harmonySi的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/harmonySi

博文

古代那些具有抗菌活性的金属 精选

已有 9499 次阅读 2020-3-9 10:12 |系统分类:科普集锦| 抗菌材料, 金属


有疫情的日子不好过,出不了门,难买到货,特别是像医用酒精和84消毒液这样的抢手货。

最近严峻的疫情促使大家格外重视消毒这件事。然而在久远的古代,卫生条件普遍恶劣,又没有消毒液,人们如何应对来自病菌的侵扰?

实际上,远在人们认识微生物之前,有一类天然材料在守护人类健康中发挥着重要的作用。

这里提到的天然材料就是具有抗菌活性的金属。


众所周知,金属材料伴随人类走过了上千年的历史,是人类文明发展的重要物质基础。但说到金属能够抗菌,可能多少还是让人感到有些意外。其实,如果把种类繁多的金属按照化学元素的方式去看待,就容易理解的多。

研究表明,很多重金属元素都是具有一定的抗菌活性,其中就包括汞(Hg) 、铅(Pb), 银( Ag) 、铜(Cu)和锌(Zn)等这些在古代已知的金属。但从对人体安全的角度考虑,上述金属显然并非都适合用在日常生活中。铅和汞的毒性很强。古罗马时期,人们发现使用铅制容器储存葡萄酒,不但不容易腐坏,还会逐渐变得更加甘甜可口(铅和酸性果汁发生化学反应生成了有甜味的醋酸铅)。然而,这也使得那些嗜酒的贵族长期处于慢性铅中毒的状态,加速了罗马帝国的衰亡。

锌元素比较活泼,所以锌的冶炼在古代很困难,而且锌虽然有一定的抗菌活性,但较弱。所以,综合安全性、抗菌性和原料易得等多方面因素,铜和银是自古以来长期使用的两种具有抗菌活性的金属材料。

 

铜是人类最先冶炼并大量使用的金属。铜最早的医学用途记载可以追溯到被称作史密斯纸莎草书的埃及医书,它记载了利用铜对胸部伤口和饮用水进行消毒。文献还显示,古埃及人已经开始使用青铜制成的刀进行外科手术。


11.jpg


史密斯纸草文稿(写于公元前2600-2200年间),被认为是人类史上的第一部医学著作。图片来源:Wikipedia


其他早期的医书中,罗马帝国时期的凯尔苏斯(Aulus Cornelius Celsus)的《医学论》(De Medicina),以及“医学之父”希波克拉底(Hippocrates)的著作也描述了金属铜或者含铜化合物在医学上的用途。这其中包括矿物孔雀石(主要成分碱式碳酸铜)、通过金属铜上的盐水作用形成的氯化铜、通过金属铜上的热醋(乙酸)蒸汽作用形成的铜绿(碱式碳酸铜),以及主要成分为硫酸铜的胆矾。这些材料被当作药物治疗烧伤、瘙痒和眼睛发炎等多种疾病。在美洲,阿兹台克人(Aztecs)还曾用含铜的药物漱口,来治疗喉咙痛。

22.jpg

 凯尔苏斯所著的De Medicina。图片来源:Wikipedia

 

然而,铜虽然是人体必须的微量元素之一,稍摄入过量(一天超过64 mg)也会造成中毒,所以抗生素发现之后,人们已经基本不再依靠铜或者铜盐治疗感染一类的疾病。但人们对铜抗菌活性的关注却从未停止。

英国南安普顿大学William Keevil课题组在铜的抗菌性能方面开展了大量研究,在Scopus数据库中可以查到他发表了100多篇相关论文。他发现铜离子的抗菌活性不只针对细菌,还包括病毒、真菌等在内的多种微生物。这其中就包括甲型流感病毒、疱疹病毒、甚至还有一种冠状病毒(229E)。这些病毒与铜表面接触几分钟到几小时不等就失去活性,可在不锈钢表面却能存活数天之久。所以Keevil博士建议,为了提高人们的健康水平,阻断病毒的传播渠道,除了勤洗手之外,有关部门应配合生产企业在人流量大的场所,多用含铜的设施。

