病毒对宿主细胞具有很强的感染性，长期以来威胁着人类和动植物的生命健康。目前已知有几百种病毒可感染人类，如：重症急性呼吸综合征(SARS)冠状病毒、中东呼吸综合征(MERS)冠状病毒、人类免疫缺陷病毒(HIV)、登革热病毒、埃博拉病毒、甲型流感病毒、乙肝病毒(HBV)等^[1]。由于病毒不断在发生变异，对病毒防治方法的研究总是相对滞后，所以对病毒性疾病的预防和治疗有相当大的难度。发现并应用广谱的灭活病毒物质(材料)可以说是一个最有效的防控措施。

古人早就发现Ag具有消毒杀菌作用。公元前四世纪，亚历山大大帝在长途征战中就用Ag制水壶来储存、净化饮用水和葡萄酒^[2]。古罗马作家Pliny^[3]在他的著作《自然史》中记载：加入Ag矿渣的药膏有治愈作用，尤其对于伤口愈合十分有效。Faraday也曾经做过在Fe中添加Ag的实验^[4]。随着现代科学技术的发展，人们发现，纯金属Ag对于人体细胞和病毒等微生物是无毒而惰性的。但是，在环境中的H₂O和O₂的作用下，位于金属Ag或载Ag材料表面的Ag原子会释放出游离银离子。这些银离子具有极高的生物活性，对于细菌和病毒等微生物有很强的杀灭作用^[5]。自20世纪末以来，随着纳米技术的发展，人们发现纳米Ag也具有很强的灭活病毒能力^[6]。除了释放出游离银离子杀灭病毒以外，纳米Ag还可与病毒表面的蛋白质直接结合来使病毒失活，或者通过破坏病毒的复制和繁殖过程使病毒失去传染性^[7]。因此，纳米Ag的灭活病毒机理与载Ag材料并不完全相同。本文对近年来纳米Ag和载Ag材料在灭活病毒方面的研究和应用概况进行综述，希望对了解和关注该领域发展有所帮助。

纳米Ag是指Ag原子组成的、粒径通常在1~100 nm范围的纳米颗粒、纳米线、纳米团簇等Ag纳米材料。纳米Ag的比表面积极大，具有纳米材料特征性的表面效应，表面原子与总原子数之比随着颗粒尺寸的减小而大幅增加。表面Ag原子由于周围缺少相邻原子，存在许多悬空键，因此具有高度不饱和性，极易与其它物质相结合而趋于稳定，因而纳米Ag的化学反应活性极高。纳米Ag这种高活性的表面结构给病毒提供了大量的接触吸附位点和反应作用点，不仅可以与病毒紧密接触，而且大大提高了与病毒中的蛋白质和核酸等分子发生化学反应的能力^[8]。

纳米Ag的灭活病毒机理还不是十分明了，根据目前国内外的研究成果，可能与以下几种机制有关(见图1)：(1) 纳米Ag释放出来的银离子可以与病毒蛋白质上的巯基(—SH)、氨基(—NH₂)等基团发生反应，使蛋白质失活；或者与病毒核酸上的磷酸基反应，改变核酸的结构，影响病毒遗传信息的转录复制，使病毒无法有效繁殖^[9]。(2) 纳米Ag对病毒有很强的吸附和固定作用，可以与病毒表面某些蛋白质结合，影响病毒与细胞受体的相互作用，从而阻碍病毒与宿主细胞的结合，防止病毒侵入细胞^[10]。例如，纳米Ag与病毒表面蛋白质上的—SH可以形成化学键，相互结合生成—S—Ag复合物，使病毒蛋白质失活，进而使病毒灭活^[11]。(3) 纳米Ag可进入宿主细胞，在细胞内与病毒复制所需的细胞蛋白质发生反应，或直接与组装子代病毒所需的病毒蛋白质相互作用，干扰病毒的繁殖过程^[1]。(4) 纳米Ag可与病毒核酸结合，使病毒脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的结构改变，影响病毒的复制和繁殖，使病毒失去活性^[12]。(5) 氧在纳米Ag表面以O原子的形式被化学吸附，具有极高的氧化活性，因而纳米Ag可作为催化剂将病毒等微生物完全催化氧化，严重破坏病毒的结构^[13]。(6) 纳米Ag的粒径是影响其灭活病毒活性的重要因素，多项研究证实，减小粒径能够大大提高纳米Ag与病毒等微生物的反应活性，也能更有效地释放银离子。因此与浓度和使用剂量相比，纳米Ag的粒径对于其灭活病毒能力的影响更加明显^[14]。对纳米Ag的灭活病毒机理仍需进一步研究。

