抗病毒涂层

刘峻; 叶代勇

doi:10.7536/PC220917

化学进展 ›› 2023, Vol. 35 ›› Issue (3) :496-508 DOI: 10.7536/PC220917

综述

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抗病毒涂层

刘峻 ,
叶代勇 ^*

作者信息 +

Research Progress of Antiviral Coatings

Liu Jun ,
Ye Daiyong ^*

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摘要

随着COVID-19在全世界范围内的大规模传播,对世界人民的身体健康造成了严重的损害,人们认识到病毒除了可以通过各种飞沫传播外,还会因人体接触到受污染的表面而传播。然而,作为常用的表面抗病毒手段,消毒剂存在不能持续灭活病毒的缺点,这不利于抑制各种传染性病毒的传播。因此,全球迫切需要保护日常物体表面免受病毒的污染,以消除各种呼吸道病毒(如新型冠状病毒SARS-CoV-2)的传播。从这个角度出发,设计开发出有效的抗病毒涂层是十分重要的。本文从不同类型的抗病毒涂层出发,针对新型冠状病毒,探讨了纳米材料抗病毒涂层和聚合物抗病毒涂层的工作机制、性能评价方法、加工技术、实际应用和研究进展,还提出了一些策略以设计出更有效的抗病毒涂层。尽管其中一些抗病毒涂层还在实验阶段,但其在抗病毒方面已表现出巨大的潜力。

Abstract

With the large-scale spread of COVID-19 around the world, it has caused serious damage to the health of people around the world. In addition to being transmitted by various droplets, viruses can also be transmitted by human touch of contaminated surfaces. However, as a commonly used surface antiviral method, disinfectants have the disadvantage of discontinuously inactivating viruses, which is bad for inhibiting the spread of various infectious viruses. Therefore, it is urgent to protect the surface of daily objects from virus pollution to eliminate the spread of various respiratory viruses (such as Corona Virus Disease 2019, SARS-CoV-2). From this point of view, it is very important to design and develop effective antiviral coatings. This paper discusses the working mechanisms, performance evaluation methods, processing technologies, practical applications and research progress of nanoparticle antiviral coatings and polymer antiviral coatings for SARS-CoV-2, and also proposes some strategies to design more effective antiviral coatings from the perspective of different types of antiviral coatings. Although some of these antiviral coatings are still in the experimental stage, they still show great potential in the antiviral field.

Graphical abstract

关键词

抗病毒涂层 / 纳米材料 / 聚合物 / 评估方法 / 加工技术 / 抗病毒产品

Key words

antiviral coatings / nanomaterial / polymer / evaluation methods / processing technology / antiviral products

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刘峻, 叶代勇. 抗病毒涂层[J]. 化学进展, 2023, 35(3): 496-508 DOI:10.7536/PC220917

Liu Jun, Ye Daiyong. Research Progress of Antiviral Coatings[J]. Progress in Chemistry, 2023, 35(3): 496-508 DOI:10.7536/PC220917

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1 引言

近年来,由病毒所引起的传染病在全球范围内愈演愈烈,诸如埃博拉病毒、诺如病毒、流感病毒以及引发严重急性呼吸系统综合症的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)(如图1)等都对全世界人民的身体健康、社会稳定和经济发展造成了严重的影响^[1]。众所周知,病毒的主要传播方式分为“飞沫传播”和“接触传播”。飞沫传播主要是由于人们交流、打喷嚏和咳嗽引起唾液飞溅而导致病毒传播;而接触传播则是人们接触过受污染的表面导致病毒传播^[2]。研究表明,冠状病毒可以在金属、玻璃、木材、织物、塑料等各种物体表面存活数个小时乃至几天^[3]。在日常生活中,我们不可避免地会接触到各种物体的表面,这无形中增加了感染病毒的风险。然而,作为常用的物体表面消毒方法,消毒剂只能将消毒前的病毒杀死并不能达到持续消毒的效果。因此,如何有效应对各种传染性病毒的传播并走出疫情困境,是全世界的当务之急。从这个角度出发,解决该问题的应对之策是寻找具有抗病毒或杀病毒活性的组分(材料和涂层)来设计个人防护设备、卫生工具和其他设备,使日常物体表面免受病毒污染并限制病毒的传播^[4],这对保障世界人民的身体健康安全具有非常重要的意义。

目前,抗病毒涂层主要分为纳米材料抗病毒涂层和聚合物抗病毒涂层。本文从这两类抗病毒涂料出发,讨论了抗病毒涂层抑制病毒的机制、不同类型的抗病毒涂层、抗病毒涂层的评估和加工方法以及具有实际应用的抗病毒产品,同时还总结了各类抗病毒材料的优势和不足以及未来的发展前景,为今后的研究提供了方向。

