銀基納米復合物在口腔抗菌領域的研究進展

謝媛鈺,呂 中

(武漢工程大學環境生態與生物工程學院,湖北 武漢 430205)

齲病是發病率極高的慢性口腔疾病,是引起口腔疼痛和牙齒脫落的主要原因,世界衛生組織將其列為僅次于心血管疾病和癌癥之后的第三大非傳染性重點防治疾病[1]。口腔中的致病菌與有機質黏附于牙齒表面形成牙菌斑生物膜,細菌在生物膜中代謝產生的有機酸、內毒素等是致病的直接原因[2-3]。采用高效抗菌劑抑制或殺滅口腔致病菌是預防和治療齲病的重要手段。近年來納米銀(AgNPs)因抗菌譜廣、強效、穩定性好、細菌不易產生耐藥性等優點,在抗菌領域受到廣泛關注[4-6]。AgNPs對浮游狀和生物膜狀口腔致病菌具有較高的抗菌活性[7],能夠抑制和殺滅口腔主要致病菌,有望作為抗菌劑應用于口腔抗菌。AgNPs也存在明顯不足,如細胞毒性較高[8]、容易聚集[9]等。將AgNPs與其它非銀材料結合制備銀基納米復合物,不但能克服AgNPs在口腔抗菌領域應用上的不足,還可以通過AgNPs與非銀材料之間的相互作用提高抗菌活性。近年來,研究人員合成了銀/金屬氧化物納米復合物、銀/碳材料納米復合物、銀/無機鹽納米復合物等用于口腔抗菌,取得了較好的抗菌效果。作者在此對近年來報道的用于口腔抗菌的銀基納米復合物的研究進展進行綜述,以期為銀基納米復合物在口腔抗菌領域進一步的研究與應用提供依據和指導。

1 納米銀在口腔抗菌領域的研究進展

隨著抗生素的普遍使用,細菌對抗生素的耐藥性廣泛出現。無機抗菌劑以細菌不易產生耐藥性的優點重新引起人們的廣泛關注。AgNPs是以納米技術為基礎研制而成的一種新型抗菌產品,與金屬銀相比,AgNPs具有抗菌譜廣、效力持久等特點[5,10-11],對多種抗生素耐藥菌株均具有高效的抗菌活性,因此,AgNPs作為口腔抗菌劑被廣泛研究。

AgNPs對多種口腔致齲菌如變異鏈球菌(S.mutans)[12-14]、牙齦卟啉單胞菌(P.gingivalis)、具核梭桿菌(F.nucleatum)、伴放線聚生桿菌(A.actinomycetemcomitans)[15]均具有較強的抗菌活性。研究發現,AgNPs對口腔致病菌生物膜的形成及成熟生物膜也有很好的抑制作用[16-17],且AgNPs的抗菌活性與其粒徑密切相關。Espinosa-Cristóbal等[13]比較了3種不同粒徑(8.4 nm、16.1 nm和98.0 nm)的AgNPs對S.mutans的抗菌效果,發現抗菌活性呈粒徑依賴關系,其中8.4 nm AgNPs的抗菌效果最好。作者所在課題組[18]研究發現,不同粒徑(5 nm、15 nm和55 nm)的AgNPs對5種常見的口腔致病菌的抗菌活性表現出明顯的粒徑依賴性,與5 nm AgNPs的抗菌活性比較,55 nm AgNPs對A.actinomycetemcomitans的最低抑菌濃度提高7倍,對S.mutans、F.nucleatum和輕型鏈球菌(S.mitis)提高3倍,對血鏈球菌(S.sanguis)提高1倍,該研究結果為AgNPs在抑制口腔微生物感染方面的應用提供了實驗依據,至今已被引用310次。

目前,一般認為AgNPs的抗菌機理(圖1)可能與以下過程有關:AgNPs表面釋放帶正電的銀離子,與表面帶負電的細菌通過靜電作用相互接觸[19](途徑①);AgNPs產生的活性氧(ROS)通過氧化作用引起細菌細胞壁的結構重排和形貌的改變,使其滲透性發生變化,從而進入細胞內部[20-21](途徑②);進入細胞內的AgNPs與細胞膜呼吸鏈上的脫氫酶、氧化酶發生反應,抑制其活性并破壞細菌的呼吸作用,導致細菌死亡[22](途徑③);AgNPs抑制蛋白質合成及DNA復制[23-24](途徑④和⑤)。

圖1 納米銀的抗菌機理Fig.1 Antibacterial mechanism of AgNPs

盡管AgNPs在抗菌方面有諸多優點,其在口腔抗菌領域的應用潛能依然受到以下缺點的影響:AgNPs的粒徑越小,抗菌活性越高,但越容易發生聚集,從而導致抗菌效果變差[9,25];AgNPs的細胞毒性較高。為克服以上不足,研究人員將AgNPs負載到其它非銀材料上制備銀基納米復合物用于口腔抗菌。目前已報道的銀基納米復合抗菌材料有銀/金屬氧化物納米復合物、銀/碳材料納米復合物、銀/無機鹽納米復合物等[26-27]。