近年来，国内外对于纳米Ag灭活细菌作用的研究报道较多^{[15,16,17,18]}，各种相应的产品也逐渐投入市场。对于纳米Ag灭活病毒作用的研究报道较少，不过也已逐步展开，某些研究取得了比较可喜的结果。2005年，Elechiguerra等^[7]首次发现粒径在1~10 nm的纳米Ag颗粒可通过与人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)表面类脂膜上的糖蛋白gp120相互作用而附着在HIV-1上。由于gp120糖蛋白通过与宿主细胞的CD4受体结合而介导病毒的下一步反应，因此当HIV-1的gp120蛋白与纳米Ag结合后，HIV-1就不能再与宿主细胞结合了。体外实验进一步证实纳米Ag对HIV-1与宿主细胞的结合产生了明显抑制作用。王云华等^[19]也对纳米Ag灭活HIV活性进行了研究。结果表明，纳米Ag能够有效抑制HIV诱导的细胞病变，还能抑制HIV急性感染细胞中p24灭活原的产生，具有较好的灭活HIV活性。同时也发现纳米Ag的细胞毒性比银离子低1000倍左右，更有利于纳米Ag在灭活病毒防治领域的应用。Lu等^[20]发现粒径约10 nm的纳米Ag与HBV的DNA有较强的结合力，可阻碍病毒遗传物质的转录以及新DNA的形成。通过透射电子显微镜(TEM)还观察到大部分HBV病毒粒子与纳米Ag产生了直接相互作用。Lara等^[9]研究发现，灭活病毒活性依赖于纳米Ag颗粒的尺寸，一般情况下纳米Ag粒径小于25 nm，其灭活病毒活性明显增加。向冬喜等^[21,22]研究了纳米Ag颗粒对H3N2亚型流感病毒的抑制作用和作用机制。通过血凝素价效实验、鸡胚培养实验和神经氨酸酶活性抑制实验发现，纳米Ag可能破坏H3N2病毒表面的血凝素蛋白和神经氨酸酶蛋白。运用细胞培养技术，通过致细胞病变效应(CPE)观察法、噻唑蓝(MTT)比色法和免疫荧光观察法发现，纳米Ag能够明显灭活H3N2病毒，并能有效抑制病毒对犬肾细胞的侵入和侵入后病毒的继续增殖。通过TEM和流式细胞术发现，纳米Ag能抑制H3N2病毒诱导犬肾细胞发生凋亡的作用。逆转录-聚合酶链式反应法(RT-PCR)显示纳米Ag能够干扰H3N2病毒HA基因的扩增，说明纳米Ag可能干扰了病毒遗传物质复制的某个环节。上述研究结果表明，纳米Ag在细胞水平和分子水平上对H3N2流感病毒均具有抑制作用。陈娜娜等^[23]研究了纳米Ag在体外与腺病毒3型(ADV3)的相互作用。通过细胞培养法和免疫荧光法发现，纳米Ag对ADV3有明显的抑制作用。TEM和PCR结果显示，抑制机制可能与纳米Ag直接破坏ADV3病毒粒子，及破坏病毒DNA和病毒衣壳上的蛋白质如五邻体、六邻体蛋白等有关。尹俭俭等^[24]研究了纳米Ag对3型副流感病毒(PIV3)的抑制作用，通过免疫荧光法检测到纳米Ag对PIV3感染犬肾细胞既有预防又有治疗作用(见图2^[24])，利用TEM负染技术观察到纳米Ag可破坏PIV3病毒的形态结构(见图3^[24])，而且纳米Ag还能抑制PIV3的神经氨酸酶活性。李秀景等^[25]研究了纳米Ag对感染H1N1流感病毒的小鼠的治疗作用，通过比较各实验组的小鼠死亡率、肺指数和肺组织病毒滴度等研究纳米Ag的疗效，发现纳米Ag对小鼠流感有明显的治疗作用，其治疗效果与纳米Ag的加入剂量有关。户瑞丽和杨君^[26]发现，在单纯疱疹病毒2 (HSV-2)感染前，或在感染后的早期，加入100 μg/mL的纳米Ag溶液对病毒复制有明显抑制作用，并且该浓度的纳米Ag溶液对细胞毒性很小。Sujitha等^[27]发现，纳米Ag对登革热病毒(DEN-2)有明显的杀灭作用。该研究结果具有重要意义，因为根据世界卫生组织(WHO)的报道，对于登革热还没有确切有效的病原治疗方法^[28]。

