Ag NPs在各染毒剂量下均会引起微核总数及I型微核数量升高(P0.01),II型微核数在160μg·mL~(-1)剂量下升高明显(P0.01),剂量大于20μg·mL~(-1)时核芽数升高(P0.01)。20 nm PVP-Ag NPs对细胞核的影响大于20 nm Ag NPs(P0.05)。总之,2种纳米银材料均会引起HepG2细胞DNA损伤及染色体畸变等遗传毒性效应的改变,无包被纳米银比PVP包被纳米银更容易引起DNA损伤,PVP包被纳米银比无包被纳米银更容易引起细胞染色体畸变相关效应;2种材料对HepG2细胞的损伤存在浓度-效应关系,浓度越高遗传毒性损伤越严重。     

纳米银复合材料与抗生素的联合抗菌性能及相关机制研究

抗生素的滥用导致细菌耐药问题日益严重,人类迫切需要开发出新的抗菌药物以减少细菌耐药问题。基于纳米银制备而成的纳米银复合材料在兼顾纳米银抗菌性能的同时不仅能够克服单一纳米银释放速度快、不稳定等缺点,还能缓解细菌耐药的问题,因此被认为是一类具有广泛应用前景的新型抗菌剂。已有研究表明,单一纳米银与某些抗生素的联合使用可以达到协同抗菌效果,但目前尚缺乏对纳米银复合材料与抗生素的联合抗菌性能及机制的研究。本文首先制备出3种不同结构的纳米银复合材料,包括二氧化硅-聚多巴胺-纳米银复合材料(SiO_2-PD-AgNPs)、纳米银@二氧化硅复合材料(AgNPs@SiO_2)和纳米银@二氧化硅-聚多巴胺-纳米银复合材料(AgNPs@SiO_2-PD-AgNPs)。随后测定了纳米银复合材料对大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis, B. subtilis)的单一毒性效应。结果显示,AgNPs@SiO_2-PD-AgNPs复合材料对2种菌的单一毒性均大于其余2种纳米银复合材料。因此,笔者以AgNPs@SiO_2-PD-AgNPs作为代表,测定了纳米银复合材料与硫酸卡那霉素(kanamycin sulfate, KS)/盐酸土霉素(oxytetracycline hydrochloride, OH)的二元联合抗菌性能,发现AgNPs@SiO_2-PD-AgNPs与KS联合可以对E. coli产生协同效应。协同效应产生的主要原因可能是:AgNPs@SiO_2-PD-AgNPs释放出的纳米银会和KS发生键合反应生成KS-纳米银复合物,导致纳米银释放出大量的Ag+增加了细胞膜的通透性,从而使得进入细菌内的Ag~+和KS比单独作用时进入胞内的抗菌剂增多,产生更强的抗菌性能,从而表现出协同抗菌效应。本研究基于新型纳米银复合材料与抗生素的联合抗菌性能实验探究了纳米银复合材料与特定抗生素联合用药的最佳组合和相关机制,为今后开发新型抗菌材料提供了新思路并为相关联合用药提供参考。     

Ag~+在含Cl~-培养基中的毒性初探

纳米银(Ag NPs)和硝酸银(AgNO_3)的毒性研究已成为环境科学的焦点问题之一。毒性测试时LB培养基中的Cl~-势必会对Ag~+的毒性产生影响。为了探究Cl~-对Ag~+的溶解态及毒性的影响,计算了常温(25℃)和试验条件(37℃)下含1%NaCl的LB培养基中Ag Cl1-xx各组分的生成量及在体系中所占比例,测定了不同NaCl质量分数的LB培养基中AgNO_3对革兰氏阳性菌(B.subtilis)和阴性菌(E.coli)的毒性。结果表明,AgNO_3在含NaCl体系中溶解态银主要为Ag Cl1-xx,而Ag~+未达到有毒的浓度,且随NaCl质量分数增加,AgNO_3的毒性不断增大。因此认为毒性试验中实际发挥毒性作用的是Ag Cl1-xx,尤其是Ag Cl~-2。     

抗生素和纳米银对大肠杆菌耐药性的联合效应

以大肠杆菌（E.coli）为模式生物,研究了磺胺类抗生素（SAs）和纳米银（AgNPs）在单一或联合作用下对RP4质粒接合转移效应及E.coli突变效应的影响,并对联合作用方式进行了判别,基于分子对接技术和线性回归分析,探讨了两种效应的机制及其与毒性效应的关系.结果表明,在较低浓度范围内,所测12种SAs以及AgNPs在单一或联合暴露下对接合转移和突变均有促进作用,12组SAs-AgNPs混合物对接合转移频率促进率峰值的最大值和最小值分别为105.32%和46.96%,对突变体促进率峰值的最大值和最小值分别为1410.25%和238.38%.此外,SAs和AgNPs联合暴露对RP4质粒接合转移效应主要表现为协同作用,对E.coli突变效应主要表现为拮抗作用,且接合转移效应、突变效应与毒性效应之间具有良好的相关性.     

