微生物在适宜的条件下能够快速、大量地繁殖，它们分布广泛并且肉眼无法捕捉。某些微生物的存在会引起物品的腐烂、变质，有些则会导致伤口感染甚至威胁人类的生命[1]。目前人们的生活水平和生活质量虽然在不断地提高，但是各种各样的致病微生物依然存在，对人类的威胁并没有降低，所以亟需研发能够有效减少或阻止细菌滋生及传播的药物和抗菌材料[2]。无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂研究较为广泛，无机抗菌剂可与细菌中的活性组分发生反应，导致酶蛋白沉淀或失活，但无机抗菌剂容易氧化变色、不耐氯、持久性差；有机抗菌剂可与细胞膜表面的阴离子相结合，使得菌体的蛋白质变性从而失活，但有机抗菌剂毒性强、耐热性差、易分解；天然抗菌剂可以穿透细菌的细胞壁，破坏DNA与核糖核酸(RNA)的相互作用，阻碍细菌的繁殖，但天然抗菌剂加工困难、有效期短[3]。因此，具有高效无毒特性的有机多孔光催化抗菌剂将成为今后抗菌领域的研究重点[4]。

近几十年来，人们致力于开发新型高效的抗菌技术，已经采用了多种方法以防止细菌菌落的形成或在接触时直接杀死细菌，包括使用银离子、抗生素或纳米结构金属氧化物(如TiO2和ZnO)消灭细菌[5]。但是随着细菌抗药性的逐渐增强，人们急需寻找不易产生抗药性的抗菌方法[6]。光催化技术成为一种非常有效的替代方案，其主要由三个步骤组成：光吸收与激发、电荷分离和表面反应。催化剂在可见光照射下，可形成活性氧物种(ROS),如单线态氧(1O2)[7,8,9]。宽带隙无机半导体材料只能吸收太阳光谱中4%的紫外光，导致抗菌效率较低。因此，开发具有合适能带结构和可见光耐受性的光催化剂是光催化研究的关键所在。

多孔材料的发展经历了从传统的无机多孔材料(如：分子筛[10])到有机-无机杂化多孔材料(如：有机介孔材料(PMO)[11]、金属有机框架(MOF)[12]等),再到近年来研究兴起的有机多孔材料(如共轭微孔聚合物(CMP)[13,14]、共价有机骨架(COF)[15,16,17]等)。有机多孔聚合物(POPs)因其光吸收范围广、比表面积大、制备工艺简单等优点成为光催化研究的重要内容[18,19,20,21]。依据孔径大小，可以将多孔材料分为三类：孔径>50nm的为大孔材料，孔径在2～50nm之间的为介孔材料，孔径<2nm的为微孔材料。有机多孔材料相比传统无机多孔材料的优势[22,23,24]主要体现在：有机多孔材料大多是由一些较轻的化学元素组成(如：碳、氮、氧、氢等)[25,26,27,28,29];有机多孔材料通常采用共价键连接，使材料的稳定性大大增强[30,31,32,33,34]。

在有机多孔聚合物材料(POPs)的制备过程中，通过调节不同的单体和结构单元，可以得到不同带隙的聚合物，从而赋予其较宽的可见光吸收范围。POPs在可见光照射下，电子会被激发，形成活性氧物种(ROS),它们可参与降解矿化有机物以及生物灭菌。根据目前的报道，POPs的光催化抗菌效率非常高，并且对环境无污染，已经成为光催化抗菌领域中非常突出的材料。

1、有机多孔材料的光催化抗菌机理

在制备有机多孔材料时，通过选择合适的单体可以改变其共轭结构，进而在分子水平上设计不同的带隙和能级。禁带宽度可以调节有机多孔聚合物的可见光吸收范围，赋予其优异的光催化性能，使有机多孔材料可用于在可见光照射下水中污染物的降解与去除[35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]。光催化降解有机污染物与光催化抗菌具有相似的机理，因此，有机多孔材料的光催化抗菌性能正逐渐引起人们的重视。

