Hebei Messi Biology Co., Ltd. gab an, dass Nanomagnesiumoxid zu einem neuen funktionellen anorganischen Material geworden sei, da es viele optische, elektrische, magnetische, thermische, chemische und mechanische Eigenschaften habe, die sich von denen gewöhnlichen Magnesiumoxids unterschieden. Insbesondere im Bereich antibakterieller Materialien, die eng mit dem Überleben und der Gesundheit des Menschen verbunden sind, hat es einzigartige Vorteile gezeigt, wie etwa eine lang anhaltende und breitbandige antibakterielle Wirkung, niedrige Kosten, keine leichte Verfärbung und keine biologische Toxizität.
1. Wie bekämpft Nano-Magnesiumoxid Bakterien?
Das richtige Verständnis des antibakteriellen Mechanismus von Magnesiumoxid ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der antibakteriellen Aktivität von Materialien. Magnesiumoxid hat zwei hauptsächliche antibakterielle Wirkungsmechanismen: oxidative Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies und mechanische Schäden durch Adsorption.
① Oxidativer Schaden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS)
Bei der Untersuchung von Keramikpulvern wurde der oxidative Schädigungsmechanismus von Magnesiumoxid durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) vorgeschlagen, d. h. die Sauerstoffleerstellen auf der Oberfläche von Nanomagnesiumoxid können die Einelektronen-Reduktionsreaktion von gelöstem Sauerstoff in Wasser katalysieren, wodurch Superoxidanionenradikale O2– entstehen. Da O2– stark oxidierende Eigenschaften hat, kann es die Proteinpeptidketten der bakteriellen Zellmembranwände zerstören und so die Bakterien schnell abtöten.
Magnesiumoxid lässt sich in wässriger Lösung leicht hydratisieren und bildet Magnesiumhydroxid, das die Oberfläche der Partikel mit einer OH-Schicht überzieht und sie alkalisch macht. In einer alkalischen Umgebung verfügt O2- über eine hohe chemische Stabilität und bakterizide Wirkung. Im Vergleich zu massivem Magnesiumoxid weist Nanomagnesiumoxid eine größere spezifische Oberfläche und mehr Sauerstoffdefekte an der Oberfläche auf. Es lässt sich leicht zu Magnesiumhydroxid hydratisieren und kann große Mengen O2– produzieren, wodurch es eine starke bakterizide Wirkung hat. Studien haben gezeigt, dass Magnesiumhydroxid, das durch die Hydratisierung von Magnesiumoxid entsteht, den pH-Wert der Lösung auf etwa 10,5 erhöht, während die bakterizide Wirkung einer wässrigen Natriumhydroxidlösung mit demselben pH-Wert auf Escherichia coli (E. coli) und Staphylococcus aureus (S. aureus) nicht so gut ist wie die von Nanomagnesiumoxid, was darauf hindeutet, dass eine einfache Erhöhung des pH-Werts nicht zur Verbesserung der antibakteriellen Eigenschaften beitragen kann.
Der oxidative Schadensmechanismus durch ROS ist den meisten Forschern bekannt. Bei der Herstellung antibakterieller Materialien aus Nanomagnesiumoxid kann deren antibakterielle Wirkung durch Freilegen der an aktivem Sauerstoff reichen (111)-Kristallebene auf der Oberfläche verbessert werden. Durch Dotierung können die Defekte auf der Oberfläche von Magnesiumoxid vergrößert werden, um mehr Sauerstoffleerstellen zu erzeugen. Alternativ können die antibakteriellen Eigenschaften des Materials durch die Zugabe verschiedener antibakterieller Komponenten verbessert werden.
② Mechanische Schäden durch Adsorption
Auf der Oberfläche von Nanomagnesiumoxid gibt es eine große Anzahl aktiver Stellen, darunter kristallgebundene Hydroxylgruppen, freie Hydroxylgruppen und Ionenlöcher, die als Adsorptions- und Oberflächenreaktionszentren dienen können. Neben oxidativen Schäden durch ROS kann die antibakterielle Wirkung von Nanomagnesiumoxid auch durch die Adsorption von Partikeln an Mikroorganismen verursacht werden, was zu Zellmembranschäden führen kann. Darüber hinaus wird die antibakterielle Wirkung mit abnehmender Partikelgröße besser.
