常見(jiàn)金屬載體支架材料抗菌作用的研究進(jìn)展

王祖旭 張曉明 曹 飛 張 敏 董昕玥

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院口腔修復(fù)科，山東濱州 256600

目前在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和獸醫(yī)學(xué)等方面，由于人類(lèi)對(duì)抗生素的濫用，導(dǎo)致越來(lái)越多的細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生了耐藥性[1]，多重耐藥菌感染是當(dāng)今公共衛(wèi)生面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[2]。近年來(lái)，耐藥菌出現(xiàn)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了新抗生素的研發(fā)速度，因此迫切需要新的抗菌手段來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。金屬離子具有優(yōu)良的抗菌性能和顯著的抗菌優(yōu)勢(shì)[3]，包括金屬離子有多種抗菌機(jī)制；尺寸較小，能穿過(guò)細(xì)菌的肽聚糖細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮作用；性質(zhì)穩(wěn)定，可以從死亡細(xì)菌的體內(nèi)釋放出來(lái)持續(xù)發(fā)揮作用，殺死其余細(xì)菌，獲得持久的抗菌效果。而金屬離子發(fā)揮作用需要載體支架，常見(jiàn)的載體支架包括有機(jī)框架材料類(lèi)、靜電紡絲材料類(lèi)和水凝膠類(lèi)等。本文回顧金屬載體支架材料的抗菌作用效果，就常見(jiàn)的金屬載體支架材料抗菌作用進(jìn)行綜述，以期為金屬離子的抗菌應(yīng)用和新支架材料的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 金屬離子的抗菌機(jī)制

研究表明，金屬離子的殺菌機(jī)制主要有活性氧的產(chǎn)生、陽(yáng)離子釋放等，包括對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁的作用，對(duì)細(xì)菌體內(nèi)酶、蛋白質(zhì)和DNA的作用，催化細(xì)菌產(chǎn)生活性自由基[4]。目前最常用于抗菌的金屬離子是銀離子[5]，有研究表明其殺菌方式包括：銀離子與膜蛋白相互作用干擾細(xì)菌的正常生理功能；銀離子進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)產(chǎn)生活性氧，影響細(xì)菌的DNA表達(dá)；銀離子聚集在細(xì)胞膜的表面，影響細(xì)菌的細(xì)胞膜通透性。而銅離子主要通過(guò)直接接觸的方式發(fā)揮抗菌作用[6]。銅離子與細(xì)菌接觸后造成細(xì)菌的細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致胞膜電位改變和胞質(zhì)溢出，同時(shí)在細(xì)菌內(nèi)部產(chǎn)生活性氧，使細(xì)菌結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)一步加重，最終導(dǎo)致細(xì)菌的遺傳物質(zhì)發(fā)生降解[7]。

2 金屬離子發(fā)揮抗菌作用的載體

金屬離子常見(jiàn)的載體支架有金屬有機(jī)框架材料類(lèi)、靜電紡絲材料類(lèi)、水凝膠類(lèi)、硅膠類(lèi)和蒙脫石類(lèi)等。本文主要介紹常見(jiàn)的金屬有機(jī)框架材料、靜電紡絲材料及水凝膠材料。這些材料具有孔隙率高、比表面積大、能持久緩釋、生物相容性好及對(duì)人體無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)，因此是最佳的載金屬離子材料[8-13]。

2.1 金屬有機(jī)框架材料（metal organic frame material，MOFs）

MOFs是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種多孔無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料，由無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料結(jié)合形成，通常由金屬離子作為連接點(diǎn)，有機(jī)配位體支撐形成立體結(jié)構(gòu)。該材料具有較強(qiáng)的金屬離子負(fù)載能力，同時(shí)還具有良好的生物降解性和功能結(jié)構(gòu)多樣性。與直接將大量的金屬離子暴露于體內(nèi)相比，MOFs可以發(fā)揮緩釋作用，從而達(dá)到長(zhǎng)期有效的抗菌效果，又避免了大量的金屬離子突然發(fā)揮作用對(duì)機(jī)體組織造成損傷[14]。