活性氧物种(ROS)是指具有高度正氧化还原电位的分子和活性中间体(起到氧化剂的作用),通过攻击不同的靶标来发挥抗菌性能，绝大多数活性氧是由分子氧的部分还原所形成[45]。三种主要的活性氧物种包括超氧阴离子(·O-2)、羟基自由基(·OH)和单线态氧(1O2),它们具有超强的光氧化还原性能，几乎可以破坏所有类型的生物分子(蛋白质、脂质、核酸)并杀死细胞。如图1所示，抗菌材料在可见光照射后，形成了光生电子和空穴，具有强氧化性的价带空穴，可将体系中的水氧化产生羟基自由基(·OH),同时，可还原吸附在催化剂表面的氧气，使其转化为超氧阴离子·O-2,单线态氧1O2等氧化能力较强的活性氧物种。它们与细胞壁直接接触，破坏其细胞质膜，使细胞内物质流失和有机含量的矿化，最终导致细胞死亡，从而杀死细菌[46,47,48,49,50]。如图2所示，未接触抗菌剂的细胞完好无损，并保持了其外膜结构，在与抗菌剂接触后，细胞失去了细胞完整性，变得细长而粗糙，表明细胞损伤或死亡是不可逆的(图2)。

截至目前，有机多孔材料的光催化抗菌机理绝大多数为：在可见光照射下生成的ROS与细菌的细胞壁直接接触，破坏其细胞壁，使细胞内有机物质矿化，从而导致细菌失活；还有少部分是通过在聚合物结构中引入具有抗菌活性的官能团，它们与细菌细胞接触后破坏细菌的完整性，从而发生细胞损伤或死亡。

2、有机多孔材料的光催化抗菌性能

2.1 共轭微孔聚合物(CMPs)抗菌剂

共轭微孔聚合物是一类由全共轭分子链构筑，具有三维网络骨架、自具微孔结构且孔径<2nm的有机多孔材料。共轭单元的刚性和成键方式导致其骨架能有效地支撑起微孔通道，因此，共轭微孔聚合物既拥有某些共轭聚合物的光电性质，又能够提供稳定的多孔性；同时，还具有功能调控、稳定性高、制备路径简单等特点。共轭微孔聚合物在气体吸附、异相催化、生物医学、光催化等诸多领域取得了重要应用。由于共轭微孔聚合物具有较强的可见光吸收能力和可见光照射下生成ROS的能力，在光催化抗菌领域展现出了广阔的应用前景。

2016年，Ma等[51]51]报道了一系列共轭微孔聚合物纳米颗粒(CMPNPs),CMPNPs可用于可见光促进的光动力学抗菌(Eq.1)。将苯并噻二唑单元(BT)引入到纯有机聚合物骨架中，以改善活性氧物种的生成能力，研究了在可见光照射下对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抗菌效果，在光照120min时，大肠杆菌的死亡率达到了95%,枯草芽孢杆菌的死亡率达到了97%。

2016年，Hynek等[52]52]报道了一种卟啉基共轭微孔聚合物抗菌材料(图3),可最大程度提高单线态氧(1O2)的产量，新制备CMPs的1O2产量明显高于MOF的1O2产量，且在有机溶剂中稳定性能很好。

2017年，Wang等[53]53]报道了一种将海因基团引入三维共轭微孔聚合物网络骨架来制备抗菌剂的方法(图4)。当抗菌剂分散浓度为100mg/L时，120min即可完全抑制大肠杆菌的生长。此抗菌剂还可以负载在滤纸、布料和海绵等各种多孔基质的表面，制备各种低成本的抗菌剂，在光照120min时，大肠杆菌的致死率达到了100%,金黄色葡萄球菌的致死率达到了80%。

2018年，Wu等[54]54]报道了一种将S,N杂原子引入到π扩展的1,10-菲咯啉骨架中制备共轭微孔聚合物抗菌剂的方法(图5)。具有多个邻菲咯啉中心的多相多孔网络有利于银纳米颗粒的负载和形成，这是首次采用共轭微孔聚合物负载银纳米颗粒进行抗菌应用的研究(12h内大肠杆菌的致死率为100%)。

