生物材料抗菌性研究進(jìn)展

王譽(yù)茜+紀(jì)丁琪+翟麗華+孫剛+房巖

摘 要：生物材料是常被應(yīng)用于人工器官、外科修復(fù)、診斷、治療疾病等新型材料，廣泛的應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，極大改善了人們的生活水平和狀態(tài)，本文主要綜述了常用生物材料抗菌性的最新研究進(jìn)展，為生物抗菌材料的制備提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物材料；抗菌；無(wú)機(jī)金屬氧化物；納米金屬

中圖分類號(hào)：R318.08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170532002

引言

生物材料是指可以應(yīng)用于醫(yī)療的高技術(shù)材料，因其具有人體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響，常被應(yīng)用于人工器官、外科修復(fù)、診斷、治療疾病等。作為研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)材料，生物材料己成為材料學(xué)科的重要分支，各國(guó)科學(xué)家將其作為研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

常見(jiàn)的生物材料可以分為3類：隨著醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展所產(chǎn)生的生物高分子材料，總稱為生物醫(yī)用高分子材料。這類生物材料是使用最廣泛且使用量最大的，同時(shí)其發(fā)展速度也是最快的一種。依據(jù)材料的性質(zhì)可以分為非降解性和降解性2類；生物陶瓷材料，其主要優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒副作用，植入機(jī)體內(nèi)不會(huì)發(fā)生排異反應(yīng)；生物醫(yī)用金屬材料，因其具有機(jī)械強(qiáng)度高和抗疲勞性能，臨床上主要用于修復(fù)或替換人體的硬組織，是應(yīng)用廣泛的承力植入材料。

新材料新技術(shù)廣泛被應(yīng)用在人們的生產(chǎn)生活中，極大的改善了人們的生活水平和狀態(tài)。同時(shí)人們對(duì)生活環(huán)境安全和高分子材料抗菌衛(wèi)生等方面給予了高度重視，這些生物材料制品的放置環(huán)境，為細(xì)菌的滋生提供了良好的條件。因此，優(yōu)化生物材料的抗菌性十分必要，主要改良生物材料抗菌性的方法是添加抗菌劑，本文主要綜述了常用的添加抗菌劑增強(qiáng)生物材料抗菌性的方法研究的最新進(jìn)展，為今后生物材料更好的應(yīng)用于臨床提供理論參考。

1 常用抗菌劑

1.1 納米銀系抗菌劑

21世紀(jì)，納米技術(shù)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，其中納米銀作為新型的納米材料，具有催化、防腐、抗菌的作用，而且納米銀具有極大的比表面積，廣譜抗菌性更是優(yōu)于普通的單質(zhì)銀，同時(shí)對(duì)細(xì)菌不產(chǎn)生耐藥性，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，極少量則可以具有很強(qiáng)的滅菌作用，是一種稀有的無(wú)機(jī)殺菌材料[1]。同時(shí)，在納米銀抑菌的過(guò)程中，當(dāng)細(xì)菌死亡后，Ag+可以從已經(jīng)被殺死的細(xì)菌中游離出來(lái)，進(jìn)一步與其他細(xì)菌結(jié)合并將其致死。

納米銀具有極大比表面積和化學(xué)性質(zhì)活潑，在制備過(guò)程中容易吸附有害的化學(xué)物質(zhì)而具有毒性，并且極易被氧化成Ag2O而喪失活性。因此常用的方法是將納米銀與生物材料基物相融合，提高納米銀的分散性，以提高復(fù)合材料的抗菌性。

在21世紀(jì)，膜分離技術(shù)被應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，但是隨著分離過(guò)程的進(jìn)行，微生物會(huì)附著在膜表面或者沉積到膜孔中，并繁殖和生長(zhǎng)，造成生物膜的污染，縮短膜的使用壽命，影響了其膜的應(yīng)用和進(jìn)一步的推廣。陶瓷Al2O3是常用的濾膜材料，因此有學(xué)者采用直接浸漬法對(duì)Al2O3膜表面進(jìn)行抗菌處理，制備載銀陶瓷微濾膜。制備的復(fù)合膜的抑菌效果良好，大腸桿菌和金黃葡萄球菌的培養(yǎng)基上有明顯的抑菌圈，而且殺菌率達(dá)到99. 99%[2]。然而趙陽(yáng)[3]等人進(jìn)一步改良，采用化學(xué)氣相沉積方法在Al2O3基體上生長(zhǎng)多壁碳納米管，而后將納米銀負(fù)載于其表面，形成Ag@MWCNTs/Al2O3膜。而且進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和實(shí)際空氣中的微生物攔截過(guò)程，結(jié)果表明，該種聚合膜可以100%實(shí)施攔截大腸桿菌、枯草芽胞桿菌和黑曲霉，在120min時(shí)的抗菌率達(dá)到99.87%以上，在空氣凈化中效果極佳。

