常见金属载体支架材料抗菌作用的研究进展

王祖旭 张晓明 曹 飞 张 敏 董昕玥

滨州医学院附属医院口腔修复科，山东滨州 256600

目前在医学、农业和兽医学等方面，由于人类对抗生素的滥用，导致越来越多的细菌对抗生素产生了耐药性[1]，多重耐药菌感染是当今公共卫生面临的一个重要挑战[2]。近年来，耐药菌出现的速度远远超过了新抗生素的研发速度，因此迫切需要新的抗菌手段来解决这个问题。金属离子具有优良的抗菌性能和显著的抗菌优势[3]，包括金属离子有多种抗菌机制；尺寸较小，能穿过细菌的肽聚糖细胞壁和细胞膜，进入细菌的细胞质中发挥作用；性质稳定，可以从死亡细菌的体内释放出来持续发挥作用，杀死其余细菌，获得持久的抗菌效果。而金属离子发挥作用需要载体支架，常见的载体支架包括有机框架材料类、静电纺丝材料类和水凝胶类等。本文回顾金属载体支架材料的抗菌作用效果，就常见的金属载体支架材料抗菌作用进行综述，以期为金属离子的抗菌应用和新支架材料的研发提供理论基础。

1 金属离子的抗菌机制

研究表明，金属离子的杀菌机制主要有活性氧的产生、阳离子释放等，包括对细菌细胞壁的作用，对细菌体内酶、蛋白质和DNA的作用，催化细菌产生活性自由基[4]。目前最常用于抗菌的金属离子是银离子[5]，有研究表明其杀菌方式包括：银离子与膜蛋白相互作用干扰细菌的正常生理功能；银离子进入细菌内产生活性氧，影响细菌的DNA表达；银离子聚集在细胞膜的表面，影响细菌的细胞膜通透性。而铜离子主要通过直接接触的方式发挥抗菌作用[6]。铜离子与细菌接触后造成细菌的细胞膜破裂，导致胞膜电位改变和胞质溢出，同时在细菌内部产生活性氧，使细菌结构的损伤进一步加重，最终导致细菌的遗传物质发生降解[7]。

2 金属离子发挥抗菌作用的载体

金属离子常见的载体支架有金属有机框架材料类、静电纺丝材料类、水凝胶类、硅胶类和蒙脱石类等。本文主要介绍常见的金属有机框架材料、静电纺丝材料及水凝胶材料。这些材料具有孔隙率高、比表面积大、能持久缓释、生物相容性好及对人体无毒害等优点，因此是最佳的载金属离子材料[8-13]。

2.1 金属有机框架材料（metal organic frame material，MOFs）

MOFs是近年来发展迅速的一种多孔无机-有机杂化材料，由无机材料与有机材料结合形成，通常由金属离子作为连接点，有机配位体支撑形成立体结构。该材料具有较强的金属离子负载能力，同时还具有良好的生物降解性和功能结构多样性。与直接将大量的金属离子暴露于体内相比，MOFs可以发挥缓释作用，从而达到长期有效的抗菌效果，又避免了大量的金属离子突然发挥作用对机体组织造成损伤[14]。

NOMIYA等[15]利用硝酸银与咪唑合成了含银的金属有机框架，并发现其对细菌、酵母和霉菌具有有效的广谱抗菌活性，且杀菌抑菌作用远远强于同等剂量的硝酸银单独发挥作用，该研究表明MOFs可以使金属离子和有机配体发挥协同作用，达到良好的抗菌效果。有学者以硝酸钴和配体TDM为原料制造出了一种基于钴的新型金属有机骨架Co-TDM，并以大肠杆菌为模型菌来研究这种新型材料的抗菌作用[16]，结果在透射电镜下发现与Co-TDM共同孵育的大肠杆菌失去了细胞凝聚力，外膜严重受损，证实了Co-TDM对细菌有较强的杀灭作用。并通过对照研究发现，同等浓度的硝酸钴对照组与配体TDM对照组对大肠杆菌均无明显杀灭作用，该实验进一步表明与单纯的金属离子相比，MOFs有更强的抗菌效果，可以降低给药浓度，减少对机体正常组织和细胞的毒副作用[16]。同时研究表明，Co-TDM具有独特的多孔网状结构、可调节的表面官能团和金属配位，因此有可能为MOFs在其他生物领域的应用带来新的方向[16]。有学者合成了两种银基金属有机材料[17]，发现这两种材料有不同的三维结构，均有利于银离子的缓慢释放，同时这两种MOFs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有长期的高抗菌活性，并且其最低抑菌浓度（MIC）远低于大多数常用的银基化合物[7，18]，通过动物实验发现，注入MOFs的小鼠体内血液学和血细胞形态学检测未见明显异常，表明MOFs的生物相容性良好，无明显细胞毒性。有学者通过逐层生长技术在真丝纤维表面生成铜的金属有机框架纳米结构，发现Cu-BTC的形态取决于超声波辐射，随着pH值的增加，Cu-BTC的颗粒尺寸也在增加，发现原始的真丝纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌无抗菌活性，而表面附着Cu-BTC涂层的真丝纤维有明显的抑菌效果，且抗菌活性与Cu-BTC的浓度呈正相关，其抑菌作用的发挥是由于Cu-BTC颗粒中的铜离子浸出到周围的水介质中[19]。

目前的研究均表明MOFs在体外可以发挥较好的抗菌作用，但是其在体内的作用仍有一定的局限性。MOFs在生物体内的稳定性较差，其在复杂的生理条件下容易分解，因为MOFs主要依靠金属与配体之间的配位键和配体与配体之间的分子间作用力来维持稳定，这些作用力很微弱，因此需要更深入的研究对MOFs进行修饰以改变性质，使其具有更好的稳定性[20]。

