纳米材料抗菌重复性测试 - 中析研究所生物检测中心

纳米材料抗菌重复性测试：保障长效抗菌性能的关键评估

摘要：
纳米材料因其独特的物理化学性质在抗菌领域展现出巨大潜力，但其实际应用中能否长期稳定发挥抗菌效力至关重要。抗菌重复性测试正是评估纳米材料多次或持续使用后抗菌性能保持能力的核心方法。本文系统阐述该测试的意义、标准方法、关键考量因素及结果解读，为纳米抗菌材料的研发与应用提供科学依据。

关键词： 纳米抗菌材料；重复性测试；抗菌性能；稳定性；长效性；标准化测试

一、引言：为何关注重复性？

纳米抗菌材料（如纳米银、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、石墨烯基材料等）通过物理接触、活性氧产生、金属离子释放等机制杀灭微生物。然而，在实际应用场景中（如可重复使用的医疗器械表面、抗菌纺织品、水处理滤芯）：

材料损耗： 纳米颗粒可能在使用、清洗过程中磨损、脱落。
表面污染： 微生物残留物、有机物可能覆盖活性位点。
化学失活： 环境因素（如氧化、络合作用）可能降低活性成分效力。
结构变化： 纳米结构可能因反复应力或环境作用发生改变。

重复性测试旨在模拟真实使用中的损耗与挑战，定量评估材料在经受多次抗菌作用循环（通常包括“使用-清洁/灭菌-再使用”）后，其初始抗菌效能维持的程度。这是材料能否从实验室走向实际应用的关键门槛。

二、重复性测试的核心原理与方法

重复性测试并非单一标准方法，其具体方案需根据材料特性和预期应用场景设计，但核心流程遵循以下逻辑：

初始抗菌性能基准测试：
- 采用标准抗菌测试方法（如ISO 22196, JIS Z 2801 塑料表面测试；AATCC 100, ISO 20743 纺织品测试；悬液定量法如ISO 20776-1），测定未经使用循环的原始样品对目标菌种（常选用金黄色葡萄球菌 ATCC 6538, 大肠杆菌 ATCC 8739等）的抗菌率或杀菌率。
设计使用循环：
- “抗菌作用”阶段： 将样品暴露于一定浓度的菌悬液中特定时间（模拟接触污染）。
- “清洁/灭菌/再生”阶段： 模拟实际清洁处理。常用方法包括：
  - 物理清洗： 在特定洗涤液（如中性洗涤剂液）中用规定力度、时间进行振荡清洗或用流水冲洗，模拟手洗或机洗（对纺织品尤为重要）。
  - 化学消毒/灭菌： 采用特定消毒剂（如酒精、特定浓度次氯酸钠）浸泡或擦拭。
  - 物理处理： 如紫外线照射、高压蒸汽灭菌（需考虑材料耐受性）。
  - 模拟磨损： 对于承受摩擦的表面（如涂层、把手），可加入特定次数的摩擦试验（如使用摩擦试验机、马丁代尔耐磨仪或标准布料进行往复摩擦）。
- 每次循环结束后，样品需彻底干燥，并在相同环境条件（温湿度）下放置。
重复循环：
- 将步骤2重复进行预设次数（N次，常见如5次、10次、20次、50次，甚至更多）。
- 关键控制点： 确保每次循环的操作条件（菌液浓度、接触时间、清洗力度/时间/试剂浓度）严格一致。
循环后抗菌性能测试：
- 在完成设定的N次循环后，再次使用与步骤1完全相同的标准抗菌测试方法，测定样品的抗菌率或杀菌率。
性能衰减评估：
- 对比初始抗菌率和经过N次循环后的抗菌率。
- 计算抗菌活性保持率：(循环N次后抗菌率 / 初始抗菌率) × 100%
- 或直接比较抗菌率/杀菌率的绝对值下降幅度。

