在有生之年經歷新冠疫情，實在是讓人“刻骨銘心永生難忘”，相信地球上大多數人民都被結結實實的上了一課：微生物不好惹。其實，微生物對人類的威脅一直都在，久遠的不說，2003年SARS事件，2009年甲型H1N1流感，2014年脊髓灰質炎（小兒麻痹）疫情，2015寨卡病毒疫情，2018-2019年的剛果（金）埃博拉病毒都是受國際關注的巨大公共衛生事件。PS：還有2018-2019年的非洲豬瘟疫情，讓愛吃豬肉的國人荷包大縮水。

　　縱觀歷史，各種微生物總是不定期的光臨地球，給人類帶來猛烈一擊，因此抗菌工作是個持久戰，在這一場戰役中，抗菌材料有著重要意義。抗菌材料是具備殺死或抑制有害細菌能力的功能材料，它與材料添加的抗菌劑有關系。抗菌劑分為無機抗菌劑、有機抗菌劑和天然抗菌劑三種類型，其中無機抗菌劑有著廣泛的作用，而這其中無機抗菌劑中的主要金屬抗菌劑則是主要的抗菌劑類型，具有廣譜抗菌且抗菌性能優良，不產生耐藥性的特點。

　　抗菌金屬的使用已有悠久的歷史，在很早之前人們已經知道使用金屬制作的器具會更加安全，例如使用銅制作的器皿，用銀制作筷子等等。20世紀90年代，日本首次研制出具有抗菌性的鐵素體、奧氏體和馬氏體系的抗菌不銹鋼。它是在傳統鋼的基礎上添加了0.5%~1%Cu，再經特殊熱處理，使Cu離子溶出并均勻分布在不銹鋼內部及表面，其抗菌效果顯著。每一種抗菌金屬元素都有其特殊的抗菌機理，有的甚至同時兼有多種抗菌機理，在不同的環境影響下，選擇相應的方式來抑菌，下文將對離子型、降解型、替代型以及氧化型幾種常見的金屬抗菌機理做簡單整理。

　　一、離子型抗菌

　　離子型抗菌是目前研究較多，并且應用比較廣泛的一類抗菌形式，它可以通過正負電荷相互吸引與細菌緊密接觸，也可以通過離子溶出進入細菌細胞內等多種方式進行殺菌，銅和銀是應用較為廣泛的抗菌金屬，屬于典型的離子型抗菌。

　　1、銅的抗菌機理有如下幾種假設：①利用電場吸附的作用進行殺菌。以不銹鋼材料為例，Cu離子均勻的分布在不銹鋼內部及表面，帶正電荷的銅離子與帶負電荷的細菌細胞壁和細胞膜在異性電荷相互吸引的作用下緊緊吸附在一起，使細菌的活動受到了約束，呼吸受到了阻礙，阻礙了細菌的生長，最終導致死亡；②直接殺菌。銅離子穿透細菌的細胞壁和細胞膜進入細胞內部，與細菌蛋白質的巰基發生反應，從而使得細菌的蛋白質凝固，酶失去活性，DNA合成受到約束，進而使其喪失增殖能力。③破壞酶系統殺菌。銅離子與細菌接觸時還可以破壞細菌細胞內部酶運輸系統，使得細菌固有成分喪失活性進一步引起功能紊亂，導致菌體繁殖能力下降或新陳代謝受到阻礙，從而造成細菌的死亡。④催化作用殺菌。不銹鋼表面的銅離子可以起到催化作用，它能夠吸收周圍環境中的能量并與氧反應生成以讓細菌的增殖能力下降·OH和O2-，達到讓細菌的增殖能力下降目的。

　　2、銀的抗菌機理：與銅相比，銀的抗菌性要高出許多，添加少量的銀就可以大大提高不銹鋼的抗菌性能，并且加入銀對不銹鋼的加工性能和力學性能基本沒有影響。銀離子抗菌劑作用機理有以下幾個方面：①阻礙細胞壁的合成。肽聚糖是細菌細胞壁重要組分，銀離子對細胞壁的合成有阻礙作用，主要抑制多糖鏈與四肽之間的連接，從而使細胞壁喪失了完整性，滲透壓的保護作用減退，最終由于菌體損傷而死亡。②對細胞膜造成損傷。細胞膜是細菌細胞生命活動結構和功能的基本單位，若細胞膜受到損傷、破裂，將直接導致細菌的死亡。③對蛋白質的合成有著抑制作用。干擾DNA的正常生物合成過程，使合成的核酸失去功能。