除了医学上的潜在应用，纳米Ag在防治动植物病毒上也有良好的效果。杨海艳等^[29]通过半叶接种法实验发现，纳米Ag对烟草花叶病毒(TMV)、黄瓜花叶病毒(CMV)和马铃薯Y病毒(PVY)等烟草病毒的体外抑制效果显著。Lv等^[30]采用免疫荧光法、RT-PCR法、流式细胞术以及免疫印迹法，研究了Ag纳米颗粒和Ag纳米线对猪传染性胃肠炎冠状病毒(TGEV)感染宿主细胞的抑制作用。实验结果表明，Ag纳米颗粒对TGEV的抑制率可达到67.35%，Ag纳米线最高可达58.65%。其作用机制是直接灭活病毒亦或阻断病毒侵入细胞。刘合永等^[31]研究了纳米Ag对家蚕血液型脓病病原家蚕核型多角体病毒(BmNPV)的杀灭作用，用TEM观察到经0.2 mg/L纳米Ag溶液处理24 h后BmNPV多角体的包被蛋白受到破坏，裸露的病毒粒子被纳米Ag进一步杀灭；家蚕4龄幼虫用经过纳米Ag溶液处理的BmNPV多角体悬液添食后，至5龄末期无感染症状，证实了BmNPV的多角体结构被纳米Ag破坏而失去感染活性。

载Ag材料是将Ag与某种载体复合而制备的材料。常见的载Ag材料有载Ag钢铁材料、载Ag陶瓷、载Ag沸石和载Ag高分子材料等。载Ag材料主要通过释放的游离银离子起到灭活病毒的作用。Ag、Cu、Co、Ni等过渡金属离子对于细菌和病毒等微生物均具有很强的灭活作用，机理可能和金属离子可灭活蛋白质及核酸有关^[32]。Samuni等^[33,34]提出了Fenton反应机理(Fenton mechanism)，认为过渡金属离子可以与蛋白质、核酸等生物大分子的特异性位点结合生成复合物，在溶液中存在溶解氧和H₂O₂的条件下，这种复合物会持续不断地发生循环的氧化还原反应，在生物大分子附近生成大量OH·自由基。OH·自由基有强氧化性，对于生物大分子的结构有很强的破坏作用，使得病毒等微生物灭活。