三、测试设计的关键考量因素

目标应用场景： 决定循环次数、清洁/灭菌方式的选择和强度。例如：
- 医用导管涂层：需模拟多次化学消毒（如酒精擦拭）和高压灭菌。
- 抗菌纺织品（床单、毛巾）：需模拟多次标准机洗或手洗。
- 空气/水过滤器：需模拟多次气流/水流冲击和可能的反冲洗。
- 高频接触表面（门把手、电梯按钮）：需模拟多次摩擦和常规清洁剂擦拭。
菌种选择： 除标准菌外，可根据实际应用考虑常见污染菌或耐药菌。
循环次数设定： 需足够反映材料的长期潜力。次数过少（如仅1-2次）可能无法暴露潜在问题；次数过多可能过于严苛且增加测试成本。需根据预期使用寿命和更新频率确定合理的N值。
对照实验：
- 空白对照： 使用不含纳米抗菌剂的基材进行同样循环和抗菌测试，观察基材本身和循环过程对测试结果的影响。
- 阳性对照： 可使用已知性能稳定的商业抗菌材料（需匿名处理）进行平行测试比对。
表征手段结合： 在关键循环节点（如初始、循环中期、循环末期）可结合微观形貌观察（SEM/TEM）、表面成分分析（XPS）、纳米颗粒释放量测定等手段，辅助解释抗菌性能变化的物理化学原因（如颗粒脱落、表面氧化、活性位点堵塞）。

四、结果解读与应用价值

优良重复性的判定：
- 经过预设的N次典型使用循环后，材料的抗菌率或杀菌率下降幅度很小（例如 < 10%）。
- 抗菌活性保持率持续稳定在高水平（如 > 90%）。
- 数据波动在可接受范围内（可通过多次重复试验计算置信区间）。
- （重要提示： 具体合格阈值需根据应用领域和行业规范/标准制定）。
性能衰减的警示：
- 抗菌率随循环次数显著下降。
- 性能衰减速率过快（如仅几次循环后效能大幅降低）。
- 性能数据出现剧烈或不规则波动，反映材料稳定性差。
应用价值：
- 材料筛选与优化： 识别具有长效抗菌潜力的纳米材料配方或结构。
- 工艺改进： 指导纳米颗粒的固定化、负载、封装等工艺提升，以增强其在使用中的稳定性（如提高结合牢度、防止团聚脱落、提供保护层）。
- 应用风险评估： 评估材料在实际使用中失效的可能性和时间点，为产品设计和更换周期提供依据。
- 标准化与质量管控： 为制定纳米抗菌材料产品的重复使用性能标准和检测规范提供数据支撑。
- 指导终端应用： 明确材料最适合的应用场景（如更适合一次性产品还是可重复使用产品）。

五、结论与展望

纳米材料抗菌重复性测试是衔接实验室优异性能与实际长效应用的重要桥梁。建立科学、严谨、贴近真实使用场景的重复性测试方法，对于推动纳米抗菌材料的商业化应用、保障其在医疗器械、公共卫生产品、家用消费品等领域的安全性和有效性具有不可或缺的作用。

未来研究需要：

推动测试标准化： 针对不同类型的纳米抗菌材料和应用场景，发展更细致、统一、国际公认的重复性测试标准方法。
发展原位监测技术： 探索能在重复使用过程中实时或准实时监测材料表面抗菌活性变化的技术。
深入机理研究： 结合先进的表征技术，更深入地揭示导致纳米材料抗菌性能在重复使用中衰减的微观机制，为设计具有超高稳定性的下一代长效纳米抗菌材料提供理论基础。

通过持续优化测试方法和深入理解失效机理，纳米抗菌材料必将在实现真正长效、安全的抗菌防护方面发挥更大的作用。

参考文献：

ISO 22196:2011 Measurement of antibacterial activity on plastics and other non-porous surfaces.
JIS Z 2801:2012 Antibacterial products - Test for antibacterial activity and efficacy.
AATCC 100:2019 Antibacterial Finishes on Textile Materials: Assessment of.
ISO 20743:2021 Textiles - Determination of antibacterial activity of textile products.
ISO 20776-1:2019 Clinical laboratory testing and in vitro diagnostic test systems - Susceptibility testing of infectious agents and evaluation of performance of antimicrobial susceptibility test devices - Part 1: Reference method for testing the in vitro activity of antimicrobial agents against rapidly growing aerobic bacteria involved in infectious diseases. （注：悬液法常借鉴此法原理）
Li, Q., Mahendra, S., Lyon, D. Y., Brunet, L., Liga, M. V., Li, D., & Alvarez, P. J. (2008). Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: Potential applications and implications. Water Research, 42(18), 4591-4602. (讨论纳米材料应用及潜在挑战)
Hajipour, M. J., Fromm, K. M., Ashkarran, A. A., Jimenez de Aberasturi, D., Ruiz de Larramendi, I., Rojo, T., ... & Mahmoudi, M. (2012). Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in Biotechnology, 30(10), 499-511. (涵盖抗菌机制及稳定性考量)