综述：抗菌棉纤维复合材料：化学、功能化与生物医学应用

《Carbohydrate Polymers》：Antibacterial functionalization of cellulose and cotton: A comprehensive review of cellulose-based strategies

本文系统综述了棉纤维（COT）的抗菌功能化策略，重点探讨了通过化学修饰（如接枝、交联）将天然提取物、壳聚糖（CTS）、季铵盐（QAS）、卤胺、金属/金属氧化物纳米粒子（MNPs）等抗菌剂共价或非共价固载于棉纤维表面，构建具有持久、高效抗菌活性的复合材料，并详细阐述了其制备方法、抗菌机制及在生物医学领域的应用前景。

　　

1. 引言：棉纤维的抗菌功能化

棉纤维（COT）作为一种天然、可再生、生物相容性优异的纤维素材料，在生物医学领域（如伤口敷料、医用纺织品）具有广阔的应用前景。然而，其亲水性和多孔结构使其极易成为微生物（细菌、真菌）滋生的温床。因此，对棉纤维进行抗菌功能化改性，赋予其抑制或杀灭微生物的能力，是提升其应用价值和安全性的关键。

2. 天然提取物功能化抗菌棉纤维

植物精油和天然染料（如姜黄素、芦荟提取物）因其广谱抗菌活性和生物降解性，常被用作绿色抗菌剂。通过物理吸附或化学交联（如使用柠檬酸（CTA）作为交联剂）的方式，可将这些天然活性成分固载于棉纤维表面，赋予其良好的抗菌性能。

3. 壳聚糖（CTS）功能化抗菌棉纤维

壳聚糖（CTS）是甲壳素的脱乙酰化衍生物，其分子链上的氨基（-NH₂）在酸性条件下质子化为-NH₃⁺，能与带负电荷的细菌细胞膜发生静电吸附，破坏细胞膜结构，导致细胞内容物泄漏而死亡。通过浸渍、涂覆或共价交联（如与柠檬酸（CTA）或丁烷四羧酸（BTCA）反应）等方法，可将壳聚糖牢固地结合在棉纤维上，制备出对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）等常见病原菌具有显著抑制效果的复合材料。

4. 季铵盐（QAS）功能化抗菌棉纤维

季铵盐（QAS）是一类经典的阳离子表面活性剂，具有广谱、高效的抗菌活性。其抗菌机制主要是通过带正电荷的季铵基团吸附于带负电荷的细菌细胞膜，破坏膜结构，导致细胞死亡。通过化学接枝或表面涂覆，可将单体型或双子型（Gemini）季铵盐引入棉纤维，制备出具有持久抗菌活性的棉织物。

5. 光活性抗菌棉纤维

光活性抗菌材料（如蒽醌类染料、苯并菲类衍生物）在光照（如紫外光、可见光）下可产生活性氧（ROS），通过氧化损伤杀死微生物。这类材料通常通过共价键合或物理包埋的方式负载于棉纤维上，其抗菌活性具有光控特性，可实现按需杀菌。

6. 卤胺（Halamine）功能化抗菌棉纤维

卤胺（Halamine）是一类含N-X（X=Cl, Br）键的化合物，具有高效、广谱、可再生的抗菌特性。其抗菌机制是释放活性卤素（Cl⁺或Br⁺），氧化微生物细胞内的巯基（-SH）或氨基（-NH₂），导致酶失活和细胞死亡。通过将含有酰胺或酰亚胺结构的化合物（如海因、三聚氰胺衍生物）接枝到棉纤维上，再经卤化处理（如次氯酸钠漂白）即可制得卤胺功能化棉纤维。其最大优势在于抗菌活性可通过简单的卤化处理进行再生。

7. 硫/硒化合物功能化抗菌棉纤维

硫和硒元素在生物体内具有重要的氧化还原活性。一些含硫（如二硫代氨基甲酸盐DTC）或含硒（如硒纳米颗粒Se NPs）的化合物具有良好的抗菌活性。通过化学反应（如黄原酸化反应）或物理吸附，可将这些化合物引入棉纤维，制备出新型抗菌材料。