在这些可灭活病毒的过渡金属离子中，银离子因灭活病毒效果强力、持久，热稳定好，对于细胞及组织无明显毒性等优点而得到了广泛的关注^[35]。多种以AgNO₃、磺胺嘧啶银(AgSD)等含有银离子的化合物为有效成分的水剂、霜剂类药物被研发出来，并在临床上得到了应用^[36,37]。除了通过Fenton反应灭活病毒外，银离子与病毒还有以下作用：(1) 银离子可以和病毒核苷酸中磷酸基上的O原子发生化学键合，在磷酸基上产生偶极矩，诱导产生环磷酸苷，同时使得连接2个相邻核苷酸的磷酸二酯键发生断裂，从而使病毒的核酸链发生断裂，影响病毒遗传信息的复制^[38]。(2) 对于DNA病毒，银离子可以在DNA双螺旋结构中形成嘌呤/Ag/嘧啶的化学键，取代相邻的嘌呤与嘧啶之间的氢键，形成一种更稳定的螺旋结构，从而阻碍DNA的解螺旋，使病毒难以有效繁殖^[37,39]。(3) 如果病毒表面的蛋白质上含有—SH，银离子可以与—SH发生不可逆的结合，生成一种稳定的—S—Ag结构，从而导致蛋白质的变性、失活^[40,41]。总而言之，对银离子灭活病毒机理的研究不如对银离子的灭活菌机理研究得广泛系统，仍有许多研究有待进一步深入。

与纳米Ag类似，目前对于载Ag材料灭活细菌的研究和应用已经比较广泛^{[14,42,43,44,45,46,47]}，其中载Ag钢铁据报道具有良好的抗菌性能。Yokota等^[46]开发了含0.042%Ag (质量分数，下同)的奥氏体不锈钢。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌(简称金葡菌)等细菌经过24 h抗菌实验后，该不锈钢样品上的活体细菌数小于10 CFU/mL，对应的抗菌率>99.9%。Chiang等^[48,49]采用真空熔炼法制备了含(0.031%~0.092%)Ag的316不锈钢样品，通过激光扫描共聚焦显微镜结合分子探针技术观察到，在载Ag不锈钢表面，大肠杆菌大量凋亡；而在远离表面的溶液中，大肠杆菌可以正常存活与繁殖。作者认为载Ag不锈钢表面释放出的高浓度银离子对大肠杆菌起到了杀灭作用。Liao等^[50]在304不锈钢中分别添加了0.1%、0.2%和0.3%的Ag，发现含0.2%以上Ag的样品对大肠杆菌和金葡菌具有比较好的抗菌作用。Huang等^[51]在316L不锈钢中分别添加了0.1%、0.2%、0.3%的Ag，发现不加Ag的316L不锈钢没有抗菌性，加Ag的316L不锈钢对大肠杆菌和金葡菌的抗菌性随着Ag加入量的增多而增强，并且对金葡菌的抗菌性比大肠杆菌更强。通过TEM观察到，在载Ag 316L不锈钢表面培养的细菌出现了细胞壁、细胞膜破裂，细胞质泄露等明显的凋亡现象。用TEM的能谱仪(EDS)可以检测出凋亡细菌的细胞膜中含有微量的Ag。作者认为银离子从载Ag 316L不锈钢中释放出来，穿过细菌的细胞膜，起到了杀灭细菌的作用。作者还认为，载Ag不锈钢对金葡菌(属于革兰氏阳性菌)的抗菌作用优于大肠杆菌(属于革兰氏阴性菌)是因为格兰仕阴性菌的细胞壁外膜上的脂多糖结构紧密^[52]，可阻碍银离子进入。Yang等^[53]发现，含0.19%Ag的2205双相不锈钢对大肠杆菌和金葡菌的抗菌率均>99%。虽然目前还没有载Ag不锈钢灭活病毒的研究报道，但从原理上来说，载Ag不锈钢释放出的银离子对病毒具有杀灭作用。本课题组^{[54,55,56,57,58]}基于多年的抗菌材料研究基础，先后研制了Ag合金化马氏体不锈钢，Ag合金化灰口铸铁、纳米Ag珐琅铸铁等载Ag材料，并应用于刀具和锅具等产品中。如纳米Ag珐琅铸铁即是将纳米Ag加入到釉料中，经过配制烧结，在铸铁的表面形成致密的纳米Ag珐琅釉层。由于纳米Ag的加入，填充于釉料颗粒的孔隙，烧结后的釉面致密性得到了提高，展现出超亲水性，渗水、渗油率下降。同时纳米Ag釉层对大肠杆菌、金葡菌的抗菌率大于99%。本课题组研制的Ag合金化马氏体不锈钢等载Ag材料对病毒的杀灭作用正在研究中。

