文/李浩，刘循超，王燕
德爱威（中国）有限公司
摘要：对于材料研究人员来说，帮助找到消除COVID-19大流行的解决方案是当务之急。SARS-CoV-2冠状病毒的传播除了与感染者直接接触外，还能通过接触受污染的表面感染易受感染的嘴巴和眼睛。从材料表面的角度出发，考虑通过设计有效的抗病毒涂层，破坏冠状病毒在各种表面上的存活来防止其传播。从这个角度出发，整理了目前抗病毒涂层的研究进展，为后续的抗病毒涂层的研发与应用提供参考。
关键词：抗病毒涂层；应用现状；发展趋势
Preparation Strategy of Antiviral Coating
Li Hao, Liu Xunchao, Wang Yan
(Caparol China Ltd., Shanghai 201201, China)
Abstract:For materials researchers, helping find solutions to elimination of the COVID- 19 pandemic is a top priority. In addition to direct contact with the infected person, the spread of the SARS- CoV- 2 coronavirus occurs by touching the contaminated surface and then touching the mouth and eyes that are susceptible to infection. This inspired us from the perspective of the sur？face of the material to consider the design of an effective anti-viral coating to destroy the survival of the coronavirus on various surfaces to prevent its spread. From this perspective, we have com？piled the current research progress of antiviral coatings to provide reference for the subsequent de？velopment and application of antiviral coatings.
Keywords：antiviral coatings; application status; development trend
0 前言
由病毒引起的各种新发传染病，如引发严重急性呼吸系统综合症的冠状病毒（SARS-CoV）、中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒、埃博拉病毒、流感病毒、诺如病毒、寨卡病毒和登革热病毒对全世界人类健康构成严重威胁[1-3]。新冠状病毒肺炎（COVID-19）是由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起，在全球范围内呈现大流行状态，严重影响了全世界人类生活的方方面面。
细菌和病毒在生物学上都属于微生物。细菌细胞和病毒的主要区别在于它们的大小和感染方式。更重要的是，病毒通过感染宿主细胞，进而不断复制自己的遗传物质进行繁殖，进一步感染其他宿主细胞，导致严重疾病，而细菌通常会限制其在局部区域的生长，通过对人体特定部位产生影响而导致局部感染[4-6]。因此，与病毒相比，使用新型抗菌剂更容易针对细菌感染。迄今为止商业化的抗菌涂层大部分是抗菌的，但关于商业化抗病毒涂层的报道很少。因此，非常需要寻找潜在的抗病毒和杀病毒组分（材料和涂层）来设计个人防护设备(PPE)、卫生工具和其他设备，以对抗病毒大流行和病毒相关的致命风险[7]。