铜合金也是美国国家环境保护局指定的有利于公共卫生和可以抵制微生物的材质。在与身体组织接触的生物材料中,铜合金也因有助于防止继发感染,被广泛使用。


银和铜都位于元素周期表的第11副族,化学性质相近。古代文献中记载的那些有关铜的杀菌效果,往往也都有类似的“银”版本。只是银在地壳中的含量比铜要低很多,是典型的“贵金属”,所以银的抗菌活性在古代主要惠及被那些“含着银勺出生“的贵族阶层。

据说,公元前三百多年,希腊王国皇帝亚历山大带领军队东征时,受到热带痢疾的感染,很多士兵得病死亡。但是,皇帝和军官们却很少染疾。这个差异的谜团直到现代才被解开。人们发现当时皇帝和军官们的餐具都是用银制造的,而士兵的餐具却是用锡制造的。

虽然银的价格昂贵,但相比铜,银有一些显著的优势。比如银的化学稳定性要更好,不会像铜器那样在潮湿环境中长出难看的绿色锈斑。同时,银的杀菌活性非常高。据测定,水中含银离子为0.01 mg/L时,就能完全杀死水中的大肠杆菌,还能长时间不生出新的细菌,可谓抗菌活性金属中的佼佼者。

安全性方面,虽然一般不认为银是人体必须的微量元素,但微量的银对人体是无害的。根据WHO发布的《世界卫生组织饮用水质量指导标准》第四版,银离子浓度低于0.05 mg/L的饮用水不会对人体造成不良影响。所以,我们不难将银的浓度控制在刚好满足杀灭微生物,却不对人体造成损伤(对纳米银的健康风险尚有争议)。

因此,银元素在小到防臭抗菌袜,大到高端游泳池净水设施等许多有灭菌需求的场合中都有应用。昔日只有贵族才能享用的高端金属,如今已经广泛融入我们的日常生活中,为更多人的健康提供保障。


古代人从生活实践中总结出一些金属具有消毒的功效,而真正认识金属杀菌的机理还需要借助现代科学。虽然至今还没有确凿的定论,科学界普遍认为铜和银表面溶出的金属离子在接触杀菌(“contact killing”)过程中扮演中重要角色。

以铜为例,带有正电的铜离子一方面可以与显负电的细菌细胞膜结合,破坏细胞膜结构的完整性。另一方面,铜离子还可以与蛋白质中的巯基(-SH)结合,导致蛋白质变性。这一过程中产生的一价铜离子(Cu+),又可以引发羟基自由基(OH˙)的生成,从而对微生物造成进一步氧化损伤。

33.png

44.png

与作用于单一特定靶点的抗生素不同,铜和银离子对细菌的攻击是多方面的。细菌对这种“组合拳”比较敏感,不太容易在短时间内进化出抗性。当前,由于抗生素的大量使用,细菌的耐药性愈演愈烈,将抗菌金属材料与常规抗菌药物相结合,集两者所长,可能会对杀灭耐药细菌和制备高效抗菌材料带来新的思路。


人类与有害微生物的纠葛已经持续了上千年。作为一类使用历史悠久的材料,具有抗菌活性的金属是大自然馈赠给人类的宝贵礼物。继承前人的经验与智慧,人们对抗菌活性物质的关注和开发从未停止。深入研究铜、银等金属材料独特的抗菌机理,或许能为阻止病菌传播带来了新的启示,为人类生活环境的安全健康提供更有力的保障。


参考文献:

1. Metallic Copper as an Antimicrobial Surface, APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, 2011, p. 1541–1547

2. A novel coping metal material CoCrCu alloy fabricated by selective laser melting with antimicrobial and antibiofilm properties, Materials Science and Engineering C 67 (2016) 461–467。

3. Human coronavirus 229E remains infectious on common touch surface materials. mBio, November 2015 DOI: 10.1128/mBio.01697-15.

4. Silver makes antibiotics thousands of times more effective, Naturedoi:10.1038/nature.2013.13232

5. 银抗菌是什么原理?抗菌效果如何:https://www.zhihu.com/question/24548124





http://blog.sciencenet.cn/blog-600576-1222444.html

上一篇:奶茶与鸦片战争
下一篇:如何撰写论文的eTOC blurb

11 王安良 黄永义 周忠浩 王晨 杨正瓴 张永刚 左宋林 晏成和 郭维 张晓良 张鹰

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-10-16 04:36

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部