2.2 静电纺丝（electrostatic spinning）

静电纺丝主要通过强电场的作用使聚合物溶液喷射纺丝，注射器针头处的液滴呈称为泰勒锥的圆锥形，泰勒锥内部的静电力变得大于表面张力，从而从锥体产生液体射流，获得纳米级别直径纤维细丝[10]。静电纺丝技术简单易行，而且适用于多种材料，因此广泛应用于医药、航空航天、农业和纺织业等领域[21-22]。静电纺丝包括多层静电纺丝、混合静电纺丝和同轴静电纺丝等[23]，同轴静电纺丝的同心喷丝头可以容纳两种不同的液体，在静电纺丝领域是一个巨大的突破，可以加强电纺丝的缓释作用。

QIAN等[24]通过浸渍银离子对电纺丝支架进行涂层，获得了银改性的胶原涂层电纺丝支架，发现电纺丝有良好的力学性能；对变形链球菌和金黄色葡萄球菌有较强的抑菌作用，且支架材料对银离子的缓释过程可达16 d，能维持较长时间的抗菌效果；同时发现该支架材料能促进小鼠胚胎成骨细胞的增殖，并且支架的三维多孔结构能为细胞募集创造有利的微环境；在小鼠牙周炎模型中发现该材料制成的GTR膜能促进牙周组织再生，对牙周缺损具有抗菌作用和成骨刺激作用，有良好的临床应用前景。有学者通过同轴静电纺丝技术在聚丙烯腈纳米纤维表面镀银纳米颗粒获得了一种新型的抗菌纳米纤维[25]，此电纺丝的直径、分布和表面形貌均优于单流体静电纺丝，且纳米银颗粒仅分布于电纺丝表面，该电纺丝对于作为革兰阴性菌属代表的大肠杆菌和革兰阳性菌属代表的枯草芽孢杆菌均有较强的抗菌活性[26]。

2.3 水凝胶（hydrogel）

水凝胶是一类具有三维网格状结构的亲水性凝胶，能吸收大量水分而不溶于水，具有良好的生物相容性，广泛应用于药物缓释、组织工程等方面，且很多产品已被应用于临床。温敏水凝胶是一种随着温度变化可以从溶胶转化为凝胶状态的水凝胶[13]，利用这一特性，可调整材料配比使其在低温状态下呈溶胶状态，在接近人体温度时呈凝胶状态，从而达到更好的临床效果。因此，温敏水凝胶作为可注射型生物材料在生物医学中得到广泛应用，尤其是作为载体缓释药物方面[27-28]。

MASOOD等[29]合成了银粒子浸渍的壳聚糖-聚乙二醇（PEG）水凝胶，发现该水凝胶对糖尿病家兔创面的抗菌效果良好，且水凝胶内的银离子缓释效果至少可以维持7 d。XIAO等[30]制备了铜金属有机骨架纳米颗粒嵌入抗氧化剂温敏水凝胶（HKUST-1 NPs），发现HKUST-1 NPs能够在保持PPCN抗氧化性能的同时，使铜离子持续释放，降低了铜离子的细胞毒性，促进了细胞迁移、血管生成和胶原沉积，并加速了糖尿病小鼠的伤口愈合。GWON等[31]制备出了Cu-MOF1、Co-MOF2和Zn-MOF3，并通过紫外光聚合嵌入PEG水凝胶中，发现包埋MOFs的水凝胶没有细胞毒性，且具有良好的生物相容性，同时发现MOFs的中心金属和结构比配体对抗菌效果的影响要大，且不同中心金属组成的MOFs的物理性质比配体性质或金属离子的释放量更重要。ZHANG等[32]通过细菌纤维素强化了海藻酸钙水凝胶，并载入锌离子，获得了一种新型的敷料，发现该水凝胶内部呈现多孔结构，可见纳米纤维交织排列，这种粗糙的纳米纤维构造有利于细胞的黏附与生长，并发现当锌离子浓度超过0.0001%时，水凝胶开始具备良好的抗菌活性。金离子具有优良的化学和生物特性，如高导电率、低温下的高催化活性、良好的生物相容性、局部表面等离子体共振效应、低毒性和抗菌活性等，含金离子的纳米颗粒使水凝胶有了新的特性，比如耐受性、热稳定性和更优良的生物相容性等，因此含金纳米颗粒的水凝胶复合材料已被广泛应用于生命科学领域[33]。近期有学者成功合成了可注射胶原纳米晶纤维素壳聚糖载金纳米颗粒水凝胶，由于水凝胶内部大分子间的席夫碱交联反应，该款水凝胶可以快速成胶[34]。同时有研究发现该水凝胶对3T3成纤维细胞无明显细胞毒性，具有良好的生物相容性，较高的力学强度和抗降解性以及较强的抗菌活性，因此这款可注射型水凝胶具有良好的临床应用前景[35]。

3 总结与展望

综上所述，金属离子具有良好的抗菌作用效果和广阔的应用前景，MOFs、静电纺丝和水凝胶等载金属离子支架材料的应用具有巨大潜能，但是目前的研究多集中在实验室研究，距临床应用还有一定差距，主要有以下几点需要完善：①目前关于金属离子在人体内作用效果的研究还相对较少，在使用金属离子替代抗生素之前，必须进行大量的体内临床试验；②如何实现金属离子的靶向递送与精准释放同样是一大难题，必须控制合适的作用浓度以平衡其抗菌活性与对机体的副作用；③MOFs、静电纺丝、水凝胶等金属离子载体的制备条件苛刻，目前还难以做到量产，同时其在体内的生物及化学作用效果也需要严格把控。以上问题都限制了金属载体支架材料的应用，但相信随着研究的逐渐深入，最终能够实现广泛的临床应用。