Ag2O/TiO2微球對變異鏈球菌生物膜形成的影響

黃喬木，呂 中

武漢工程大學環境生態與生物工程學院，湖北 武漢 430205

齲齒是世界上最普遍的慢性傳染病之一，它是引起口腔疼痛和牙齒脫落的主要原因［1］。據報道，世界上90%以上的人口一生中至少會患一次此 病［2］。 變 異 鏈 球 菌（Streptococcus mutans，S.mutans）被認為是主要的致齲細菌。S.mutans重要的毒力因子包括在牙齒表面形成生物膜、產胞外多糖（EPS）和酸［3］。生物膜中的 S.mutans被大量EPS包裹，使藥物很難接觸到細菌，使其對抗生素等藥物的耐受性比浮游態提高1000倍［4］。S.mutans可通過糖酵解途徑產生乳酸等有機酸造成牙齒脫礦化［5］。因此，能夠抑制浮游細菌生長、生物膜形成和產酸的材料將是一種理想的治齲藥物。

在抗生素療法使細菌對傳統抗生素產生抗藥性后，具有結構穩定、能夠長時間抗菌的無機金屬氧化物為齲齒的預防和治療提供新的策略［6］。同已被廣泛應用于牙科臨床的ZnO一樣，近年TiO2也被嵌入玻璃離子水門汀或樹脂中用于探究對口腔細菌的抗菌效果和對牙科材料的改性［7-8］。TiO2對人體的毒性很低，但是TiO2對許多口腔細菌生物膜形成的抑制效果不好［9］。當高濃度的TiO2嵌入牙科材料時，復合牙科材料的機械性能可能會受到影響。Ag2O對許多細菌具有良好的抗菌活性，包括S.mutans［10-12］。Ag2O通過釋放Ag+抗菌，但是過多的Ag+對人體細胞具有毒性［13］。此外，單獨的Ag2O易發生團聚而使粒徑過大，而無機材料的抗菌活性與其尺寸有關，粒徑越小，抗菌效果越好［14］。將Ag2O負載在TiO2上，可以有效地減少Ag2O的用量和TiO2的用量，并且在TiO2的影響下，可得到均勻分布在TiO2上的小尺寸Ag2O顆粒［15］。其中Ag2O/TiO2已被證實對金黃色葡萄球菌具有顯著的抗菌活性［16］。然而，Ag2O/TiO2對S.mutans的抗菌作用未見報道。本研究采用沉積沉淀法合成Ag2O/TiO2微球，測定其對S.mutans的抗菌作用及對生物膜形成和產酸的影響，以期為在牙科臨床上的應用提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

變異鏈球菌S.mutans UA 159（武漢大學口腔醫學院）；鈦酸四丁酯（TBT）（天津百世有限公司）；硝酸銀（AgNO3）（阿拉丁試劑有限公司）；腦心浸液肉湯培養基（BHI）（Oxoid有限公司）；瓊脂粉（Biofrox有限公司），厭氧產氣袋（三菱瓦斯化學株式會社）；2.5 L圓底立式厭氧培養袋（青島海博生物技術有限公司）；結晶紫（天津市天力化學試劑有限公司）；其他試劑均為分析純。

D8 ADVANCE型 X-射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD），（德國Bruker公司）；JEM-2100透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM），（日本電子株式會社）；AGILENT 7700電感耦合等離子質譜儀（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）（安捷倫科技股份有限公司）；722 N紫外可見分光光度計（上海儀電分析儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 Ag2O/TiO2微球的制備和表征 Ag2O/TiO2微球參照文獻［15］的合成法。首先合成TiO2微球：取2mL的TBT溶液逐滴加進60mL的CH3COOH溶液中，超聲分散15 min，將溶液轉移到聚四氟乙烯反應釜中，150℃反應5h后，用無水乙醇洗滌3次，70℃烘干，研磨得到TiO2微球。Ag2O/TiO2微米復合物（Ag2O與TiO2理論摩爾比為1∶10）制備過程如下：稱取0.2 g TiO2微球超聲分散在25mL去離子水中，與25mL 20 mmol/L的AgNO3溶液混合攪拌30 min混勻，逐滴加入25mL 0.5mol/L的NaOH溶液，攪拌30 min，用去離子水洗滌5次，室溫干燥研磨收集樣品。在不添加TiO2微球的情況下，用相同的方法合成Ag2O。