2 抗病毒涂层的灭活机制

研究抗病毒材料的灭活机制对灭活病毒和应对传染病的传播具有重要的意义。不同抗病毒材料的灭活机制各有差异。目前,抗病毒涂层的灭活机制主要包括直接灭活病毒、抑制病毒感染宿主细胞以及抑制病毒的增殖。

2.1 直接灭活病毒

一些具有消毒功能的纳米材料对病毒的灭活机理主要是通过释放金属离子或产生活性氧(ROS)等物质。一方面,这些物质会破坏病毒的衣壳蛋白或遗传物质使其灭活^[5];另一方面,金属离子除了对病毒的结构造成损害外,还有助于ROS的生成,从而进一步提高了抗病毒性能^[6]。此外,部分纳米材料因其独特的结构,与病毒结合后可以直接灭活病毒。例如,氧化石墨烯(GO)及其衍生物的抗病毒能力就与其层状结构和锋利的边缘有关^[7]。纳米材料的光热效应也有助于直接灭活病毒。在光照下,随着材料表面温度的提高,病毒的蛋白质或遗传物质发生变形,从而杀死病毒。

2.2 抑制病毒感染宿主细胞

病毒的传染性在于其进入宿主细胞后,与宿主细胞发生相互作用,进而复制自身。因此,抑制病毒感染宿主细胞对减少病毒的传染性具有重要的意义。Cagno等^[8]通过研究涂有巯基-十一烷磺酸的纳米Au发现,其可以抑制流感病毒和水疱性口炎病毒与宿主细胞的结合,从而抑制病毒活性。另外,有研究表明,纳米Ag与病毒相互作用后,能够直接附着在病毒表面的糖蛋白上,从而抑制病毒进入宿主细胞并降低了病毒的感染性^[9]。

2.3 抑制病毒的增殖

抑制病毒增殖是有效抑制病毒传播的重要方式之一。一些金属纳米材料可以与病毒结合,然后通过抑制RNA的合成来抑制病毒的增殖。该机制对于非金属纳米材料同样适用。Tong等^[10]利用水热合成法制备出甘草酸-碳点(Gly-CDs)。研究表明,Gly-CDs可以通过刺激细胞来调节一些宿主限制因子的表达,包括DDX53和NOS3,它们与PRRSV的增殖直接相关。

尽管关于抗病毒涂层的灭活机理的研究已经得到了广泛的探索,但还需要进一步的深入分析。由于不同抗病毒材料的机理是有区别的,并且病毒的种类对灭活机理也有影响,这也为研究抗病毒机制带来不小的困难。目前,相当一部分的抗病毒机理是通过抗菌机理推演得到的,同时灭活机制也缺乏详细和系统的研究。因此,未来除了研究抗病毒涂层外,对其灭活机理进行研究并指导抗病毒产品的开发也是十分必要的。

3 抗病毒涂层

随着新冠病毒在全球范围内肆虐,寻找能够有效抵抗病毒传播和降低人们感染的可能性成为了当前备受关注的焦点。与以往的抗病毒方法相比,抗病毒涂层具有持续抑制和杀死病毒的特点,有助于防止病毒在物体表面上沉积。抗病毒涂层包括有纳米材料抗病毒涂层(如铜基纳米材料、银基纳米材料、氧化锌和二氧化钛、碳基纳米材料以及一些新型的纳米材料等)和聚合物抗病毒涂层。

3.1 纳米材料抗病毒涂层

3.1.1 金属及金属氧化物纳米材料

3.1.1.1 铜基纳米材料

铜因其是人体内正常新陈代谢所必需的一种微量元素而对细胞的毒性相对较小同时还具有良好的抗菌抗病毒性能,这使得其可以应用于抗病毒涂层中^[11]。迄今为止,铜的抗病毒机制包括有:在转移到细胞核中或在基因复制期间会干扰病毒复制^[12];纳米颗粒破坏病毒蛋白,使病毒能够进入核膜并阻止细胞酶构建新的病毒^[13];纳米颗粒释放的自由铜离子产生ROS,其通过氧化作用影响病毒包膜或衣壳的完整性从而导致病毒失活^[14];通过对二硫键的断裂破坏病毒蛋白,而二硫键对于蛋白质的折叠和功能是必不可少的^[15]。

自从新冠疫情爆发以来,对口罩的需求不断提高,通常使用的口罩虽然可以有效地防止病毒传播,但是口罩在阻断病毒的同时病毒容易在其表面沉积,这大大增加了人类感染的风险。为了更好地防止病毒传播,Kumar等^[16]以一种天然生物聚合物(虫胶)作为黏合剂将纳米Cu附着在口罩上,从而形成抗病毒涂层。虫胶/纳米Cu复合涂层可以赋予表面良好的疏水性以排斥呼吸液滴并降低病毒在表面沉积,达到自清洁效果。此外,该涂层具有优异的光催化和光热性能,在太阳光照射下,涂层温度迅速上升到70 ℃以上,可以产生大量自由基从而破坏病毒的膜,达到抑制病毒活性的效果(如图2)。

