综述:抗菌纤维和织物的最新进展:作用机制、材料、制备方法及应用

时间:2026年2月14日
来源:Chemical Engineering Journal

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抗菌织物的研究综述,系统阐述细菌传播威胁、抗菌机理、四大类抗菌剂(天然提取物、无机纳米材料、有机化合物、新型材料)特性及制备工艺(共混纺丝、后整理涂层、化学接枝等),分析其在医疗防护、日常服饰、家居用品及公共卫生领域的应用前景,提出未来需优化材料安全性和工艺可持续性。

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杨迈平|张菲菲|荆卓源|王婉婉|冯国勇|刘晓文|王乐|王晨|刘琳|徐磊
中国人民解放军32181部队,中国西安,710032

摘要

微生物的繁殖和传播,尤其是细菌,对人类健康构成了持续且严重的威胁。它们引起的传染病不仅影响个人的生活质量,也给社会医疗系统带来了沉重的负担。由于织物具有多孔结构和强大的吸湿能力,很容易成为细菌定植和生长的温床。因此,开发具有高效抗菌性能的织物已成为保护公共卫生的关键研究方向。本文系统地概述了抗菌材料和抗菌织物的核心制造技术。首先,从生物医学的角度阐述了基本的抗菌机制。其次,介绍了广泛使用的抗菌剂类型,包括天然提取物、无机纳米材料、有机化合物和新型抗菌剂。第三,详细介绍了制备抗菌纤维和织物的主要方法,并对这些技术的优缺点进行了比较分析。第四,讨论了抗菌织物在医疗防护、日常服装、家居产品和公共卫生领域的应用。最后,对抗菌织物的未来发展前景进行了分析。本研究旨在为抗菌织物的大规模生产提供理论基础和技术策略,从而促进其在公共卫生保护领域的更广泛应用,提高人类健康保护的标准。

引言

在人类社会的发展过程中,微生物与人类的生存和健康保持着复杂而密切的关系[1],[2]。其中,细菌通过不断的繁殖和传播,对人类健康构成了持续且日益严重的威胁。由细菌引起的疾病,从常见的皮肤感染到严重的医院内交叉感染,严重影响了患者的生活质量。它们也给全球医疗系统带来了巨大的负担[3]。根据世界卫生组织的估计,每年有数千万人受到细菌感染的影响[4]。此外,耐药细菌的出现进一步加剧了这一挑战。研究表明,在未来25年内,耐抗菌药物的细菌感染可能导致全球超过3900万人死亡[5]。如果这个问题得不到解决,可能会对人类健康和社会福祉造成不可估量的损害。
细菌可以通过多种途径传播,包括空气、水和直接接触。作为日常生活中必不可少的物品,织物由于其特殊的物理结构和使用条件,已成为细菌传播的重要载体[6],[7],[8]。细菌对纺织工业的性能和安全构成了重大挑战。首先,细菌在纤维表面的繁殖会产生异味,影响佩戴者的舒适度。其次,某些微生物分泌的酶会导致纤维降解、变色和强度下降,从而缩短材料的使用寿命[9],[10]。更重要的是,织物可能成为病原体的传播媒介,特别是在医疗和公共场所,促进交叉感染。最后,细菌与汗液和皮脂的相互作用可能导致皮肤刺激、过敏或炎症[11],[12],[13]。因此,开发具有高效、持久和安全的抗菌性能的织物至关重要。
面对细菌污染的威胁,已经开发并应用了多种抗菌和杀菌方法。然而,这些方法在实际情况中存在显著局限性[14],[15]。化学消毒,如使用含氯消毒剂和酒精,是目前最常用的策略之一。虽然这些试剂可以在短时间内迅速灭活细菌,但其效果是短暂的,需要频繁重新施用以保持抗菌活性。此外,这些化学物质具有挥发性,长期使用可能会加速织物的老化和降解[16]。抗生素在治疗细菌感染方面发挥了重要作用。然而,长期和滥用抗生素导致了细菌耐药性的出现[17]。抗生素的滥用已成为全球公共卫生的一个主要挑战[18],[19]。物理杀菌方法,如紫外线照射和高温处理,不会留下化学残留物。然而,这些技术通常需要专用设备,操作成本较高,实施起来较为复杂[20]。因此,它们不适合用于日常织物的持续保护,无法满足日常生活中和工作环境中对持续抗菌性能的需求。
在这种背景下,由于抗菌织物的重要性日益增加,其在学术界和工业界逐渐成为研究焦点[21],[22],[23]。通过将抗菌活性成分有效地整合到纤维材料中,抗菌织物可以实现细菌的持续抑制和消除[24]。这些织物在接触时能够迅速发挥抗菌作用。通过实现活性成分的持续释放,这些织物表现出持久的抗菌活性,并有效减轻细菌的附着和传播。
目前,抗菌织物的研究取得了显著进展[25],[26],[27]。在抗菌剂方面,天然提取物因其良好的生物相容性而受到广泛关注[28],[29]。例如,壳聚糖及其衍生物已被广泛用于织物的抗菌改性。然而,它们的抗菌效果相对适中,耐久性有待进一步提高[30]。无机纳米材料,如银纳米颗粒,表现出优异的抗菌性能,并已得到广泛研究[31]。然而,它们的潜在细胞毒性和环境积累存在争议。合成有机化合物,包括季铵盐,也被广泛使用,尽管某些变体引发了生物安全方面的担忧[32]。光催化和刺激响应材料作为下一代抗菌剂受到了越来越多的关注。然而,这些技术仍处于开发阶段,需要进一步优化[33],[34]。混合纺丝可以确保抗菌剂的均匀分布并提高耐久性,但需要对纺丝过程进行严格控制[35]。后整理涂层方法因其操作简便和成本低廉而受到青睐。不幸的是,这些方法往往导致抗菌剂的附着效果不佳和耐久性有限[36]。化学接枝改性方法可以实现抗菌剂与纤维之间的牢固结合,显著提高抗菌持久性。然而,这种方法通常需要苛刻的反应条件,可能会对织物的机械性能产生不利影响[37]。
同时,已经发表了大量关于抗菌织物的综述[38]。然而,这些出版物在范围和深度上存在一定的局限性。一些综述仅专注于特定类型的抗菌剂,因此缺乏不同类型之间的系统比较[39],[40],[41]。其他综述主要探讨单一制备技术的发展,未能全面概述主流制造方法的优缺点[42],[43]。虽然一些综述关注抗菌织物在特定领域的应用[44],[45],但它们对多个领域应用情况的分析仍不完整。因此,现有的综述在内容系统性、全面性和前沿技术整合方面存在局限性。
因此,本综述旨在提供抗菌织物领域当前研究情况的全面和系统概述(图1)。与现有综述相比,本文综合了抗菌机制、多种类型的抗菌剂、主流制造方法以及在不同领域的应用。此外,还对其未来前景进行了批判性分析。本文具有一个综合框架,使其区别于现有文献。其主要意义在于为该领域提供更完整和有价值的理论和技术参考。

