研究簡介
本研究探討了油酸包封的銀納米粒子（AgNP）在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑中的抗菌活性及其對(duì)骨粘固劑機(jī)械性能和細(xì)胞毒性的潛在影響。骨粘固劑廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)中，用于固定植入物，但術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)較高，且抗生素耐藥性問題日益嚴(yán)重。因此，開發(fā)非抗生素類抗菌療法顯得尤為重要。研究中，通過改良的Tollens方法合成了油酸包封的AgNP，并將其以不同濃度（0.01%、0.05%和0.1%w/w）摻入PMMA基骨粘固劑中。通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察到，這些AgNP呈圓形，平均直徑為5.3±2.3 nm?？咕鷮?shí)驗(yàn)表明，當(dāng)AgNP濃度達(dá)到0.05%時(shí)，對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鮑曼不動(dòng)桿菌（A.baumannii）等常見術(shù)后感染菌株展現(xiàn)出顯著的抗菌活性，而0.01%的濃度則無明顯效果。特別是對(duì)于S.aureus和MRSA，0.1%的AgNP濃度可完全抑制其生長。相比之下，S.epidermidis和A.baumannii對(duì)AgNP的耐受性更強(qiáng)，但在0.1%濃度下仍表現(xiàn)出生長抑制。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)采用MTT法評(píng)估了摻入AgNP的骨粘固劑對(duì)成骨細(xì)胞（MC-3T3）的影響，結(jié)果顯示，AgNP的存在并未對(duì)細(xì)胞的代謝活性產(chǎn)生負(fù)面影響，表明其具有良好的生物相容性。
此外，通過納米壓痕測試和壓縮測試評(píng)估了摻入AgNP的骨粘固劑的機(jī)械性能。結(jié)果表明，即使在較高濃度下，AgNP的摻入也未對(duì)骨粘固劑的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，且在模擬生理環(huán)境的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中浸泡3個(gè)月后，其機(jī)械性能保持穩(wěn)定。銀離子釋放實(shí)驗(yàn)表明，摻入0.05%和0.1%AgNP的骨粘固劑在7天內(nèi)持續(xù)釋放銀離子，且釋放速率隨時(shí)間逐漸降低。盡管如此，釋放的銀離子總量遠(yuǎn)低于可能引起系統(tǒng)性毒性的水平。研究表明，油酸包封的AgNP能夠顯著增強(qiáng)PMMA基骨粘固劑的抗菌性能，同時(shí)保持其機(jī)械性能和細(xì)胞相容性，為開發(fā)新型抗菌骨粘固劑提供了一種有效的非抗生素替代方案，有望降低術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)并減輕抗生素耐藥性問題。
Bioscreen全自動(dòng)生長曲線分析儀的應(yīng)用
Bioscreen全自動(dòng)生長曲線分析儀被用于評(píng)估摻入不同濃度銀納米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑對(duì)細(xì)菌生長的影響。該設(shè)備通過測量細(xì)菌在骨粘固劑表面生長的光學(xué)密度（OD），來記錄細(xì)菌的生長曲線。這些生長曲線隨后被用于評(píng)估骨粘固劑的抗菌活性。使用了四種細(xì)菌：耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鮑曼不動(dòng)桿菌（A.baumannii）。這些細(xì)菌被培養(yǎng)在含有不同濃度AgNP的骨粘固劑樣品上。將細(xì)菌懸液加入到含有骨粘固劑樣品的24孔板中，經(jīng)過1小時(shí)的吸附后，用磷酸鹽緩沖溶液（PBS）沖洗，然后加入稀釋的腦心浸液（BHI）培養(yǎng)基。隨后，將24孔板轉(zhuǎn)移到Bioscreen設(shè)備中。在37°C下孵育樣品，并每隔15分鐘測量一次600 nm處的光學(xué)密度（OD600），持續(xù)24小時(shí)。通過這些測量，設(shè)備記錄了細(xì)菌的生長曲線。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