氧化铜(CuO)和氧化亚铜(Cu₂O)是最常用的两种抗菌抗病毒铜基纳米材料。Castro Mayorga等^[17]通过在PHBV聚合物中添加0.05 wt%的纳米CuO,开发出一种抗病毒生物可降解涂层。利用静电纺丝技术,在没有显著改变氧气渗透性、机械和光学性能的情况下,可以显著提高聚合物中纳米CuO的分散性和均匀性,这使得只需较低的纳米颗粒负载量就可以对食源性病原体肠道沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和鼠诺如病毒表现出良好的杀菌和杀病毒性能。而关于CuO和Cu₂O在抗病毒活性方面的差异,Mazurkow等^[18]进行了一些研究。他们对这两种金属氧化物进行了Zeta电位测量,发现 Cu₂O的等电点为11.0,而CuO的等电点为7.4,这表明含有Cu₂O的材料在pH=7时表面可能具有更高的正电荷(如图3)。在静电相互作用下,Cu₂O材料的表面正电荷可以更好地吸引带负电荷的病毒(如噬菌体MS2),这可能有助于病毒的失活。Cu₂O的静电相互作用进一步拓展了铜基纳米材料的抗病毒机制,为今后的相关研究者提供不同的思路。

从上述的研究结果可以看出,具有抗病毒性能的铜基纳米颗粒种类较多并且仅需较低的浓度和较短的接触时间就可以对病毒产生显著的抑制效果。然而,铜属于重金属,虽然重金属一般都具有良好的杀菌抗病毒作用,但重金属均有毒性,在人体内达到一定剂量时会对健康有影响,甚至致病中毒。当利用铜基纳米材料作为日常物品的表面抗病毒涂层时,不可避免地会增加人们与其的接触时间,容易对人体的健康产生威胁。这些不足限制了铜基纳米颗粒广泛应用于抗病毒领域,因此,未来对铜基纳米颗粒的抗病毒研究应该更加关注如何降低细胞毒性,以减少对人体的伤害。

3.1.1.2 银基纳米颗粒

作为贵金属的一种,银因其具有许多优异的特性在众多领域中得到了广泛的应用,特别是其独特的抗菌性能,使其在伤口护理产品、手术器械、消毒过滤器等方面可以成为良好的抗菌材料。同时,银也是一种重要的抗病毒材料,它通过与病毒的包膜或病毒表面蛋白相互作用、阻断病毒渗透进入细胞、与病毒基因组相互作用以及与病毒复制因子相互作用来灭活病毒^[19]。目前,针对银基纳米颗粒抗病毒机制的研究主要聚焦于其与病毒的脂质包膜或表面蛋白上的不同基团(巯基、氨基、羧基、磷酸盐和咪唑基团等)直接发生化学反应,导致病毒的完整结构被破坏或酶的活性被抑制,从而达到灭活病毒的效果^[20]。

Castro-Mayora等^[21]研究了纳米银颗粒和硝酸银(AgNO₃)对猫杯状病毒(FCV)和小鼠诺如病毒(MNV)的灭活效果。研究发现,影响纳米Ag和AgNO₃抑制病毒活性的主要因素是浓度。随着浓度的增加,纳米Ag和AgNO₃的抗病毒性能会明显提高,而当浓度高于2.1 mg/L时,纳米Ag的活性可以保持长达150 d,但AgNO₃的有效期限仅为前者的一半,这可能归因于Ag⁺不稳定,容易被还原或团聚。此外,该研究还进一步探讨了负载有纳米Ag的涂层的抗病毒性能。他们利用静电纺丝技术制备出以PHBV为基底的纳米Ag复合涂层(如图4)。由于纳米Ag被牢牢地固定在涂层中,可以更好地释放Ag⁺,因此,只需添加极低含量的纳米Ag便可对诺如病毒的活性产生抑制效果。

纳米颗粒的尺寸以及表面修饰也是影响银基纳米颗粒抗病毒性能的重要因素。He等^[22]通过研究不同表面修饰的纳米Ag发现,修饰材料的zeta电位与杀病毒作用呈正相关。此外,他们还探讨了不同尺寸的纳米Ag对抗病毒性能的影响。结果表明,纳米Ag的抗病毒效果取决于颗粒的大小。粒径越小,表面原子的百分比越高,不饱和键越多。这种结构为各种类型的反应提供了许多吸附和反应位点,这些颗粒可以很容易地通过化学键与外来原子结合。因此,它们附着在病毒上并与之发生化学反应的能力也越强。为了进一步提高银基纳米颗粒的抗病毒性能,应该从纳米颗粒本身的尺寸出发,采用有效的合成和分散方法,使纳米颗粒可以以稳定、分散、小尺寸的形式存在。