NOMIYA等[15]利用硝酸銀與咪唑合成了含銀的金屬有機(jī)框架，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)細(xì)菌、酵母和霉菌具有有效的廣譜抗菌活性，且殺菌抑菌作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于同等劑量的硝酸銀單獨(dú)發(fā)揮作用，該研究表明MOFs可以使金屬離子和有機(jī)配體發(fā)揮協(xié)同作用，達(dá)到良好的抗菌效果。有學(xué)者以硝酸鈷和配體TDM為原料制造出了一種基于鈷的新型金屬有機(jī)骨架Co-TDM，并以大腸桿菌為模型菌來(lái)研究這種新型材料的抗菌作用[16]，結(jié)果在透射電鏡下發(fā)現(xiàn)與Co-TDM共同孵育的大腸桿菌失去了細(xì)胞凝聚力，外膜嚴(yán)重受損，證實(shí)了Co-TDM對(duì)細(xì)菌有較強(qiáng)的殺滅作用。并通過(guò)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，同等濃度的硝酸鈷對(duì)照組與配體TDM對(duì)照組對(duì)大腸桿菌均無(wú)明顯殺滅作用，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明與單純的金屬離子相比，MOFs有更強(qiáng)的抗菌效果，可以降低給藥濃度，減少對(duì)機(jī)體正常組織和細(xì)胞的毒副作用[16]。同時(shí)研究表明，Co-TDM具有獨(dú)特的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的表面官能團(tuán)和金屬配位，因此有可能為MOFs在其他生物領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)新的方向[16]。有學(xué)者合成了兩種銀基金屬有機(jī)材料[17]，發(fā)現(xiàn)這兩種材料有不同的三維結(jié)構(gòu)，均有利于銀離子的緩慢釋放，同時(shí)這兩種MOFs對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有長(zhǎng)期的高抗菌活性，并且其最低抑菌濃度（MIC）遠(yuǎn)低于大多數(shù)常用的銀基化合物[7，18]，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注入MOFs的小鼠體內(nèi)血液學(xué)和血細(xì)胞形態(tài)學(xué)檢測(cè)未見(jiàn)明顯異常，表明MOFs的生物相容性良好，無(wú)明顯細(xì)胞毒性。有學(xué)者通過(guò)逐層生長(zhǎng)技術(shù)在真絲纖維表面生成銅的金屬有機(jī)框架納米結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Cu-BTC的形態(tài)取決于超聲波輻射，隨著pH值的增加，Cu-BTC的顆粒尺寸也在增加，發(fā)現(xiàn)原始的真絲纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌無(wú)抗菌活性，而表面附著Cu-BTC涂層的真絲纖維有明顯的抑菌效果，且抗菌活性與Cu-BTC的濃度呈正相關(guān)，其抑菌作用的發(fā)揮是由于Cu-BTC顆粒中的銅離子浸出到周?chē)乃橘|(zhì)中[19]。

目前的研究均表明MOFs在體外可以發(fā)揮較好的抗菌作用，但是其在體內(nèi)的作用仍有一定的局限性。MOFs在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性較差，其在復(fù)雜的生理?xiàng)l件下容易分解，因?yàn)镸OFs主要依靠金屬與配體之間的配位鍵和配體與配體之間的分子間作用力來(lái)維持穩(wěn)定，這些作用力很微弱，因此需要更深入的研究對(duì)MOFs進(jìn)行修飾以改變性質(zhì)，使其具有更好的穩(wěn)定性[20]。

2.2 靜電紡絲（electrostatic spinning）

靜電紡絲主要通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)的作用使聚合物溶液噴射紡絲，注射器針頭處的液滴呈稱(chēng)為泰勒錐的圓錐形，泰勒錐內(nèi)部的靜電力變得大于表面張力，從而從錐體產(chǎn)生液體射流，獲得納米級(jí)別直徑纖維細(xì)絲[10]。靜電紡絲技術(shù)簡(jiǎn)單易行，而且適用于多種材料，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、航空航天、農(nóng)業(yè)和紡織業(yè)等領(lǐng)域[21-22]。靜電紡絲包括多層靜電紡絲、混合靜電紡絲和同軸靜電紡絲等[23]，同軸靜電紡絲的同心噴絲頭可以容納兩種不同的液體，在靜電紡絲領(lǐng)域是一個(gè)巨大的突破，可以加強(qiáng)電紡絲的緩釋作用。

QIAN等[24]通過(guò)浸漬銀離子對(duì)電紡絲支架進(jìn)行涂層，獲得了銀改性的膠原涂層電紡絲支架，發(fā)現(xiàn)電紡絲有良好的力學(xué)性能；對(duì)變形鏈球菌和金黃色葡萄球菌有較強(qiáng)的抑菌作用，且支架材料對(duì)銀離子的緩釋過(guò)程可達(dá)16 d，能維持較長(zhǎng)時(shí)間的抗菌效果；同時(shí)發(fā)現(xiàn)該支架材料能促進(jìn)小鼠胚胎成骨細(xì)胞的增殖，并且支架的三維多孔結(jié)構(gòu)能為細(xì)胞募集創(chuàng)造有利的微環(huán)境；在小鼠牙周炎模型中發(fā)現(xiàn)該材料制成的GTR膜能促進(jìn)牙周組織再生，對(duì)牙周缺損具有抗菌作用和成骨刺激作用，有良好的臨床應(yīng)用前景。有學(xué)者通過(guò)同軸靜電紡絲技術(shù)在聚丙烯腈納米纖維表面鍍銀納米顆粒獲得了一種新型的抗菌納米纖維[25]，此電紡絲的直徑、分布和表面形貌均優(yōu)于單流體靜電紡絲，且納米銀顆粒僅分布于電紡絲表面，該電紡絲對(duì)于作為革蘭陰性菌屬代表的大腸桿菌和革蘭陽(yáng)性菌屬代表的枯草芽孢桿菌均有較強(qiáng)的抗菌活性[26]。

