北京
撰文 / 薛斌（上海海洋大学）
《三体》电视剧中，汪淼教授研发的纳米材料“飞刃”削铁如泥，“审判日”号巨轮驶过时，纳米细线将巨轮切割成几十张薄片，巨轮像一叠纸牌倾倒，令人叹为观止。
被切成片的巨轮 图片来源：《三体》电视剧
实际上，纳米材料不仅能切割巨轮，甚至，连细菌都能切。
既古老又年轻的纳米材料
纳米是长度计量单位，1纳米是十亿分之一米，1根头发的直径约为6万纳米。
在三维空间里至少有一个维度处在1~100纳米范围内的材料，或者由这一类材料作为基本单元组装而成的材料称之为纳米材料，也被叫作超微颗粒材料。
纳米材料是一类古老而新型的材料，说它古老是因为人类历史上很早就在使用纳米材料，比如中国古代制墨时，多用松木烧出烟灰作原料，而墨的松烟就是零维的碳纳米颗粒；说它新是因为科学家们正在用各种先进的新技术制造纳米材料，并且发现了它的许多奇特性质和应用价值。
根据纳米材料的形状特征，可以把它划分为零维、一维、二维和三维等四类。
零维纳米材料包括量子点、纳米球等，金（Au）纳米粒子便属于这个范畴。
一维纳米材料包括纳米棒、纳米管等，典型的例子有碳纳米管。
二维纳米材料包括纳米片，典型的例子是石墨烯。
三维纳米材料通常是由以上低维纳米材料作为构筑单元组装而成，包括海胆形、花球形等，构成贝壳的碳酸钙就属于三维纳米材料。
纳米抗菌材料大盘点
纳米材料由于尺寸极小，产生了许多传统材料并不具备的物理和化学特性，这些特性赋予了纳米材料抗菌的功能。
又由于纳米抗菌材料可以同时作用于多个细胞靶点，让细菌短时间内不会产生显著的突变，从而降低了细菌获得耐药性的机会，体现出了纳米抗菌材料的优越性。
那么纳米抗菌材料是怎样工作的呢？原来，纳米抗菌材料有许多锋利的棱角和边缘，就像一把把“纳米刀”，一旦细菌与之接触，就会被刺破细胞膜，造成内容物流出，进而被杀死。
自然界中，蝉翼表面就存在纳米棒状阵列结构，这些纳米棒就像排列整齐的钢针一样，对附着在上边的细菌有很好的杀灭效果。
纳米抗菌材料与细菌接触后会诱导其细胞产生氧化应激反应，从而使细菌的细胞结构和脂质、蛋白质和DNA等成分被氧化破坏。有些情况下纳米抗菌材料也会使细菌细胞内部产生超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢和单线态分子氧等活性氧物种，这些物质的过度累积会造成细菌细胞的凋亡。
当纳米材料“闯进”医疗领域
纳米材料一方面利用仿生学原理将医疗器械表面进行纳米结构图案化处理，比如仿照鲨鱼、海星、壁虎、鲸的皮肤构造制造纳米尺寸的凸起、凹坑、柱体、沟槽，以防止细菌在其表面黏附，实现对细菌的被动防御。
另一方面可以在医疗器械表面包覆具有杀菌功能的纳米材料，实现对细菌的主动杀灭。这两方面的综合运用，可以有效提高介入性医疗器械在抗感染方面的安全性。
水凝胶是由聚合物“链条”通过物理或化学相互作用交联而成的极易吸收水分的3维多孔网络结构材料。具有高水溶胀性、高透氧性、较好的生物相容性、易于负载可控释药物等特性。
相信伴随着科学家对纳米材料的深入研究，人类会发现越来越多的新型纳米抗菌材料，对纳米抗菌材料的特性产生更全面的认识。未来的纳米抗菌材料会在创伤愈合、组织及器官移植、食品保鲜等多个领域发挥越来越重要的作用。
本文来自《知识就是力量》杂志，原标题《当细菌遭遇纳米材料》，作者薛斌，有删改，原创作品转载请注明来源。
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