除了纳米Ag外,其他纳米银化合物同样具有出色的抗病毒性能。Du等^[23]研究了Ag₂S纳米簇对抑制猪流行性腹泻病毒(PEDV)的潜在机制。他们以谷胱甘肽作为封端剂合成出平均尺寸为5.3 nm的Ag₂S。该纳米簇可以在12 h内将PEDV的活性降低99.9%并且对细胞的毒性几乎可以忽略。研究表明,Ag₂S纳米簇可能会通过抑制病毒的RNA合成和病毒出芽来降低PEDV的活性,同时,ISG蛋白与促炎细胞因子在该过程中起着关键作用(如图5)。PEDV是一种冠状病毒,与SARS-CoV-2有着相似的结构和组成,因此,Ag₂S纳米簇的潜在抗病毒机制对抑制新型冠状病毒具有重要的借鉴意义。

银基纳米颗粒的杀菌抗病毒性能大多为释放型机制,效果不够持久。此外,与铜基纳米颗粒相似,银基纳米颗粒也属于重金属一类。银在人体是很难代谢的,会在人体内富集,而当它在体内达到一定剂量时会具有一定的神经毒性和遗传毒性。另外,由于纳米银的表面积远远大于普通的银,因此,其作为抗病毒涂层的材料时,与空气的接触面积非常大,更容易发生氧化反应,使其稳定性难以得到保证。

3.1.1.3 氧化锌(ZnO)

ZnO的使用具有悠久的历史,根据文献记载最早可以追溯到4000年前的古埃及,当时被用于治疗一些细菌引起的疾病。在现代科学中,纳米ZnO因其具有良好的光催化、光化学和杀菌抗病毒等性能而广泛用于多种领域。与其他重金属纳米颗粒相比,纳米ZnO对人体是安全无害的,它可以被用于化妆品或者食品补充剂等日常用品中。此外,通过使用熔融混合、静电纺丝或溶剂浇铸等方法,纳米ZnO与各种聚合物结合制成食品包装,可以有效地提高食品保质期和安全性。纳米ZnO的抗病毒机制比较复杂多样,其与不同种类的病毒的作用机理可能会有所差异。图6展示了一般情况下纳米ZnO的抗病毒机制:通过释放Zn²⁺来干扰病毒复制,包括游离病毒失活、抑制病毒脱壳、病毒基因组转录以及病毒蛋白翻译和多蛋白处理^[24]。另外,纳米ZnO的光催化活性对抑制病毒性能同样具有重要的作用。在特定光源的照射下,纳米ZnO可以通过产生活性氧来破坏质膜,从而导致病毒失活。因此,良好的抗病毒活性与低的细胞毒性使纳米ZnO在抗病毒表面涂层应用中具有广阔的前景。

EI-Megharbel等^[25]合成了一种对新型冠状病毒具有一定抑制作用的纳米ZnO颗粒。通过透射电子显微镜确定该纳米ZnO的直径大约为40~60 nm。在扫描电子显微镜下,纳米ZnO的形貌呈现碎冰状(如图7)。研究结果表明,浓度为526 ng/mL的纳米ZnO对SARS-CoV-2具有较强的抗病毒活性,但是当浓度大于292.2 ng/mL时,对宿主细胞具有一定的毒副作用。为了降低纳米ZnO对宿主细胞的损伤,他们建议对纳米ZnO进行改性,使其与不同的化合物进行结合,这不仅可以有效地固定纳米颗粒,还可以减小颗粒的尺寸,而小尺寸的纳米ZnO意味着更低的细胞毒性和更好的抗病毒活性。而对于纳米ZnO抑制SARS-CoV-2活性的机制,研究者认为可能由于纳米ZnO产生Zn²⁺和各种活性氧,这些物质可以破坏蛋白质、脂膜和核酸,从而导致SARS-CoV-2失活。

考虑到纯纳米ZnO可能会对人体的健康安全产生不利影响,因此,为了使纳米ZnO可以用作日常物品的表面抗病毒防护涂层,降低其细胞毒性势在必行。有研究表明,纳米ZnO的尺寸与其抗病毒性能呈负相关关系,与其细胞毒性则呈正相关关系。为此,Ghaffari等^[26]使用聚乙二醇(PEG)对纳米ZnO的表面进行修饰,以赋予纳米颗粒更高的稳定性、更低的毒性以及可控的抗病毒作用。