Auch ohne ROS besitzt Nanomagnesiumoxid starke antibakterielle Eigenschaften gegen E. coli. Der Tod der Bakterien dürfte eher auf die Veränderung des pH-Werts der Zellmembran und die Freisetzung von Mg2+ beim Kontakt mit Nanomagnesiumoxid zurückzuführen sein, was zum Bruch der Zellmembran führt, als auf eine Lipidperoxidation. Die elektronendichten schwarzen Flecken, die entstehen, nachdem die Bakterien mit Nanomagnesiumoxid beaufschlagt wurden, weisen darauf hin, dass dieses die Zellmembran oder Zellwand durchdringen und in die Zelle gelangen kann. Je kleiner die Magnesiumoxidpartikelgröße, desto mehr elektronendichte schwarze Flecken gibt es im Zytoplasma und desto höher ist die antibakterielle Aktivität. Die Studie ergab außerdem, dass amorphes Nanomagnesiumoxid keine bakterizide Wirkung hat.
Die Form von E. coli war sichtbar verzerrt und seine Zellwand und Zellmembran waren beschädigt.
Der mechanische Schädigungsmechanismus der Adsorption ist eine Ergänzung zum oxidativen Schädigungsmechanismus reaktiver Sauerstoffspezies. Dies erklärt nicht nur, warum Magnesiumoxid auch in Abwesenheit von ROS noch gute antibakterielle Eigenschaften besitzt, sondern bestätigt auch den Mechanismus, dass die antibakterielle Eigenschaft umso höher ist, je kleiner die Partikelgröße von Nanomagnesiumoxid ist. Daher kann die antibakterielle Eigenschaft von Magnesiumoxid durch Verringerung der Partikelgröße des Magnesiumoxids, Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, Verbesserung der Adsorptionswirkung usw. verbessert werden.
2. Wie kommen die antibakteriellen Eigenschaften von Nanomagnesiumoxid zum Vorschein?
Derzeit gibt es zwei Hauptentwicklungspfade für antibakterielle Materialien auf Magnesiumoxidbasis: Einer besteht darin, die antibakteriellen Eigenschaften von Nanomagnesiumoxid durch Kontrolle der Partikelgröße, der morphologischen Eigenschaften usw. zu verbessern, beispielsweise durch flockiges Nanomagnesiumoxidpulver, das starke antibakterielle und bakterizide Eigenschaften gegen Anthrax, Staphylokokken und Escherichia coli aufweist; Die andere besteht darin, neue antibakterielle Verbundmaterialien zu entwickeln, indem Magnesiumoxid mit anderen antibakteriellen Materialien wie Aktivkohle/Magnesiumoxid, Metalloxid/Magnesiumoxid und Chlor, Brom/Magnesiumoxid usw. kombiniert wird.
Anwendungstechnisch gibt es vor allem folgende:
1. Durch die Verwendung von Farbe als Träger und die Zugabe von 2–5 % Nanomagnesiumoxid werden die antibakteriellen, flammhemmenden und hydrophoben Eigenschaften der Farbe verbessert.
2. Durch die Zugabe von Nanomagnesiumoxid zu Kunststoffen können die antibakterielle Wirkung und die Festigkeit von Kunststoffprodukten verbessert werden.
3. Durch das Aufsprühen und Sintern der Keramikoberfläche werden die Glätte und die antibakteriellen Eigenschaften der Keramikoberfläche verbessert.
④ Durch die Zugabe von Nanomagnesiumoxid zu den Gewebefasern können die Flammhemmung, die antibakteriellen Eigenschaften, die Hydrophobie und die Verschleißfestigkeit des Gewebes verbessert werden, wodurch das Problem der Bakterien- und Fleckenerosion auf Textilien gelöst wird.
Darüber hinaus wurde unter Verwendung von Nanomagnesiumoxid ein antibakterieller Wirkstoff (Konservierungsmittel) erfunden, der in sauren Getränken verwendet werden kann. Es ist ungiftig und hat eine gute antibakterielle Wirksamkeit gegen häufige Getränkemikroorganismen, insbesondere gegen tropische Candida albicans in sauren Getränken. Die Herstellungsmethode ist einfach und für die industrielle Produktion geeignet. Vielleicht werden wir in naher Zukunft Nanomagnesiumoxid in Lebensmittelformeln sehen.