2.3 水凝膠（hydrogel）

水凝膠是一類(lèi)具有三維網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的親水性凝膠，能吸收大量水分而不溶于水，具有良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于藥物緩釋、組織工程等方面，且很多產(chǎn)品已被應(yīng)用于臨床。溫敏水凝膠是一種隨著溫度變化可以從溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠狀態(tài)的水凝膠[13]，利用這一特性，可調(diào)整材料配比使其在低溫狀態(tài)下呈溶膠狀態(tài)，在接近人體溫度時(shí)呈凝膠狀態(tài)，從而達(dá)到更好的臨床效果。因此，溫敏水凝膠作為可注射型生物材料在生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是作為載體緩釋藥物方面[27-28]。

MASOOD等[29]合成了銀粒子浸漬的殼聚糖-聚乙二醇（PEG）水凝膠，發(fā)現(xiàn)該水凝膠對(duì)糖尿病家兔創(chuàng)面的抗菌效果良好，且水凝膠內(nèi)的銀離子緩釋效果至少可以維持7 d。XIAO等[30]制備了銅金屬有機(jī)骨架納米顆粒嵌入抗氧化劑溫敏水凝膠（HKUST-1 NPs），發(fā)現(xiàn)HKUST-1 NPs能夠在保持PPCN抗氧化性能的同時(shí)，使銅離子持續(xù)釋放，降低了銅離子的細(xì)胞毒性，促進(jìn)了細(xì)胞遷移、血管生成和膠原沉積，并加速了糖尿病小鼠的傷口愈合。GWON等[31]制備出了Cu-MOF1、Co-MOF2和Zn-MOF3，并通過(guò)紫外光聚合嵌入PEG水凝膠中，發(fā)現(xiàn)包埋MOFs的水凝膠沒(méi)有細(xì)胞毒性，且具有良好的生物相容性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)MOFs的中心金屬和結(jié)構(gòu)比配體對(duì)抗菌效果的影響要大，且不同中心金屬組成的MOFs的物理性質(zhì)比配體性質(zhì)或金屬離子的釋放量更重要。ZHANG等[32]通過(guò)細(xì)菌纖維素強(qiáng)化了海藻酸鈣水凝膠，并載入鋅離子，獲得了一種新型的敷料，發(fā)現(xiàn)該水凝膠內(nèi)部呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)納米纖維交織排列，這種粗糙的納米纖維構(gòu)造有利于細(xì)胞的黏附與生長(zhǎng)，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋅離子濃度超過(guò)0.0001%時(shí)，水凝膠開(kāi)始具備良好的抗菌活性。金離子具有優(yōu)良的化學(xué)和生物特性，如高導(dǎo)電率、低溫下的高催化活性、良好的生物相容性、局部表面等離子體共振效應(yīng)、低毒性和抗菌活性等，含金離子的納米顆粒使水凝膠有了新的特性，比如耐受性、熱穩(wěn)定性和更優(yōu)良的生物相容性等，因此含金納米顆粒的水凝膠復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域[33]。近期有學(xué)者成功合成了可注射膠原納米晶纖維素殼聚糖載金納米顆粒水凝膠，由于水凝膠內(nèi)部大分子間的席夫堿交聯(lián)反應(yīng)，該款水凝膠可以快速成膠[34]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)該水凝膠對(duì)3T3成纖維細(xì)胞無(wú)明顯細(xì)胞毒性，具有良好的生物相容性，較高的力學(xué)強(qiáng)度和抗降解性以及較強(qiáng)的抗菌活性，因此這款可注射型水凝膠具有良好的臨床應(yīng)用前景[35]。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，金屬離子具有良好的抗菌作用效果和廣闊的應(yīng)用前景，MOFs、靜電紡絲和水凝膠等載金屬離子支架材料的應(yīng)用具有巨大潛能，但是目前的研究多集中在實(shí)驗(yàn)室研究，距臨床應(yīng)用還有一定差距，主要有以下幾點(diǎn)需要完善：①目前關(guān)于金屬離子在人體內(nèi)作用效果的研究還相對(duì)較少，在使用金屬離子替代抗生素之前，必須進(jìn)行大量的體內(nèi)臨床試驗(yàn)；②如何實(shí)現(xiàn)金屬離子的靶向遞送與精準(zhǔn)釋放同樣是一大難題，必須控制合適的作用濃度以平衡其抗菌活性與對(duì)機(jī)體的副作用；③MOFs、靜電紡絲、水凝膠等金屬離子載體的制備條件苛刻，目前還難以做到量產(chǎn)，同時(shí)其在體內(nèi)的生物及化學(xué)作用效果也需要嚴(yán)格把控。以上問(wèn)題都限制了金屬載體支架材料的應(yīng)用，但相信隨著研究的逐漸深入，最終能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的臨床應(yīng)用。