经PEG表面改性后,纳米ZnO呈现出良好的分散性(如图8)。研究表明,PEG-ZnO纳米颗粒的最高无毒浓度为200 μg/mL,对H1N1的抑制率为94.6%,而纯纳米ZnO的无毒浓度仅为75 μg/mL,对H1N1的抑制率为52.2%(如图9,10),这说明对纳米ZnO进行表面修饰不仅可以降低细胞毒性还提高了抗病毒能力。PEG的加入降低了纳米ZnO的尺寸,而较小的纳米颗粒具有更好的反应性、更大的表面积与体积比,这可能是抗病毒活性增强的原因。

纳米ZnO虽然有着不错的抗病毒活性和较低的细胞毒性,但由于纳米ZnO具有比表面积大和比表面能大等特点,自身易团聚;另一方面,纳米ZnO表面极性较强,在有机介质中不易均匀分散,这就极大地限制了其性能的发挥。简单地将纳米ZnO添加到聚合物中,虽然可以赋予涂层抗病毒性能,但可能会存在毒副作用较大的缺点。因此,通过对纳米ZnO的表面进行改性是十分必要的,这可以在提高纳米颗粒的分散性和稳定性的同时还有助于发挥其抗病毒活性。与铜基和银基纳米颗粒相比,纳米ZnO要想充分发挥其性能还需要在特定光源的照射下,发生光化学反应,才能进一步提升其抗病毒活性,这也限制了纳米ZnO的应用范围。

3.1.1.4 二氧化钛(TiO₂)

由于TiO₂具有优异的光催化活性,其在抗菌抗病毒方面颇受研究者们的关注。TiO₂吸收UVA光子后,可以催化氧气或水分子发生如下的氧化还原反应,还原反应:O₂ + e^- →

O 2 -

、

O 2 -

+ H+ ⇆ ·O₂H、·O₂H + e^- + H⁺ → H₂O₂,氧化反应:OH^- + H⁺ → ·OH,产生多种活性氧,如羟基自由基、中性氢氧根离子和超氧化阴离子(

O 2 -

)等^[27]。活性氧通过损伤病毒或细菌的膜、蛋白质衣壳或RNA,使TiO₂发挥杀菌抗病毒功能。与其他纳米颗粒相比,TiO₂最大的特点是需要在特定波长的光源照射下才能产生抗病毒效果。此外,TiO₂对人体的毒性几乎是可以忽略不计的,这促使许多研究者对其进行大量的研究。

与普通的纳米TiO₂相比,表面功能化的纳米TiO₂的杀菌、抗病毒活性要更优越。有研究者制备出一种等离子体Ag⁰-TiO₂纳米复合涂层^[28]。该涂层具有良好的光催化效果。在可见光照射下(λ≥ 435 nm),产生的ROS会使蛋白质发生降解或氧化。因此,无论是在潮湿还是干燥的环境下,该涂层对α疱疹病毒都表现出良好的抗病毒活性。

纳米TiO₂对激发光源的波长和强度较为严格,这使得纳米TiO₂的利用效率被大大限制。为此,Nakano等^[29]开发了一种即使在黑暗条件下也具有抗病毒活性的Cu_xO/TiO₂复合材料。该材料能够有效地灭活SARS-CoV-2及其Delta变异株。研究表明,将Cu_xO/TiO₂涂覆在玻璃板上,黑暗条件下,病毒滴度在3 h内降至检测极限;此外,在可见光照射下该涂层的抗病毒性能得到改善,病毒滴度仅在2 h后降至检测极限(图11)。通过研究发现,Cu_xO/TiO₂的抗病毒活性与SARS-CoV-2的刺突蛋白和RNA受到损伤有关。

卓越的光催化活性、极低的细胞毒性以及工业规模生产既简单又便宜等优点,使得纳米TiO₂在理论上成为优秀的抗病毒材料是可行的。然而,与纳米ZnO相似,纳米TiO₂同样需要在特定光源下才能产生抗病毒活性,不同的是,即使没有外加光源,纳米ZnO也可以通过释放Zn²⁺来抑制病毒活性。然而,纳米TiO₂如果没有被光源照射,就难以发挥杀菌抗病毒性能。需要配套特定光源这一不足极大地限制了纳米TiO₂的适用性,为此,目前许多研究者尝试尽可能减少光源的功率、强度以及增加纳米TiO₂的激发波长范围,使其可以被更广泛地应用。