本文综述了不同抗病毒涂层的设计和开发所涉及的技术和方法，以此推动如何提高涂层在抗病毒效率方面的研发策略，并引发它们在抑制COVID-19等流行病方面的潜在应用。根据污染场所使用的材料类型，抗病毒涂层分为三大类：抗病毒聚合物、金属离子/金属氧化物、功能纳米材料。本文讨论了使用抗病毒和杀病毒涂层处理基材以防止病毒在表面上沉积的方法。讨论了潜在的抗病毒和杀病毒涂层技术，用于设计和开发商业化抗病毒产品。抗病毒产品的设计理念是对表面进行改性，使用抗病毒和杀病毒组合物以及表面改性技术。通过在表面上提供一层薄膜以保持其抗病毒活性，这在病毒的破坏中发挥着重要作用。
1 具有抗病毒和杀病毒特性的涂层
目前针对新兴病毒大流行（例如COVID-19）的疫苗开发已经进行许多研究工作[8-9]。然而，即使疫苗已经被应用于遏制新冠大流行中，仍然存在接种疫苗的人感染新冠病毒，这种情况被称为“突破病例”。可见依然非常需要关注与消毒设备和技术相一致的抗病毒表面的开发。下文分析了各种具有抗病毒和杀病毒特性的涂层，以及抗病毒聚合物、抗病毒金属离子/金属氧化物（包括铜、银和金等金属）和一种新兴的抗病毒纳米材料在涂层改性中的应用。此外，还涉及到用于设计和开发新抗病毒产品的涂层策略的一些方法，以进一步开发针对类似COVID-19 大流行的新型涂层技术。
1.1 抗病毒聚合物
聚合物（polymer）是由诸多重复单元经由共价键连接得到的长链状高分子。聚合物具有独特的性能，例如抗冲击性、延展性和弹性，可以针对各种生物医学应用进行定制。目前，已广泛使用聚合物用于抗病毒复合材料。一些抗病毒剂可以封装在聚合物中以形成抗病毒复合材料，这些复合材料根据特定要求释放抗病毒剂。同时，一些聚合物由于其对细菌和病毒粘附的抵抗力而显示出优异的抗病毒和抗菌作用[10]。聚合物涂料的抗病毒机理，可以简单理解为通过电荷排斥，使病毒和细菌不会轻易附着在聚合物涂料的表面。同时，抗病毒剂从聚合物逸出，对病毒和细菌灭杀。
具有抗病毒和杀病毒作用的聚合物主要用作涂层覆盖各种基材的表面。本文选择了部分的研究成果来进行实例化的说明。网状织物是保护人体或物品免受病毒侵袭极好的物理屏障，已应用于生活的许多方面，而聚合物是开发抗病毒和杀病毒织物的常用材料之一。Melvin 等人使用含有季铵盐基团和烃链的亲水性聚合物，通过光化学固化来修饰织物基质，从而产生表面活性剂的局部作用，该表面活性剂能够在与基质接触时破坏脂质包裹的病毒[11]。这引起了研究者在类脂双层的两亲性试剂的表面活性剂方面的进一步思考，材料涂层的超疏水性可使病毒或细菌污染的水脱落，并防止其粘附在涂层表面。在此类涂层中，也可以通过加入纳米二氧化钛，利用其光催化/光诱导超亲水性来获得自清洁活性表面[12]。Larson等人开发了共价连接到聚合物链上的多价抗病毒剂，对目标病毒具有卓越的效力，并创造了一种抗病毒表面涂层，可以在接触时对含有各种病毒的水溶液进行解毒。双环萘醌和聚合物的合并导致涂层的抗病毒特性的显着改善[13]。
1.2 抗病毒金属离子/金属氧化物
在过去的几十年中，研究人员已经研究了大量金属离子和金属氧化物的抗病毒和杀病毒活性，特别是银、铜和锌基离子及其氧化物。一般而言，与其他金属相比，这些金属材料显示出较低的毒理学作用和较高的抗病毒活性，因此非常适合作为添加剂应用到涂料中以获得抗病毒涂层[14]。通常，金属离子和金属氧化物都表现出类似的抗病毒机制来灭活不同的病毒株。具体来说，金属离子可以粘附在病毒包膜、细胞膜上，然后进入内部，破坏DNA和RNA等遗传物质[15]，使得病毒灭活。