2018年，Jiang等[55]55]报道了一类新型可见光活性水凝胶纳米纤维膜(图6),首先在乳液中合成共轭微孔聚合物纳米粒子，然后通过胶体静电纺丝将其包埋在聚乙烯醇(PVA)水凝胶纳米纤维中，用于伤口的涂敷消毒，在光照120min时，大肠杆菌的致死率为100%;在光照60min时，枯草芽孢杆菌的致死率为100%。

2020年，Lei等[56]56]通过Sonogashira交叉耦合缩合反应合成了以三氯异氰尿酸和乙炔为构块的新型共轭微孔聚合物(Scheme1),作为高效抗菌材料，2h内可完全抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长，在光照60min时，大肠杆菌的致死率为99.9%,金黄色葡萄球菌的致死率为99.9%。

目前已报道用于光催化抗菌的共轭微孔聚合物及其抗菌性能，绝大多数抗菌活性物种为1O2,当活细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等)与抗菌剂接触时，细胞膜的通透性会发生变化，从而导致细菌死亡，并且细菌死亡率非常高，说明共轭微孔聚合物是一种优良的光催化抗菌剂，可以在短时间内抑制多种细菌的生长。

2.2 共价有机骨架(COFs)抗菌剂

共价有机骨架是一种通过可逆反应缩合形成的多孔晶态聚合物，骨架之间有很强的共价作用力，并且完全由碳、氮、氧、氢等轻质元素组成，因此具有较高的热稳定性、极低的密度、良好的结构裁剪性等优势。COFs是具有有序结构的微孔聚合物，能够精确引入分子识别或催化点，从而控制表面的化学性质，因此其在气体吸附与储存、光电催化、生物医学等领域应用广泛。

2018年，Hynek等[57]57]采用席夫碱化学方法合成了具有三维的菱形结构的卟啉基共价有机骨架(COF,图7),COF在可见光照射下能有效地产生1O2,对铜绿假单胞菌和粪肠球菌生物有很强的抑菌作用，COF具有较高的光稳定性和较宽的光谱效率。

Dong等[58]58]通过在纳米2D共轭有机骨架材料的键合缺陷位置共价接枝波菲单体，开发了一种基于纳米(BODIPY110Nm)COF的光敏剂(图8)。在绿光的存在下，这种基于纳米COF的光敏剂在肿瘤MCF7中与相应的裸露光敏剂相比，显示出更高的治疗效率和更好的治疗效果。

利用纳米2DCOF的有序孔作为光敏剂分子分散的平台，通过防止π-π相互作用自聚集所引起的猝灭，最终可以提高光动力学效率。Gan等[59]59]已经证明，由负载在结构中的吲哚青绿(光敏剂)制备的2D材料与其他光敏剂相比，表现出更高的光动力学效率。

Zhang等[60]60]开发了一种基于2DCOF的光敏剂(即COF-909),这种光敏剂是由PDT中不活跃的分子单元合成的，编号为L-3N(图9)。当晶体框架形成后，L-3N在COF-909中的带隙从2.79eV降至1.96eV,使其能够在630nm处进行光激发，在氧气存在下产生ROS。COF-909的高孔隙率有助于通过将光电子(由光激发产生)转移到孔隙环境中的氧气来生成ROS,而且还有助于提高氧气或ROS的光动力学性能，并证明了COF-909在体外对CT-26结肠癌细胞具有高度的光毒性，当用50μg/mL的COF-909光照射150s时，结肠癌细胞致死率为80%。

Qu等[61]61]通过溶剂介导剥离基于卟啉的COF,开发了一种聚乙二醇化的COF纳米点(宽度为4nm,厚度为3nm)。研究表明，聚乙二醇化的COF纳米点在638nm激光照射下产生大量的ROS。然而，基于COF的纳米点与相应的物质之间的体内毒性[或光动力效率(PDT)]的信息没见报道，初步推测光动力抗癌效率取决于光敏剂的比表面积和靶组织介导的EPR电子顺磁共振效应。