3.1.2 碳基纳米材料

随着新冠肺炎疫情形势日益严峻,迫切需要开发出各种有效且低毒性的抗病毒涂层用于保护世界人民的安全。对人体无毒无害是抗病毒涂层的基本要求之一,但是,目前大多数的抗病毒材料或多或少都具有一定的毒副作用,这限制了它们的实际应用。碳基纳米材料作为一种同时具有良好的生物相容性和优异的抗病毒活性的材料,在抗病毒领域中展示出广阔的前景。表1总结了各种碳基纳米材料的抗病毒研究进展。迄今为止,碳基抗病毒纳米材料主要包括有富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳点等。由于碳基纳米材料的抗病毒性能仍处于初步阶段,因此,其抗病毒机制还在不断研究和完善中,文献中记载的机制主要有:与病毒直接相互作用、光诱导机制、活性氧的生成^[30,31]。

由于碳基纳米材料具有各种优异的物理化学性能,使其在抗病毒领域发挥着重要作用。但是,目前制备碳基纳米材料的成本昂贵、步骤繁杂,并且还可能存在缺陷,影响性能。此外,关于碳基纳米材料的抗病毒机制的理论知识缺乏系统、全面的研究,阻碍了该材料的进一步发展。这些普遍存在的缺点对碳基纳米材料在抗病毒方面的实际应用是一个不小的挑战。因此,需要对制备技术进行改进,以简单高效的方法合成出结构较为完整的碳基纳米材料;同时,完善灭活病毒的作用机理,让理论指导研究,进而推动抗病毒领域的发展。

3.1.3 其他抗病毒纳米材料

上述提到各种抗病毒纳米材料大多数已经得到了不错的研究和发展。除此之外,在抗病毒领域中也有一些比较新型的纳米材料有待开发。

铈(Ce)是一种具有独特性质的金属纳米颗粒。与其他金属纳米材料相比,纳米Ce最显著的优势在于其细胞毒性较小、安全性高。纳米Ce同时具有抗病毒、抗炎、抗菌和抗癌等特性^[36],使得其在生物医学领域中备受关注。关于纳米Ce的抗病毒机制有多种理论解释。一方面,有研究表明,CeO₂可以刺激树突状细胞产生白细胞介素,该物质对调节细胞因子具有重要的意义^[37];另一方面,CeO₂还可以通过抑制ROS来减少对细胞结构的损伤,这有利于炎症期间维持细胞的正常功能^[38]。目前,有多项研究显示纳米Ce及其氧化物具有优异的抗病毒性能。有研究者用Ag改性纳米CeO₂获得了高稳定性的抗病毒制剂,并对OC₄₃冠状病毒和RV14病毒病原体具有特异性的抗病毒活性^[39]。此外,Ce与钼酸盐离子之间存在协同作用,两者组合对SARS-CoV表现出很高的抗病毒活性^[40]。虽然纳米Ce在抗病毒领域是一种优异的材料,但目前关于纳米Ce的研究报道主要集中在抗病毒活性方面,对其抗病毒应用的研究较少。另外,为了获得具有优异性能且生物相容性好的纳米Ce,对其进行可控合成是十分必要的。

纳米材料中,2D MXene具有丰富的表面官能团、卓越的亲水性、出色的光催化和光热性能、优异的表面结构和导电性等优点,在对抗病毒中发挥着重要作用。这些优越的特性使得2D MXene可用于制备口罩、面罩和生物医学仪器等^[41]。当将具有良好亲水性和丰富官能团的2D MXene作为涂层时,其可以捕获病毒并通过与外部刺突蛋白相互作用来灭活或杀死它们^[41]。而2D MXene的高效光热性能则可以通过简单的光热转换使病毒灭活^[42],这种特性可以赋予防护设备自我消毒的功能。随着新冠肺炎疫情越来越严重,针对2D MXene在抗病毒方面的研究在不断完善(表2)。虽然2D MXene材料在十年前已经被发现,但关于其抗病毒方面的研究处于起步阶段。另外,2D Mxene的某些特性容易受外界环境条件的影响,不利于发挥其性能。更重要的是,MXene在金属或聚合物上的附着力较差,使得将其作为涂层会存在容易脱落的缺点。以上这些不足都影响了它的广泛应用及商业化。因此,未来还需对2D MXene在抗病毒方面进行更深入的研究。

2022年,我国研究者研发出一种具有广谱抗新冠病毒的二维CuInP₂S₆ (CIPS)纳米片^[45]。CIPS具有极高的选择性结合能力,通过与SARS-CoV-2及其变异毒株(Delta和Omicron)上的刺突蛋白的受体结合,然后巨噬细胞能够迅速吞噬并消除病毒,从而达到捕获和促进宿主细胞消除病毒的效果。此外,CIPS是一种安全、生物相容性好和可生物降解的二维纳米材料。这些优异的特性使得CIPS有望成为良好的表面涂层或去污剂。