金属离子和金属氧化物通常与不同的材料混合形成复合涂层。Hodek等人[16]开发了一种含有银、铜和锌阳离子的混合涂层，该涂层是通过溶胶-凝胶方法通过自由基聚合制备。开发的混合涂层能够显示出对HIV和其他包膜病毒（包括登革热和单纯疱疹）的杀病毒活性。此外，大量研究报道了含有金属离子（即银、铜、锌）的涂层材料显示出优异的抗病毒能力和长期持久的效果[16-21]，同时发现较小的金属纳米粒子(NP) 具有穿过细胞膜并阻碍附着后的病毒的复制能力[22]。Kumar等人已经从普通家用涂料开发出添加银纳米粒子的环保涂料，涂料中可用的银离子和金属银协同促进其抗菌和抗病毒活性[23]。Ueda等人在相关的专利中表明，铜络合二氧化钛分散液、涂层组合物、粘合剂树脂可形成透明涂膜，具有更高的抗病毒性能[24]。金属离子和金属氧化物也可用作治疗局部感染的抗病毒涂层。例如，发明了一种抗病毒组合物，其含有硫代硫酸盐和至少一种金属（银、铜和锌）的硫代硫酸盐配盐和多孔颗粒载体。可以将该组合物加载到软膏基质中作为抗病毒软膏应用于医疗器械中[25]。Trogolo等人则报道了一种具有银离子和铜离子组合或只含有其中之一的抗病毒组合物，声称可能用于治疗SARS附带的疾病[26]。
另一类典型的金属或无机纳米粒子是那些可以通过激子效应产生局部热、光、自由基、自由电荷和载体来杀死或干扰病毒的粘附和复制。这些金属或无机纳米粒子在可见光照射下表现出有趣的局域表面等离子体共振(LSPR)效应[27]。如果考虑到病毒的尺寸较小和脆弱性，这些具有表面等离子体效应的金属纳米粒子在正常可见光照射下也能有效对抗病毒感染。而一些贵重的纳米粒子如Pt、Pd和Ir会强烈吸收光并产生热量，会对温度非常敏感的冠状病毒具有有效地抑制传播作用[28-29]。受此启发，具有显著光热效应和光吸收能力的纳米材料可以开发为抗病毒涂层材料，具有在光刺激下产生局部跳跃点并具备杀死病毒的能力。一些无机纳米粒子可以与水或光相互作用以产生超氧化氢自由基，例如TiO？纳米颗粒在可见光下能与水反应产生过氧化氢，能非常有效地杀死附着在其表面的细菌和病毒[30]。
1.3 抗病毒功能纳米材料
根据病毒的纳米级特性，有可能开发具有多种功能的杂化纳米材料，以实现杀病毒效果，于是它们被认为在控制病毒感染方面非常有效。本文提供了选定研究的具体示例，这些研究展示了多种纳米材料在抑制病毒或病毒感染方面的实际应用和工作机制。上述部分的研究中已经表明Ag+离子掺入的涂层具有易于破坏病毒的能力，在进一步研究中发现通过金属氧化物和阳离子表面活性剂的组合来增强抗病毒纳米材料的性能[31]，这是因为纳米尺寸的铜（Cu），碘化物（CuI），银（Ag）和金（Au）颗粒可以通过产生自由基和离子电荷来显示出广谱抗病毒活性[32-34]。Fujimori等人研究了平均尺寸为160nm的纳米碘化铜（CuI）颗粒的抗病毒活性，发现水溶液中的Cu可能在化学反应中起催化剂的作用，并通过产生羟基自由基发挥抗病毒活性，导致病毒蛋白（如血凝素和神经氨酸酶）的降解[35]。这种抗病毒特性将使CuI纳米颗粒能够通过与聚合物基材混合或涂覆在聚合物基材上来应用于过滤器、口罩或防护服[36]。功能纳米颗粒的尺寸和病毒的物理尺寸在同一维度上，而且具有较高的比表面积，可以与病毒充分接触以最大限度地发挥抗病毒和杀病毒特性，在设计由纳米材料驱动的抗菌/杀病毒涂层方面具有广阔的应用前景。
2 结论和展望
本文重点讨论了抗病毒和杀病毒涂层开发中涉及的各种方法，例如通过抗病毒聚合物修饰底物表面，掺入金属离子/氧化物以及功能纳米颗粒。详细描述了所开发涂层的抗病毒功效，希望能在新冠大流行下开发出更为有效的抗病毒涂层提供科学的研究策略。
基于上述的论述，笔者认为其中在以下几个方面还可以进行深入的研究：
(1) 加工纳米尺寸的金属颗粒，并以其原始形式或与聚合物混合的形式发挥作用，以制备新型功能涂层；
(2)对聚合物进行化学改性，制备高效抗病毒剂；
(3)抗病毒或杀病毒纳米颗粒的功能修饰，在保持与涂层聚合物良好相容性的情况下最大限度发挥各种官能团的杀病毒能力；
(4)目前COVID-19的冠状病毒不仅通过飞沫传播，而且还通过各种表面传播，这些表面可以将病毒从一个人传播到另一个人。此外，研究表明，该病毒在各种表面上存活的时间很长，几天甚至更长时间。因此，显然需要耐用的抗病毒涂料，可以喷涂或以其他方式涂覆在物体表面上，以此防止病毒传播。
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