2 銀/金屬氧化物納米復合物在口腔抗菌領域的研究進展

金屬氧化物中,氧化鎂(MgO)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)等金屬氧化物具有穩定性高、生物相容性好、合成簡便、原料易得等優點,對多種致病菌表現出一定的抗菌效果[28],常用于合成金屬/金屬氧化物復合物。半導體型金屬氧化物在光誘導下能夠產生ROS,AgNPs在光照下具有較強的表面等離子體共振效應,當金屬氧化物與AgNPs形成復合物時,由于AgNPs和金屬氧化物的相互作用,能夠提高ROS的生成量,從而提高復合物的抗菌活性,同時還可以解決AgNPs的聚集問題[29]。

Alaizeri等[30]制備了Ag/MgO納米復合物,與單一MgO納米顆粒相比,Ag/MgO納米復合物的光催化活性更高,且與人正常的內皮細胞具有良好的生物相容性。da Silva Rocha等[31]制備的Ag/ZrO2核-殼納米粒子表現出更強的抗菌活性和更低的細胞毒性,可與其它口腔抗菌基底材料結合使用。

Gorbunova等[32]通過在多孔氧化鋁(porous aluminium oxide,POA)基質中吸附AgNPs制備了Ag/POA納米復合物,與POA相比,Ag/POA納米復合物具有更強的抗菌活性,還可以阻止AgNPs的聚集。

圖2 Ag與ZnO相互作用產生ROS示意圖Fig.2 Schematic diagram of ROS generated by interaction between Ag and ZnO

Pokrowiecki等[37]用ZnO和0.1%的AgNPs制備了Ag/ZnO納米復合物,并將其充分沉積在基牙表面,形成納米涂層。該涂層具有良好的抗菌性能,能顯著減少早期定植菌(鏈球菌)、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生物膜的形成。

TiO2由于毒性低、性質穩定、具備光催化活性等優良特性,近年來其與金屬形成的復合物也常用于口腔抗菌。Ag/TiO2納米復合物在可見光條件下對S.mutans有顯著抗菌作用[38]。作者所在課題組[39-40]制備的Ag2O/TiO2納米復合物能顯著抑制S.mutans生物膜形成和產酸;LED光固化燈照射能顯著增強Ag2O/TiO2納米復合物在短時間內對S.mutans的殺滅能力,其抗菌機制涉及產生·OH、破壞細菌細胞結構、促使胞內ROS含量增加,從而破壞生物大分子的功能。Ag2O/TiO2納米復合物的抗菌治療方法簡便,作用時間短,抗菌效果顯著,具有應用于口腔臨床抗菌的潛力。

3 銀/碳材料納米復合物在口腔抗菌領域的研究進展

碳材料具有穩定性高、比表面積大、生物相容性好、表面易被修飾、對多種致病菌具有抗菌活性等優點,可用作引導牙周骨組織再生的支架填充物[41]。將AgNPs負載在其表面可以提高碳材料的抗菌性能[42]。目前常用的碳材料有石墨烯、氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和納米金剛石(nanodiamonds,NDS)。

石墨烯納米復合物對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌都具有很強的抗菌能力[43-44]。石墨烯巨大的比表面積和良好的物理性能使其成為無機納米顆粒的良好襯底。Peng等[45]用AgNPs覆蓋還原石墨烯納米片(reduced graphene nanosheets,R-GNS)獲得R-GNS/Ag納米復合物,該納米復合物充分利用R-GNS和AgNPs之間的協同作用,對口腔致病菌白色念珠菌(C.albicans)、嗜酸乳桿菌(L.acidophilus)、S.mutans、A.actinomycetemcomitans均具有優異的抗菌性能;R-GNS/Ag納米復合物還可以在不影響機械性能的前提下,提高牙科修復體玻璃離子水門汀的抗菌活性[46]。

牙根管中的細菌聚集容易造成根尖周炎,對抗菌劑具有很強的抗藥性,使用機械清洗根管可能會殘留大量的生物膜和壞死組織[47]。Ioannidis等[48]在含水GO基質表面制備了Ag/GO納米復合物,與常規的根管清洗方法相比,在超聲激活下Ag/GO納米復合物對根管內的微生物具有更好的抗菌效果,且具有低的細胞毒性和高的生物相容性,Ag/GO納米復合物替代次氯酸鈉作為根管清洗劑,具有潛在的應用前景。

NDS是一種新型碳納米材料,對多種微生物具有殺菌活性[49],是納米抗菌填料的優異基體,被廣泛應用于各種牙科材料的制備[41]。Chang等[50]制備的Ag-金剛石@牛血清白蛋白(BSA)納米雜化材料(Ag-ND@BSA)具有良好的膠體穩定性,且在相同的有效AgNPs濃度下,Ag-ND@BSA對細菌活性的降低幅度比Ag@乳白蛋白更大。利用AgNPs與NDS制備的納米抗菌復合物,集結了NDS的優異化學穩定性與AgNPs的廣譜抗菌性能,在口腔抗菌領域具有較大的應用價值。