3.2 抗病毒聚合物涂层

聚合物在日常生活中用途十分广泛,其中大多数的物体表面防护涂层就是由聚合物组成的。聚电解质作为一种具有特殊功能的水溶性高分子,其结构单元上含有能电离的基团,根据电离出的电荷可分为聚阳离子型和聚阴离子型。聚阳离子型聚合物能够电离出正电荷,在静电作用下,带负电荷的病毒被吸附到涂层表面,随后破坏病毒的结构,导致RNA从病毒中泄露出来,最终使病毒失活(如图12)^[46]。该类涂层除了具有杀菌抗病毒性能外,还具有良好的耐久性,经过多次冲洗仍可以保持相对稳定的性能。表3是目前主要的抗病毒聚合物涂层的研究进展,其中具有季铵盐基团的聚合物涂层因其优异的杀菌抗病毒功能而备受关注。除了开出新型、有效的抗病毒聚合物涂层外,对聚合物涂层进行改性,以赋予其超疏水性,可使携带着病毒或细菌的水滴难以附着在涂层表面,阻碍了病毒的生存,也是未来进一步提升抗病毒活性的重要策略之一。

4 抗病毒涂层的评价方法

目前,评估抗病毒涂层的方法相对比较统一,通常的评价指标主要包括有抗病毒涂层的抗病毒活性、细胞毒性、最佳的抗病毒剂量以及抗病毒材料

的抑制作用等。抗病毒活性是评价抗病毒涂层性能的最重要指标之一。噬斑测定^[51]和TCID50^[26]是常用的评价涂层抗病毒活性的方法。这两种方法的优点在于成本低、操作简单,但存在耗时较长且检测限较高、重复性较差等问题,这不利于研究的科学性和严谨性。与上述两种方法相比,实时荧光定量PCR^[52]因其高灵敏性、精确性和重复性好等特点,

逐渐成为评价材料抗病毒活性的主要手段。评估抗病毒涂层的细胞毒性是为了确保材料本身不会对人体造成太大的损伤,通常采用的方法是MTT比色法^[26]。它的特点是灵敏度高、经济。此外,通过结合抗病毒活性和细胞毒性的实验结果可以初步得到抗病毒材料的最佳剂量。在评价抗病毒材料的抑制作用方面,间接免疫荧光试验(IFA)和蛋白质印迹法^[53]发挥着重要作用。然而,这些方法存在费时费力且不适合同时处理大量样品的缺点。尽管抗病毒涂层的研发方面取得了显著的成果,但抗病毒涂层的检测方法发展相对较慢,这不利于该领域的全面发展。有研究者开发出一种快速且高度灵敏的方法用于评价抗病毒涂层的杀毒活性(图13)^[54]。该方法是通过测量SeV病毒的荧光素酶活性来评估表面涂层的抗病毒活性。未来,还需要进一步改善抗病毒涂层的评价方法和手段,提高方法适用性、精确性和灵敏性,从而更好地推动抗病毒涂层的发展。

5 抗病毒涂层的加工技术

为了将抗病毒材料及涂层转化为抗病毒产品并应用在实际生活中,需要采用一些制备加工技术,以保护人体免受病毒感染。静电纺丝技术常用于制备出具有抗病毒功能的产品。利用该技术可以将纳米材料固定在聚合物中并加工出相应的抗病毒产品。一方面,该技术可以有效地固定纳米材料,使其不易脱落,更好地发挥抗病毒功能^[21];另一方面,该技术还有助于提高纳米颗粒的分散性和均匀性^[17]。由于其独特的优势,使得静电纺丝技术在加工生产抗病毒防护织物和服装方面发挥着重要的作用。浸涂技术是制备加工抗病毒产品的另一方法。该方法最大的特点是简便,生产效率高并且容易实现涂覆。有研究者通过将口罩浸入到纳米材料的溶液中,使纳米材料均匀地附着在口罩纤维上,从而抵御病毒的感染^[55]。此外,溶剂浇铸法也是一种不错的加工技术。Moreno等^[56]将天然抗病毒剂加入到琼脂或海藻酸盐中,然后利用溶剂浇铸形成抗病毒薄膜并制备出能用于食品包装的抗病毒涂层。抗病毒涂层的制备和加工技术是将科研成果转化为实际应用的重要途径,通过开发更多简单、高效的加工技术,才能制备出更多的抗病毒产品,更切实保障人体的身心健康。

6 抗病毒涂层的实际应用

随着新冠肺炎疫情在全世界范围内越来越严重,迫切需要有效的手段应对病毒传播的问题。由于病毒可以在物体表面存在几小时乃至数天,因此对表面进行消毒是防控疫情的重中之重。消毒剂是一种常用的表面消毒方法,但为了可以有效地杀灭病毒,通常需要定期频繁地使用消毒剂,这种做法十分麻烦且效率低。因此,通过在物体表面涂覆抗病毒涂层,可以持续、高效地抑制病毒活性,从而保护人体身心健康。目前,抗病毒涂层的实际应用主要集中在口罩、织物及其他固体表面。