油酸包封的銀納米粒子可以賦予骨粘固劑抗菌特性，而不影響其機(jī)械性能和細(xì)胞相容性。低至0.05%(w/w)的NP濃度允許顯著減少與骨粘固劑和骨科手術(shù)相關(guān)感染相關(guān)的微生物(MRSA、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和鮑曼不動(dòng)桿菌)的數(shù)量。這些病原體已知對(duì)常用于治療和預(yù)防術(shù)后感染的一些抗生素具有耐藥性。這項(xiàng)工作證明了通過用油酸包封的Ag NP浸漬來開發(fā)抗菌骨粘固劑的可行性，提供了依賴抗生素的替代方案。由于這些分子因微生物產(chǎn)生耐藥性而迅速失去效力，因此迫切需要一種超越這種感染處理方法的新解決方案。
圖1、TEM圖像(Bar等于50 nm)(a)和油酸銀封端NP的直徑累積分布(b)。實(shí)心點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，連續(xù)線為高斯擬合。
圖2、金黃色葡萄球菌(a)、MRSA(b)、表皮葡萄球菌(c)和鮑曼不動(dòng)桿菌(d)幸存者在含有不同量(w/w)Ag-NP的骨粘固劑上的生長曲線示例。0%，0.01%，0.05%，0.1%。
圖3、含有NP的骨粘固劑的MTT測定。
圖4、骨粘固劑中銀離子的釋放。釋放介質(zhì)中的濃度(a)和累積釋放(b)。(C)0.01%，(O)0.05%和(V)0.1%
圖5、在PBS中浸泡0小時(shí)(a)、24小時(shí)(b)、2周(c)和4周(d)后，通過納米壓痕試驗(yàn)測定含NP的骨水泥的楊氏模量。(●)0%、(▽)0.01%、(實(shí)心正方形)0.05%和(◇)0.1%。
總結(jié)
本研究成功地將油酸包封的銀納米粒子（AgNP）摻入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑中，以開發(fā)具有抗菌活性的新型骨粘固劑。研究結(jié)果表明，這種新型骨粘固劑在低濃度（0.05%w/w）下即可顯著抑制多種常見術(shù)后感染菌株的生長，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鮑曼不動(dòng)桿菌（A.baumannii）。特別是，0.1%w/w的AgNP濃度能夠完全抑制S.aureus和MRSA的生長，而對(duì)其他兩種菌株也顯示出顯著的抑制效果。此外，研究還評(píng)估了摻入AgNP的骨粘固劑的機(jī)械性能和細(xì)胞毒性。結(jié)果顯示，AgNP的摻入并未顯著影響骨粘固劑的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度，且在模擬生理環(huán)境的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中浸泡3個(gè)月后，其機(jī)械性能保持穩(wěn)定。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，AgNP的存在并未對(duì)成骨細(xì)胞（MC-3T3）的活性產(chǎn)生負(fù)面影響，表明其具有良好的生物相容性。
銀離子釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入0.05%和0.1%AgNP的骨粘固劑在7天內(nèi)持續(xù)釋放銀離子，且釋放速率隨時(shí)間逐漸降低。釋放的銀離子總量遠(yuǎn)低于可能引起系統(tǒng)性毒性的水平，確保了骨粘固劑的安全性。本研究證明了油酸包封的AgNP能夠顯著增強(qiáng)PMMA基骨粘固劑的抗菌性能，同時(shí)保持其機(jī)械性能和細(xì)胞相容性。這種新型抗菌骨粘固劑為預(yù)防術(shù)后感染提供了一種有效的非抗生素替代方案，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。Bioscreen設(shè)備被用于評(píng)估摻入不同濃度銀納米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑對(duì)細(xì)菌生長的影響。通過精確測量和記錄細(xì)菌的生長曲線，為評(píng)估摻入AgNP的骨粘固劑的抗菌活性提供了定量數(shù)據(jù)。
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