郭聰榮／臺北醫學大學奈米醫學工程研究所
抗生素抗藥性細菌的出現，使細菌感染被認為是現今對人類最大的威脅之一。近來，具有優異結構和光學特性的奈米材料，被廣泛地應用於抗菌上。許多研究證明，不同尺寸、形狀和組成的奈米材料，因有好的生物相容性、容易表面修飾和大的表面積，成為有潛力的抗菌劑。在本文中，奈米材料依照抗菌機制不同來分類說明。根據抗菌機制，奈米材料抗菌方式可分為四類，包含物理性接觸破壞殺菌、氧化壓力抗菌、光誘導抗菌效應和金屬離子抗菌。這四種不同抗菌機制的奈米材料，本文有詳細的舉例說明。最後，對於抗菌奈米材料，未來在基礎研究和臨床應用上的發展，相關的挑戰和建議則闡述於結論中。
【內文精選】
前 言
根據Lord Jim O’Neill受英國政府委託的報告顯示，在2050年時，人類因感染 具有抗生素抗藥性(AMR)的細菌、病毒、真菌和寄生蟲而死亡的人數，估計每年約為一千萬人（圖一）。抗生素是非常重要的藥物，因為抗生素可以有效地治療細菌感染，降低人類因細菌感染的死亡率。然而，現在人類對抗生素產生相當大的依賴性與迷思，因而不斷濫用抗生素，而導致目前全世界都需要面對的共同危機—具備抗藥性的細菌越來越多了！更甚者，出現了「多重抗藥菌」的超級細菌，能同時對三種或三種以上的抗生素產生抗藥性。國家衛生研究院在2018年統計，近年台灣住院病人的抗生素藥費，每年可達100億元。其中，用於治療抗藥性細菌的廣效抗生素約占7成費用。抗藥性細菌已經造成全球龐大的經濟與醫療負擔，開發新型態的抗生素，已經是現今醫療最重要的課題之一。多樣化的奈米材料(Nanomaterials) 已經被廣泛地研究並證明具備優異的抗菌效果。本文將就目前奈米材料在抗菌的應用中，依據奈米材料不同的抗菌機制(Antibacterial Mechanism)，作一系列的介紹。
圖一、2050年因各種疾病而導致死亡的預估人數
物理性接觸破壞殺菌(Physical Contact Destruction)
細胞壁或細胞膜是所有細菌必不可少的部分，具有維持細菌的形態、調節滲透壓和避免感染的功能。許多研究證實，具有尖銳結構的奈米材料抑或稱為奈米刀 (Nanoknives)，其鋒利邊緣可以在物理接觸的過程中，破壞細菌細胞膜的完整性。而導致細菌內的核糖核酸(RNA)、去氧核糖核酸(DNA)、磷脂和蛋白質釋出，進而造成細菌死亡。許多奈米材料，例如：石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢、三氧化鉬、二氧化釕、二氧化錳、硒化鉍和金奈米粒子等，都已經被證明可以物理性接觸殺菌。
1. 垂直排列奈米材料物理性接觸殺菌
奈米層片與細菌之間的直接相互作用會引起形態變化，並會導致細菌死亡。更進一步，將垂直排列的二氧化錳奈米層片和枯草芽孢桿菌一起培養，結果顯示暴露於垂直排列的二氧化錳奈米層片下的枯草芽孢桿菌有更明顯的形態變化。細菌形態變化增加可能是因為作為奈米刀的二氧化錳奈米層片能夠和細菌有更好的物理性接觸，導致枯草芽孢桿菌的死亡，機制如圖二所示。
圖二、(a)革蘭氏陰性菌(Gram-)和革蘭氏陽性菌(Gram+)的細菌細胞壁構造（CM為細胞膜、PM為肽 聚醣膜、OM為細菌外膜）；(b)細菌表面與垂直排列的奈米層片鋒利邊緣直接物理性接觸示意圖
氧化壓力抗菌(Oxidative Stress Antibacterial)
氧化壓力是活性氧自由基的生成和抗氧化劑防禦二者失衡的結果，很多疾病歸 因於氧化壓力失衡所導致的。在細胞中，氧化壓力會造成細胞內訊息傳遞混亂、破壞細胞膜、阻礙細胞離子溝通、引起細胞膜脂質過氧化和影響細胞內所有含巰基的分子，包括蛋白質、去氧核糖核酸等皆會受到影響。同樣地，氧化壓力會阻礙細菌的新陳代謝，並不斷地破壞細胞的基本功能，導致細菌失活，並最終殺死細菌。因此，氧化壓力的產生是被廣泛接受的抗菌方法之一。通常，氧化壓力抗菌機制中，奈米材料會引發活性含氧物(ROS)的產生，常見的活性含氧物有氫氧自由基(Hydroxyl Radical)、超氧陰離子(Superoxide Anion)和過氧化氫(Hydrogen Peroxide)。利用產生這些活性含氧物而達到抗菌的效果。以下將介紹幾個常見的奈米材料經由改變氧化壓力而達到抗菌效果。
光誘導抗菌效應(Photo-induced Antibacterial Effects)
由於獨特的物理和化學特性，奈米材料被證實可作為光誘導抗菌劑。光誘導抗菌 劑主要利用奈米材料為光敏劑。奈米材料光敏劑吸收光之後，再轉變成熱或是產生活性含氧物，而達到抗菌的效果。由於光誘導奈米材料抗菌的方法，具有非侵入性、標靶治療和最少副作用等優點，因此被認為是一種有前途的抗菌機制。接下來，我們將介紹使用奈米材料為光敏劑的抗菌原理…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》414期，更多資料請見下方附檔。