Mi等[62]62]通过原位反应开发了一种含有自由基-阳离子的2DCOF,该方法可以通过层间π-电子耦合使自由基单轴堆积，形成阳离子π-自由基的柱状阵列，研究表明聚乙二醇功能化水分散剂在近红外光谱中表现出显著的吸收性能。

无机纳米颗粒为基础的光敏剂与纳米尺度的2DCOF相结合用于肿瘤的联合光疗也在探索中。Pang等[63]63]报道了两种纳米复合材料，即聚乙二醇基化的COF-LZU-1-Cuse[63]63]和从胺基二维COF衍生的透明质酸官能化COF-LZU-1-Ag2Se[64]64],探讨了它们对抗肿瘤细胞的功效，其能够实现组合光疗和光声成像，从而在小鼠乳腺癌模型中产生显著的肿瘤生长抑制。

总体而言，关于COFs在药物传递和光催化抗菌方面仍处于起步阶段，目前，生物相容性聚合物、脂质体和无机纳米颗粒作为潜在的药物载体已被广泛研究。然而，载药效率不理想、药物释放过程不可预测可能是限制COFs光动力疗效的主要原因。但是其结构的可调性和优异的光催化活性令人印象深刻，预示着它们未来有望成为优良的光催化抗菌剂和抗菌药物载体。

2.3 其他有机多孔聚合物

有机多孔聚合物还包括超交联微孔聚合物(HCPs)和自具微孔聚合物(PIMs),截至目前并没有它们用于光催化抗菌的报道。HCPs是通过密集的交联来阻止高分子链的紧密堆积而形成的微孔高分子材料，但是交联反应发生的随机性得到的聚合物网络通常没有规整的结构，可能会导致其ROS产量过低或没有ROS生成，从而影响光催化性能，大大限制了超交联聚合物材料的实际应用。PIMs是通过刚性或者扭转的分子结构形成的微孔材料，但是其结构的可加工性较差，很难对其功能进行精准控制，从而限制了其在光催化领域的应用。在光催化抗菌领域中，对于HCPs未来的研究方向，应寻找新的合成方法制备具有规整结构的聚合物，对于PIMs来说，应探索能够精准控制其结构功能性的方法。

3、结论和展望

近5年来，有机多孔材料(POPs)经历了从发现到快速发展的阶段，人们在光催化设计、合成和应用方面做了大量的工作，证明了多孔有机高分子材料具有可降解性、孔径大、比表面积大、表面可裁剪等优点，展示了其光催化灭活微生物的应用前景，非常适用于生物医学领域的应用。目前已报道的为数不多的有机多孔材料(POPs)在光催化抗菌中的应用，均展现了极高的抗菌效率和极强的细菌灭活能力，并且有机多孔材料是无毒无害的抗菌剂，其使用可以大大减少对环境的污染。

但有机多孔材料在实际应用方面还面临着诸多严峻考验，例如：(1)寻找新的合成途径获得更高比表面积的抗菌剂，减少合成步骤，降低成本，实现工业化生产有机多孔聚合物POPs抗菌剂；(2)由于有机多孔聚合物抗菌剂的生物安全性还没有得到详细的研究，深入研究它们的血液相容性、组织相容性和神经毒性是非常必要的；(3)开发新的连接基序和构筑块来改善有机多孔聚合物POPs的化学稳定性、可见光响应强度和载流子分离和转移速率，从而获得更好的光催化活性。

参考文献:

[1]王斌,陈华林,刘白玲等.有机抗菌材料抗菌活性的评价方法[J].中国皮革,2013,42(7):46-48.

[2]张智嘉,韩晓军抗菌聚合物的研究进展[J].高分子通报,2018(3)1-1.

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[45]潘春旭,张峻,张豫鹏锐钛矿纳米TIO2光催化降解机理的HRTEM研究[C].武汉:中国化学学会､中国太阳能学会第十三届全国太阳能光化学与光催化学术会议学术论文集,2012:98-99.

文章来源：吴云峰,藏雨,徐亮,潘玉雪.有机多孔材料的光催化抗菌性能研究进展[J].化学世界,2021,62(11):643-652.