6.1 抗病毒口罩

在传染病流行期间,口罩对于防止病毒通过飞沫传播十分重要。通常医用防护口罩由三层布料组成,起到过滤有害颗粒的作用。然而,过滤的病原体容易残留在口罩表面会带来潜在的风险。为了能够有效杀灭病毒且提高口罩的防护效果,将抗病毒涂层涂覆在口罩上是一种既经济又简单的方式。Lin等^[57]利用超声压结法制备了石墨烯嵌入碳膜口罩(图14)。该口罩具有良好的超疏水性、光消毒以及可重复使用的特点。在太阳光照射下,口罩温度可以快速达到110 ℃。由于冠状病毒的尖峰蛋白对温度较为敏感,因此该口罩有望帮助解决COVID-19所带来的风险。除了利用光热效应来消毒外,还有研究者对口罩进行修饰以达到抑制病毒活性的效果。Kumar等^[55]采用简单的浸涂技术将Cu@ZIF-8纳米线均匀地覆盖在口罩纤维上(图15)。由于Cu²⁺和Zn²⁺的持续释放,仅需低浓度的纳米线就可以使该口罩具有抗病毒的能力。

6.2 抗病毒织物

面对疫情所带来的风险挑战,除了开发抗病毒防护口罩外,对具有自我消毒功能的织物的研制也是必不可少的。消毒湿巾是日常生活中常用的表面消毒方式。有研究人员利用纳米Ag处理纤维素湿巾,使其可以同时具备杀菌、消毒的功能(图16)^[58]。研究表明,该湿巾对MERS-CoV的抑制率为48.3%,且对多种细菌表现出良好的抗菌活性。此外,他们还将经过纳米Ag处理的棉纱制成冬季毛衣(图17),用以降低感染的风险。与之相似的,Karagoz等^[59]将含有聚甲基丙烯酸甲酯、纳米ZnO和纳米Ag的溶液通过静电纺丝技术制成纳米纤维并整合到防护服上,从而形成一种多功能的织物。该防护服能够杀菌、抗病毒,同时在光催化作用下达到自清洁的效果。

6.3 其他固体表面

日常生活中,无论是在办公室、公共区域、学校还是医院等场所,人们不可避免地接触到各种物体的表面(如玻璃、金属、塑料等),这会增加与病毒接触的可能性。因此,需要对一些常见的固体表面进行处理,以保护人们免受病毒感染。为了开发出一种通用的抗病毒涂层,Tiwary等^[60]以聚乙烯醇(PVA)作为基础涂层,通过添加铜-石墨烯(Cu-Gr)纳米复合材料,从而形成一种透明的抗病毒表面涂层。在铜和石墨烯的协同作用下,该涂层可以干扰病毒的复制过程,并在30 min内灭活病毒。因此,该透明的涂层可应用于面罩、手机屏幕、门把手、医疗器械等固体表面,在不影响物体的外观的前提下使表面具有消毒能力。

尽管抗病毒涂层在个人防护设备和物体表面防护方面的开发取得了不错的进展,但仍有许多问题有待改进,例如缺乏流动性和透气性、温度较难控制以及对病原体灭活效率较低。因此,对抗病毒涂层进行改性并开发出更有效的抗病毒产品至关重要。

7 结论与展望

虽然上述的技术在灭活各种表面上的病毒方面是有效的,但它们仍然存在一些缺点,限制了它们在日常生活中的实际应用。例如,部分抗病毒涂层的普遍适用性较差,对不同类型病毒的作用效果千差万别;纳米材料在大规模生产过程中难以保证尺寸的大小完全一致或存在缺陷,可能导致在涂层中团聚,从而影响抗病毒性能;抗病毒材料的毒性仍是一个较大的问题,细胞毒性和抗病毒活性难以兼容。为了进一步提高抗病毒涂层的实用性并开发出更有效的抗病毒涂层,可以从以下几个方面深入研究:(1)对于纳米材料,应进一步优化合成路线,降低生产成本,保证结构完整、一致,以制备高效、低成本的新型功能涂层,推动抗病毒涂层的商业化;(2)对具有抗病毒或杀病毒性能的纳米颗粒进行功能化修饰,以提高材料在聚合物中的分散性、稳定性以及相容性,最大限度地发挥涂层的抗病毒能力;(3)应设法让纳米颗粒更好地被固定在涂层表面,避免其脱离涂层,从而提高抗病毒涂层的持久性和耐用性;(4)应该注意平衡金属纳米颗粒的抗病毒活性与细胞毒性,在保证对人体无毒无害的情况下,尽可能提高抗病毒性能。

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Received	Published	Revised
2022-09-19	2023-03-24	2022-11-24
Online Date
2023-02-16

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