4 銀/無機鹽納米復合物在口腔抗菌領域的研究進展

傳統的磷酸鈣型無機鹽類抗菌劑具備環境友好、成本低、細胞毒性低等優點,還可以使脫礦的牙釉質和牙本質再礦化[51]。隨著對無機鹽類抗菌劑的深入研究,發現單一抗菌組分抗菌劑的抗菌效果有限。將無機鹽與AgNPs結合制備銀/無機鹽納米復合物,如銀/磷酸鈣、銀/釩酸鹽、銀/磷酸鋯等,在添加量較少的情況下就能有效殺滅口腔中的致病菌[52-54]。

AgNPs的加入能夠促進磷酸鈣釋放鈣離子,具有潛在的促進脫礦牙體再礦化作用。Sears等[52]在樹脂粘固劑中加入7.5%含AgNPs的無定形磷酸鈣(amorphous calcium phosphate,ACP)微粒,顯著增加了牙本質和牙釉質的再礦化深度,該復合物可在不影響樹脂粘固劑粘接強度的前提下促進再礦化。Keskar等[55]利用噴霧熱解法制備了銀/磷酸鈣納米復合物,釋放出的銀離子具有抗菌活性,而釋放出的鈣離子和磷酸鹽離子可以促進牙體的再礦化。Vidal等[53]將AgNPs修飾的銀/釩酸鹽納米復合物引入牙科陶瓷中,可提高對S.mutans、A.actinomycetemcomitans的抗菌活性,并使其具有良好的機械性能。作為抗菌劑中的典型代表,銀/磷酸鋯納米復合物不需要紫外照射,樹脂基托中銀/磷酸鋯納米復合物含量僅1%～7%即可對C.albicans、S.mutans、S.sanguis等致病菌表現出較高的抗菌活性[54],遠超傳統抗菌劑。銀/磷酸鋯納米復合物近年來受到了研究者的廣泛關注,其在臨床口腔領域的應用范圍不斷拓寬。

5 新型銀基納米復合物在口腔抗菌領域的研究進展

除上述銀基納米復合物外,研究人員還將AgNPs負載到季銨鹽[56]、殼聚糖[57]等材料上制備各種納米復合物。將AgNPs與季銨鹽類聚合物相結合,能進一步提升抗菌活性、降低細胞毒性[58]。并且隨著納米技術的進步以及病患對口腔抗菌劑要求的不斷提升,銀基納米復合物不再局限于2種材料結合的形式,新型銀基納米復合物不斷出現。張東等[59]在以磷酸鋯為載體的銀基抗菌劑中加入少量的ZrO2,得到一種新型納米復合物——磷酸鋯載銀,該復合物有利于加強口腔烤瓷材料的強度和硬度,對黏附在釉層表面的細菌有致死作用,能長期保持表面接觸抗菌作用,不會對口腔菌群產生不良影響。范偉等[60]采用模板法制備了不同銀鋅比的載銀鋅介孔鈣硅納米復合物,其內部含有豐富的介孔結構,比表面積大,對根管再感染的優勢菌糞腸球菌具有顯著的抗菌效果,是一種潛在的根管消毒材料。Cao等[61]以新型光固化核殼溴化銀(AgBr)和季銨甲基丙烯酸酯為原料制備了粒徑均勻且分散良好的AgBr/季銨甲基丙烯酸酯納米復合物,作為樹脂基牙科材料,對S.mutans具有較強的抗菌活性,且抗菌活性持久,是一種有前景的預防二次齲和延長樹脂復合修復體壽命的材料。這些新型銀基納米復合物的出現,使口腔抗菌劑的種類和功能日新月異,也為口腔醫學的發展提供了廣闊的平臺。

6 展望

通過形成銀/金屬氧化物、銀/碳材料、銀/無機鹽等納米復合物,在一定程度上能夠克服AgNPs在使用上的不足,提高材料的抗菌活性,擴大材料在口腔抗菌領域的應用。雖然目前已經有很多研究報道表明,銀基納米復合物相比于單一的AgNPs在穩定性、抗菌活性和細胞毒性方面有很大改進,但大部分研究還停留在試驗階段,真正應用于口腔臨床的較少,其應用研究有待加強。同時,銀基納米復合物在口腔臨床中要廣泛使用還需解決材料色澤的美觀問題。此外,還需深入探究新型銀基納米復合物對口腔微生物環境和代謝系統的影響,進一步評估其生物安全性。隨著納米合成技術的不斷進步和優化,將有更多新型、多功能的銀基納米抗菌劑被合成且應用于口腔抗菌,以減少口腔疾病的發病率。