载Ag钢铁的力学性能和耐腐蚀性能也得到了一定的研究。Chiang等^[49]发现，316不锈钢中加入0.031%~0.092%的Ag后，强度和硬度略有下降，而塑性大幅提升。作者认为，载Ag 316不锈钢中有Ag和奥氏体2个相，其中Ag是软化相。作者还发现，载Ag 316不锈钢在含Cl^-介质中的耐腐蚀性低于不加Ag的316不锈钢，并认为这是因为Ag作为第二相破坏了钝化膜的完整性。Huang等^[51]也发现，Ag具有软化效应，加入Ag的316L不锈钢的强度和显微硬度都低于不加Ag的316L不锈钢。不过他们又发现，随着Ag含量从0.1%增加到0.2%，载Ag 316L不锈钢的强度又出现了少量的提高。作者认为这是因为随着Ag含量的增加，会产生沉淀强化或晶粒细化效应^[59,60]，缓和了Ag的软化效应。Xiang等^[61]发现，含0.07%Ag的CD4MCu双相不锈钢随着固溶温度从1050 ℃提高到1100 ℃，强度、硬度和塑性都有所下降，作者认为这是因为γ相的体积分数增加所致；当固溶温度从1100 ℃提高到1150 ℃，γ相和具有软化效应的含Ag相的体积分数都减少，又导致强度和硬度的升高。作者还发现，固溶温度为1150 ℃的样品在3.5%NaCl溶液中具有最好的耐点蚀性能，认为这是因为固溶温度升高促进了含Ag相的溶解，降低了含Ag相的体积分数，从而减轻了含Ag相对钝化膜的破坏。在本课题组开发的Ag合金化灰口铸铁中，Ag在基体中均匀分布，没有观察到Ag原子偏析和含Ag相析出(见图4^[58])。加入Ag等微合金化元素的灰口铸铁的硬度和强度也得到了提高。

除了载Ag不锈钢，目前对于其它载Ag材料灭活病毒的研究报道比较少^[12,13]。Han等^[62]将Ag/Al₂O₃混合物压制成圆片，将SARS病毒、杆状病毒滴在圆片上，在空气中暴露5 min后进行检测，发现SARS病毒在Vero细胞，杆状病毒在Sf9细胞上的毒性相比对照组降低了99.9%以上；经过20 min后，2种病毒已经被完全灭活。冯晏萌等^[63]研究了内镀Ag纤维(即将Ag镀在中空涤纶纤维的内壁)灭活脊髓灰质炎病毒I型的功效，发现在37 ℃、日光灯照射30 min条件下对病毒的灭活率为99.99%，在37 ℃遮光条件下作用30 min灭活率为78.47%。无Ag纤维在日光灯下照射60 min后对病毒无灭活作用。作者认为光照可以提高银离子对病毒的灭活效果。Yang等^[64]制备了载Ag多孔羟基磷灰石陶瓷(PHA-Ag)和不载Ag的多孔羟基磷灰石陶瓷(PHA)，将含有呼肠病毒3型的病毒液用这2种多孔陶瓷分别过滤，然后用病毒滤出液感染Hela细胞来测定残余病毒的毒性，发现PHA-Ag对于病毒的杀灭作用比PHA更强。作者认为从PHA-Ag中释放出来的银离子起到了灭活病毒的作用。Bright等^[65]发现含有3.5%Ag/6.5%Cu (质量分数)混合离子的铝硅酸钠沸石粉对于有包膜结构的人类冠状病毒229E和猫传染性腹膜炎病毒(FIPV)，以及无包膜结构的猫流感病毒F-9都具有极强的灭活作用，说明这种沸石粉具有广谱的灭活病毒能力，未来可考虑应用在各种塑料、涂料和纺织纤维中，有效提高材料的抗病毒能力。