所制得的TiO2，Ag2O和Ag2O/TiO2采用XRD表征，掃描范圍為10～80°；利用TEM對TiO2和Ag2O/TiO2微球材料的形貌及粒徑進行表征。Ag2O在Ag2O/TiO2中的占比通過ICP-MS確定。

1.2.2 抑菌圈測定 實驗方法參見文獻［17］。在BHI固體培養基上均勻涂布108CFU/mL S.mutans菌液，貼上無菌濾紙片，分別滴加10mL 1 g/L的TiO2、Ag2O/TiO2以及10mL248mg/LAg2O的磷酸緩沖溶液（PBS）分散溶液，培養皿放入放有厭氧產氣袋的厭氧培養袋后，置于37℃恒溫培養24h。滴加10mL磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffer saline，PBS）的濾紙片設為對照。實驗重復3次。

1.2.3 Ag2O/TiO2對浮游狀S.mutans的最低抑菌濃度（MIC）測定 實驗方法參見文獻［18］。離心管中分別加入質量濃度為 16、32、64、125、256、512和1000 mg/L的 TiO2或 16、32和 64 mg/L Ag2O/TiO2以及8、16和32 mg/L的Ag2O分散液，與5×105CFU/mL的菌液混合均勻后在37℃的恒溫搖床中培養24h。觀察每管的渾濁度，培養液透明的試管所對應的最低樣品濃度為最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）。僅含菌液的試管設為對照。實驗重復做3次。

1.2.4 Ag2O/TiO2對浮游狀S.mutans形成生物膜的抑制作用 在24孔板中分別加入31.25、62.5和125 mg/L的Ag2O/TiO2［分散在含質量體積比1%蔗糖的腦心浸液肉湯培養基（brain heart infusion，BHI培養基）］，與2×108CFU/mL的菌液混合均勻后在37℃培養24h。移除上層的懸浮培養液，然后向形成的生物膜孔中加入1mL甲醇，固定生物膜15 min后棄去，然后加入質量體積比0.1%結晶紫染色5 min，清洗多余染料后加入二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）將生物膜溶解，最后用分光光度計檢測570 nm處的吸光度。僅含菌液的孔道設為對照。實驗重復3次。

1.2.5 Ag2O/TiO2對浮游狀S.mutans形成生物膜過程中產酸的檢測 參照實驗方法1.2.4作用和培養S.mutans。在培養過程中，用pH計每隔2h測定培養液的pH值。僅含菌液的孔道設為對照。實驗重復3次。

1.2.6 Ag2O/TiO2對浮游狀S.mutans形成生物膜過程中產EPS的檢測 參照實驗方法1.2.4作用和培養S.mutans。培養作用完成后，參照文獻［19］提取EPS：刮取形成的生物膜在4℃、12000r/m條件下離心10min。所得上清液包含可溶性EPS。沉淀重旋在1mol/L NaOH中，離心，此時的上清液包含不可溶性EPS。使用體積分數95%乙醇沉淀EPS，最后用苯酚-硫酸顯色反應對提取的EPS進行定量。僅含菌液的孔道設為對照。實驗重復3次。

1.2.7 數據統計分析 采用SPSS 19.0軟件對Ag2O/TiO2生物膜形成的結晶紫定量、EPS的產量數據進行單因素方差（One-Way ANOVA）分析，選擇Tukey進行事后檢驗分析。所有試驗的顯著性水平為0.05。

2 結果與討論

2.1 Ag2O/TiO2微球的表征

圖1是所合成TiO2、Ag2O及Ag2O/TiO2樣品的XRD圖。其中TiO2樣品的衍射峰與銳鈦礦型TiO2的標準卡片圖譜（JCPDS 4-477）相一致。合成的Ag2O樣品的衍射峰也與Ag2O標準卡片圖譜（JCPDS 1-1041）的衍射峰相一致，說明成功合成了純凈的Ag2O。Ag2O/TiO2的衍射峰除了能觀察到TiO2的衍射峰之外，還能觀察到與Ag2O標準卡片圖譜（JCPDS 1-1041）相一致的衍射峰，衍射峰沒有雜峰，且衍射峰均有較高強度，說明合成的樣品為結晶度較高的Ag2O/TiO2。