部分摘录

抗菌机制

细菌是单细胞微生物,具有简单的结构和普遍的分布。它们通常根据形态、生理学和细胞壁组成进行分类。革兰氏染色是最常用的方法,将细菌分为革兰氏阳性和革兰氏阴性两组。此外,根据形状,细菌还可以被分类为球菌、杆菌或螺旋菌;根据代谢需求,它们可以被分类为需氧菌、厌氧菌或兼性厌氧菌(图2)。
细菌

抗菌剂的分类

抗菌剂根据其来源和化学性质大致分为四类:天然抗菌剂、无机抗菌剂、有机抗菌剂和新型抗菌剂。以下部分将详细分析它们的抗菌效率、安全性和应用,这些因素对其未来的发展和实际潜力有着重要影响。

抗菌织物的制备技术

抗菌织物是一类功能性织物,通过加入活性抗菌成分来抑制或消除细菌[8]。它们广泛应用于医疗、卫生、服装和家居领域[129]。有多种制造方法可供选择,通常根据抗菌剂的特性、基材织物和所需的性能要求来选择主要方法:

抗菌织物的应用

抗菌织物因其高效和持久的抗菌性能而在各个领域得到广泛应用。从医疗防护和服装到家居纺织品和公共卫生,它们在保护人类健康和安全方面发挥着关键作用(图11)。不同的应用场景需要特定的抗菌效果、安全性和耐久性。因此,开发定制的抗菌技术的需求日益增长。

结论与展望

作为整合材料科学、生物医学和纺织工程原理的功能性材料,抗菌织物已经建立了多方面的发展框架,具有多样的技术途径[183],[184],[185]。本文系统地研究了抗菌织物的组成材料和核心制备技术。首先从生物医学的角度阐明了基本的抗菌机制。随后,对其进行了分类和

CRediT作者贡献声明

杨迈平:撰写——原始草稿,验证,方法学,数据管理,概念化。张菲菲:撰写——原始草稿,验证,概念化。荆卓源:撰写——原始草稿,验证。王婉婉:撰写——审稿与编辑,监督。冯国勇:研究。刘晓文:撰写——原始草稿,研究。王乐:撰写——审稿与编辑,研究。王晨:撰写——审稿与编辑,监督。刘琳:监督。徐磊:

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

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