大量研究表明，纳米Ag和银离子对于体外培养的人类和哺乳动物细胞，如肺泡上皮细胞、星形胶质细胞、胚胎干细胞、T细胞等具有很低的毒性^[66]。通常情况下，当银离子的浓度<10 μg/mL，纳米Ag<100 μg/mL时不会导致细胞病变^[45]。

从已经投入临床应用的含Ag药剂的治疗情况来看，Ag中毒的病例很少见，一般只发生在大面积开放伤后应用大量Ag敷料治疗时，少量的Ag不会导致中毒。Ag过敏的病例尚未见报道^[67]。其它的人体临床试验也发现，含Ag药剂对多种疾病具有良好的疗效，而且毒副作用很小。Rendin等^[68]给88个患有胃溃疡的病人经口摄入氧化银胶体，经过9 d以后，有87个病人得到了治愈。Munger等^[69]对60个健康的试验者做了市售纳米Ag的人体经口暴露试验。经过14 d以后，试验者没有发生明显的炎症，新陈代谢、血液和尿液的化验结果都正常，心、肺等主要脏器也没有观察到明显的形态变化。Baral等^[70]发现Ag胶体可缓解囊肿性纤维化的炎症症状。Nakane等^[71]发现，含有10%(质量分数)载Ag沸石成分的喷雾剂对于寄生在人体表皮的细菌有强烈杀灭作用，而人体皮肤对于这种喷雾剂没有任何不良反应。

纳米Ag和载Ag材料的生物安全性对于将来的大规模应用极其重要，尽管已有的研究结果尚未证明Ag会对人体造成损害，但相关研究仍然不够充分，需要进一步大量系统深入的研究和实践去验证。

纳米Ag和载Ag材料不仅对于冠状病毒、流感病毒、肝炎病毒、HIV病毒等几乎所有病毒和微生物具有广谱而强力的杀灭效果，而且具有对人体毒性低，病毒不容易产生耐药性等显著的优点。含Ag的灭活病毒材料也正在得到越来越广泛的关注，相关的理论和实验研究结果为预防、治疗病毒引起的感染和疾病提供了有益的启示。比如在骨科和牙科的灭活感染治疗中，可利用载Ag材料制备灭活感染涂层，不仅可以抑制植入体周围的病毒细菌等微生物的生长，而且可以防止这些微生物在植入体表面的黏附微生物膜的产生；纳米Ag喷雾剂则有可能成为多种呼吸道黏膜感染病毒的“克星”。但由于与Ag有关的诸多生物效应的机制尚不明确，如Ag对病毒的确切杀灭机制；Ag对人体的毒性，如何在最低剂量下达到灭活病毒目的并且不对人体造成损害；载Ag材料在人体内缓释银离子的作用时间，如何控制银离子的缓释等。因此，进一步的深入研究需要加快开展。

利用Ag灭活细菌病毒的作用，本课题组开发了Ag合金化马氏体不锈钢、Ag合金化灰口铸铁材料、纳米Ag珐琅铸铁材料等，应用在人民日常生活用品的厨刀与锅具中。相信随着动物模型的完善和临床试验的不断开展，对Ag灭活病毒机制和生物安全性的研究逐步深入，低毒性且具有良好灭活病毒效果的纳米Ag和载Ag材料(不锈钢、钢铁材料、塑料、陶瓷、织物)在病毒防控工作中将得到广泛的应用。