　　二、降解型抗菌

　　隨著研究的不斷深入，純鎂及鎂合金也逐步走入了研究者的視線。中國科學院金屬研究在動物實驗中對鎂基金屬的殺菌作用作了進一步的研究，證實了鎂基金屬的殺菌不同于銅銀和鋅，它不是依靠離子的作用，鎂基金屬殺菌是因為在人體或環境中進行自身降解，降解過程中影響了整個環境，使得環境堿度大幅提升，即pH值大幅增大，影響細菌生長環境，從而達到殺菌的作用。可降解鎂因其良好的抗菌性能，已逐漸應用到外科手術中，但由于降解速度過快可能會導致細菌感染，并且對生物相容性有不利影響，因此仍需改良鎂合金成分及支架設計從而控制降解速度，以適應臨床上需求。

　　三、替代型抗菌

　　所謂替代型抗菌是基于金屬離子結構的相似性，菌對抗菌元素和自身必需的營養元素發生混淆，致使抗菌元素進入細菌細胞內替代了營養元素，損傷了蛋白質和酶，改變了細菌的生存環境，從而顯示出殺菌的效果。

　　1、鎵的抗菌機理。鎵離子抗菌是當前國際上比較先進的一種新型抗菌方式，其作用機理是與鐵高度相似的鎵利用細菌的噬鐵特性，替代鐵進入細胞破壞細菌的鐵代謝，降低細菌存活率達到抗菌目的。鎵的抗菌性早已得到公認，美國藥監局FDA認定鎵具有良好的抗菌活性，可用于藥物。國際上大量利用鎵抗菌養殖飼料案例數據顯示，鎵對針對多種細菌包括多重耐藥菌都有較好的抗菌效果。無論是體內還是體外鎵都具有抗菌活性，其活性與其他藥物有協同作用，且細菌不易對鎵產生耐藥性，并能為有益菌創造更好的生存條件。鎵可用于臨床，但值得注意的是，長時間使用鎵會影響宿主的免疫系統。

　　2、鈰的抗菌機理。研究人員在不銹鋼中添加0.11%含量的鈰便可取得優異的抗菌性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率達到了98.9%。此外內蒙古科技大學也在做此研究，均證實了金屬鈰的抗菌性能，并對抗菌機理進行了探討，認為鈰在離子狀態下，與細菌結合，替代細菌里的鈣，從而破壞了細菌的結構，最終達到殺死細菌的目的。

　　含鈰抗菌不銹鋼在制備時不用經過時效處理就可以獲得良好的抗菌性能，工藝手段較為簡便。但稀土鈰在低濃度時反而會刺激細菌的生長，濃度過高時可能會損壞不銹鋼的其他性能，因此需要對鈰的用量拿捏到恰到好處。

　　四、氧化型抗菌

　　有些金屬本身不具備抗菌性能或是抗菌能力稍差，但其金屬氧化物在特定的環境下卻擁有較強的抗菌能力，比如氧化鋅、氧化鈦等，在光照的條件下會發生一系列化學反應，從而達到殺菌的目的。

　　1、氧化鈦的抗菌機理。眾多研究表明氧化鈦是利用光催化機理進行殺菌的。氧化鈦被一定能量的光子激發時分別產生電子（e-）和空穴（h+）。電子（e-）與空氣中的氧原子反應生成超氧離子自由基（-O2-），空穴（h+）與水分子經過離子反應之后生成羥基自由基（-OH）。自由基能夠與構成為生物機體的有機物發生反應將其直接氧化成CO2，H2O等無機物，改變有機物的原有狀態和性質，從而阻礙了微生物細胞的繁殖，起到了抗菌和殺菌的作用。

　　2、氧化鋅的抗菌機理。有研究認為氧化鋅的抗菌機理主要是由于氧化鋅在受光子激發時，會產生許多強氧化物質，這些物質會與細菌發生一系列氧化還原反應，殺死細菌。但氧化鋅的安全性尚待明確。

　　目前，離子型抗菌是應用最為廣泛的抗菌形式，相比容易造成細菌感染的降解型抗菌和有局限性的氧化型抗菌，有著更好的發展前景。銅、銀屬于典型的離子型抗菌，并有著多種抗菌方式。此外，一些稀土元素通過替代相似結構的金屬元素也展現了良好的抗菌性能。抗菌材料在發揮其抗菌作用的同時，是否會對非目標的生物體的傷害、環境造成污染以及是否讓細菌產生耐藥性等都是需要重點考慮的問題。