纳米银和银离子对2种微藻的急性毒性效应

为了探讨AgNPs对典型微藻的急性毒性效应及其机制,采用柠檬酸钠还原法制备AgNPs,以摇瓶实验法评估了不同浓度的AgNPs和Ag+对铜绿微囊藻和普通小球藻叶绿素a含量、形态结构和叶绿素荧光参数的影响。实验结果表明:AgNPs对普通小球藻和铜绿微囊藻的96 h-EC50分别为1.113 mg·L-1和0.697 mg·L-1,而Ag+对2种藻的96 h-EC50分别为0.106 mg·L-1和0.032 mg·L-1。扫描电镜结果表明:AgNPs处理使普通小球藻细胞表面出现褶皱,细胞变形甚至向内塌陷。对铜绿微囊藻部分细胞出现变形变得不规则,且出现某些胞外物质使细胞粘附在一起。透射电镜观察发现,高浓度Ag+处理使2种藻的细胞均发生质壁分离,部分细胞转变为孢子。而AgNPs处理使普通小球藻细胞蛋白核增大,蛋白核与类囊体区无明显连接通道。铜绿微囊藻拟核区膨大,类囊体和色素体被推向四周,部分类囊体断裂,同时,发现该藻可以分泌胞外物质在细胞周围吸附AgNPs颗粒。对于普通小球藻,0.6 mg·L-1AgNPs处理后细胞光系统Ⅱ的最大光化学量子产率ΦP0相对于CK没有显著差异,但0.09 mg·L-1Ag+处理使ΦP0显著增加。在高浓度AgNPs或Ag+处理时,ΦP0均显著降低。AgNPs未对普通小球藻光系统II性能参数PI_Abs造成影响,但不同浓度Ag+处理均使得该参数显著升高。对于铜绿微囊藻,2种毒物均使其ΦP0显著降低。而PI_Abs仅在2种毒物的最高浓度处理时显著降低。综上,AgNPs对2种藻的急性毒性远小于Ag+,而两者对铜绿微囊藻的毒性均大于普通小球藻。AgNPs胁迫使2种藻叶绿素a含量显著降低,并诱导2种藻在形态结构和光合生理方面发生了显著变化,造成不同程度的损伤,但与Ag+的毒性效应存在一定的差异。提高光吸收能通量补偿耗散能量和分泌胞外物质结合Ag+是微藻2种重要的解毒机制。     

壳聚糖-TiO2吸附剂对银的吸附及纳米银的生成

将生物选择性吸附和光催化技术耦合合成一种新型的多功能壳聚糖-二氧化钛吸附剂（CTA）,这种新型的多功能壳聚糖-二氧化钛吸附剂能够同时吸附重金属和降解有机污染物。实验发现,CTA对银离子有较好的吸附容量,在初始浓度为1 000 mg/L时吸附容量为100.3 mg/g,且吸附了银离子的吸附剂对甲基橙有更好的降解效果。扫描电镜表明,CTA紫外条件下吸附银以后表面会有纳米银的生成,能谱显示纳米银颗粒在一定条件下可以由CTA表面自行脱落。     

壳聚糖-TiO_2吸附剂对银的吸附及纳米银的生成

将生物选择性吸附和光催化技术耦合合成一种新型的多功能壳聚糖-二氧化钛吸附剂(CTA),这种新型的多功能壳聚糖-二氧化钛吸附剂能够同时吸附重金属和降解有机污染物。实验发现,CTA对银离子有较好的吸附容量,在初始浓度为1 000 mg/L时吸附容量为100.3 mg/g,且吸附了银离子的吸附剂对甲基橙有更好的降解效果。扫描电镜表明,CTA紫外条件下吸附银以后表面会有纳米银的生成,能谱显示纳米银颗粒在一定条件下可以由CTA表面自行脱落。