圖1 TiO2，Ag2O和Ag2O/TiO2的XRD圖Fig.1 XRD patterns of TiO2，Ag2O and Ag2O/TiO2

圖2分別是樣品TiO2及Ag2O/TiO2的TEM圖。由圖2（a）可知，純的TiO2是由一維納米棒組成的直徑為2～3 mm的微球。從圖2（d）中可以看到，在Ag2O/TiO2中，TiO2表面變得粗糙，粒徑為 5～10 nm的Ag2O納米顆粒沿著微球上的納米棒均勻負載。由ICP-MS數據可知，Ag2O在Ag2O/TiO2中所占質量分數為24.80%。

圖 2 TEM 圖：（a）TiO2，（c）Ag2O/TiO2，（b）和（d）分別為（a）和（c）中矩形的放大圖片Fig.2 TEM images：（a）TiO2，（c）Ag2O/TiO2，（b）and（d）are magnified images of rectangles in（a）and（c）respectively

2.2 Ag2O/TiO2對S.mutans的抗菌活性

圖3（a）顯示，TiO2和空白組的濾紙片周圍沒有看到抑菌圈，而Ag2O/TiO2和與Ag2O/TiO2相當量的Ag2O的濾紙片周圍有明顯的抑菌圈，說明Ag2O和Ag2O/TiO2對S.mutans有抑菌效果，而TiO2對S.mutans沒有明顯抑菌效果。其中Ag2O/TiO2的抑菌圈大于Ag2O的抑菌圈，說明Ag2O/TiO2的抑菌效果強于Ag2O。由圖3（b）可見，TiO2作用的每根離心管培養液渾濁度基本與空白組一致，說明TiO2在質量濃度為1000 mg/L及以下時對S.mutans沒有明顯抑菌活性；Ag2O/TiO2作用的離心管培養液在質量濃度為64 mg/L時，試管中培養液呈澄清狀態，說明 Ag2O/TiO2對S.mutans的MIC為 64 mg/L。Ag2O對S.mutans的MIC為32 mg/L。根據ICP-MS結果可計算，64 mg/L Ag2O/TiO2中的Ag2O質量濃度為15.87 mg/L，而Ag2O的MIC大于這個濃度，說明Ag2O/TiO2對S.mutans的抗菌作用強于相同濃度下的Ag2O。

圖3 Ag2O/TiO2對浮游狀S.mutans的抗菌活性：（a）抑菌圈，（b）MIC圖Fig.3 Antibacterial activity of Ag2O/TiO2against planktonic S.mutans：（a）inhibition zone，（b）MIC images

2.3 Ag2O/TiO2對S.mutans生物膜形成的抑制

圖4顯示，隨著Ag2O/TiO2濃度的升高，生物膜形成量越少。當Ag2O/TiO2質量濃度為125 mg/L時，相比于空白組，生物膜形成量下降61.8%，結果表明Ag2O/TiO2能顯著抑制S.mutans生物膜的形成。

圖4 Ag2O/TiO2對S.mutans生物膜形成的抑制Fig.4 Inhibition of Ag2O/TiO2on biofilm formation of S.mutans

2.4 Ag2O/TiO2對S.mutans生物膜形成過程產酸的抑制

圖5顯示，S.mutans在不受藥物作用情況下，培養8h后培養液的pH值會降到4.5；而在Ag2O/TiO2的作用下，培養液中的pH值幾乎沒有變化，說明Ag2O/TiO2能夠顯著抑制細菌在生物膜形成過程中的產酸。

圖5 Ag2O/TiO2對S.mutans產酸影響Fig.5 Effects of Ag2O/TiO2on acid production of S.mutans

2.5 Ag2O/TiO2對S.mutans生物膜形成過程產EPS的抑制

圖6顯示，在Ag2O/TiO2作用下，水可溶性和水不可溶性EPS的產量都顯著下降。當Ag2O/TiO2質量濃度為125 mg/L時，水可溶性和水不可溶性EPS產量相比于空白組分別下降了56.14%和69.95%，結果表明Ag2O/TiO2能顯著地抑制細菌EPS的產生。

圖6 Ag2O/TiO2對S.mutans生物膜形成過程產EPS影響Fig.6 Effects of Ag2O/TiO2on production of EPS during the biofilm formation of S.mutans

3 結 語

通過沉積沉淀法合成的Ag2O/TiO2微球對口腔致齲細菌S.mutans有顯著的抗菌活性，并能夠抑制其生物膜的形成及該過程中的產酸和EPS。由于Ag2O/TiO2具有較好穩定性，未來可將Ag2O/TiO2摻雜進牙科材料中探索其在牙科臨床實際應用可行性。