8. 硅烷化合物功能化抗菌棉纤维

硅烷偶联剂（如APTES）是一类含有可水解基团（如甲氧基、乙氧基）和有机官能团（如氨基、环氧基）的化合物。其可水解基团可与棉纤维表面的羟基反应，形成牢固的Si-O-C共价键，而有机官能团则可进一步接枝抗菌剂（如抗生素、银纳米粒子）或直接赋予材料疏水、抗菌等性能。

9. 活性染料功能化抗菌棉纤维

活性染料（如氰尿酰氯TCT衍生物）是一类能与纤维素的羟基发生共价结合的染料。利用这一特性，可将含有抗菌基团（如季铵盐、卤胺）的活性染料分子共价固载于棉纤维上，实现染色与抗菌功能一体化。

10. 金属/金属氧化物功能化抗菌棉纤维

金属（如银Ag、铜Cu、锌Zn）及其氧化物（如氧化锌ZnO、二氧化钛TiO₂）纳米粒子具有优异的抗菌性能，是应用最广泛的抗菌剂之一。其抗菌机制多样，包括金属离子释放、活性氧（ROS）产生、膜损伤等。通过原位合成、化学还原、物理沉积等方法，可将这些纳米粒子负载于棉纤维表面，制备出高效、耐久的抗菌棉织物。

10.1 银（Ag）基抗菌棉纤维

银及其化合物（如AgCl、Ag₂O）具有极强的抗菌活性。通过化学还原法（如使用硼氢化钠NaBH₄、葡萄糖等还原剂）、光还原法或物理沉积法，可将银纳米粒子（Ag NPs）负载于棉纤维上。银离子（Ag⁺）能破坏细菌细胞膜，并与细胞内蛋白质的巯基结合，导致蛋白质变性，从而杀死细菌。

10.2 铜（Cu）基抗菌棉纤维

铜及其氧化物（如CuO、Cu₂O）同样具有广谱抗菌活性。铜离子（Cu²⁺）能产生活性氧（ROS），并干扰细菌的呼吸链和DNA复制。通过浸渍-还原、水热合成等方法，可将铜纳米粒子或铜氧化物负载于棉纤维上，制备出对多种细菌（包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA）具有显著杀灭效果的复合材料。

10.3 氧化锌（ZnO）基抗菌棉纤维

氧化锌（ZnO）纳米粒子在光照下可产生活性氧（ROS），在黑暗中也能通过释放锌离子（Zn²⁺）破坏细菌细胞膜。通过溶胶-凝胶法、水热法或直接沉积法，可将ZnO纳米粒子固载于棉纤维上，赋予其优异的抗菌和抗紫外线性能。

10.4 二氧化钛（TiO₂）基抗菌棉纤维

二氧化钛（TiO₂）是一种光催化剂，在紫外光照射下可产生活性氧（ROS），对细菌、病毒和真菌均有杀灭作用。通过溶胶-凝胶法、水热法或涂覆法，可将TiO₂纳米粒子负载于棉纤维上，制备出具有自清洁和抗菌功能的智能纺织品。

10.5 其他金属/金属氧化物基抗菌棉纤维

除了上述金属外，铁（Fe）、铈（Ce）、金（Au）等金属及其氧化物也被用于棉纤维的抗菌功能化。例如，氧化铁（Fe₂O₃）纳米粒子可通过磁控溅射法负载于棉纤维上；二氧化铈（CeO₂）纳米粒子可通过溶胶-凝胶法引入；金（Au）纳米粒子可通过化学还原法沉积，这些材料均展现出良好的抗菌应用潜力。

11. 总结与展望

棉纤维的抗菌功能化是一个多学科交叉的研究领域。通过化学修饰，可将多种具有不同抗菌机制的活性物质（从天然提取物到合成高分子，从有机小分子到无机纳米粒子）引入棉纤维，构建出性能各异、功能多样的抗菌材料。这些材料在医用敷料、防护服装、卫生用品等领域具有巨大的应用价值。未来的研究将更加注重材料的生物安全性、耐久性、多功能集成（如抗菌-止血-促愈合一体化）以及绿色可持续的制备工艺。