1.2 納米二氧化鈦

納米TiO2也是無(wú)菌殺菌劑中較為理想的一類，具有長(zhǎng)效的殺菌效應(yīng)。在固定矯治患者口腔中，可能會(huì)在托槽周圍有大量菌斑堆積，而納米TiO2具有持久的抗菌性被加以利用，但是TiO2的抗菌效果是在光催化作用下發(fā)揮的，但李振霞[4]等人研究表明，在托槽粘接劑中加入的納米TiO2，雖然光照受到限制，但仍然發(fā)揮了一定的抗菌效果，而且并沒(méi)有影響其粘接性能，這可以推測(cè)納米TiO2對(duì)粘接劑的改性是可行的。

金屬Ti及其合金與在骨科生物組織材料中具有優(yōu)越的生物相溶性、生物彈性和耐腐蝕性，常被應(yīng)用在骨科領(lǐng)域。但是骨修復(fù)材料置入人體，致病細(xì)菌會(huì)黏附在植入物表面并持續(xù)存在。這類感染不易被抗生素控制，因此將抗菌劑負(fù)載在生物材料上效果更佳。實(shí)驗(yàn)證明，將萬(wàn)古霉素及羥基磷灰石負(fù)載上TiO2上具有良好的抗菌性，同時(shí)可以起到控制藥物的緩釋功能。

TiO2的抗菌作用原理可能是TiO2在陽(yáng)光照射下發(fā)生電子激發(fā)躍遷，其中光生電子或光生空穴會(huì)與細(xì)菌的細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)組分反應(yīng)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡；另一說(shuō)法，這種光生電子或空穴可以與水或空氣中的氧反應(yīng)，生成活性氧類，進(jìn)攻細(xì)胞內(nèi)組分，發(fā)生生化反應(yīng)而致細(xì)胞死亡[5]。

1.3 納米氧化鋅

納米氧化鋅（ZnO）具有良好的生物相溶性，而且對(duì)細(xì)胞毒性很低，常被應(yīng)用在精細(xì)化學(xué)品和醫(yī)用方面。與TiO2相比，ZnO在無(wú)光照條件下仍然具有較好的抗菌作用，因此ZnO比其他的抗菌劑更具有良好的應(yīng)用前景。

將ZnO制成涂層，探究其對(duì)細(xì)菌的抑制作用，ZnO形貌和尺寸可以影響其抗菌活性，不同形貌下的氧化鋅在抗菌活性上表現(xiàn)出較大的差異[6，7]。ZnO納米棒陣列涂層具有良好的親水性，并且對(duì)金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌效果。

目前，關(guān)于納米ZnO抗菌或殺菌的主要機(jī)制有如下幾種可能：有游離Zn2+的釋放，達(dá)到殺菌目的，并且在殺滅細(xì)菌后的Zn2+可以從細(xì)胞中游離出來(lái)，繼續(xù)起到殺菌作用；納米粒子和菌體表面相互作用，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，使菌體的內(nèi)容物釋放；產(chǎn)生活性氧，納米粒子誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧，在病菌內(nèi)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，如能導(dǎo)致菌膜破損，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

2 展望

目前，生物材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是其植入體內(nèi)或者用作濾膜等總會(huì)受到各種各樣的病菌干擾，而且現(xiàn)在病菌對(duì)藥物的抗性越來(lái)越嚴(yán)重。如果能在生物材料本體上改良抗菌效果，既可以控制成本造價(jià)，也可以抵抗病菌的抗藥性，常用的方法是在生物材料表面添加抗菌劑，改良其抗菌性。這些添加的金屬氧化物代表對(duì)許多細(xì)菌、真菌和病毒都有一定的作用，進(jìn)一步研究其殺菌抗病毒機(jī)制有利于拓展生物材料的使用范圍。同時(shí)也可能替代禁用抗生素，并減少病菌抗藥性的發(fā)生。有關(guān)改良生物材料抗菌性的研究仍屬于熱點(diǎn)方向，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，使各種抗菌劑的優(yōu)勢(shì)都得以發(fā)揮，為生物材料的制備提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)研究依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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