银基纳米复合物在口腔抗菌领域的研究进展

谢媛钰,吕 中

(武汉工程大学环境生态与生物工程学院,湖北 武汉 430205)

龋病是发病率极高的慢性口腔疾病,是引起口腔疼痛和牙齿脱落的主要原因,世界卫生组织将其列为仅次于心血管疾病和癌症之后的第三大非传染性重点防治疾病[1]。口腔中的致病菌与有机质黏附于牙齿表面形成牙菌斑生物膜,细菌在生物膜中代谢产生的有机酸、内毒素等是致病的直接原因[2-3]。采用高效抗菌剂抑制或杀灭口腔致病菌是预防和治疗龋病的重要手段。近年来纳米银(AgNPs)因抗菌谱广、强效、稳定性好、细菌不易产生耐药性等优点,在抗菌领域受到广泛关注[4-6]。AgNPs对浮游状和生物膜状口腔致病菌具有较高的抗菌活性[7],能够抑制和杀灭口腔主要致病菌,有望作为抗菌剂应用于口腔抗菌。AgNPs也存在明显不足,如细胞毒性较高[8]、容易聚集[9]等。将AgNPs与其它非银材料结合制备银基纳米复合物,不但能克服AgNPs在口腔抗菌领域应用上的不足,还可以通过AgNPs与非银材料之间的相互作用提高抗菌活性。近年来,研究人员合成了银/金属氧化物纳米复合物、银/碳材料纳米复合物、银/无机盐纳米复合物等用于口腔抗菌,取得了较好的抗菌效果。作者在此对近年来报道的用于口腔抗菌的银基纳米复合物的研究进展进行综述,以期为银基纳米复合物在口腔抗菌领域进一步的研究与应用提供依据和指导。

1 纳米银在口腔抗菌领域的研究进展

随着抗生素的普遍使用,细菌对抗生素的耐药性广泛出现。无机抗菌剂以细菌不易产生耐药性的优点重新引起人们的广泛关注。AgNPs是以纳米技术为基础研制而成的一种新型抗菌产品,与金属银相比,AgNPs具有抗菌谱广、效力持久等特点[5,10-11],对多种抗生素耐药菌株均具有高效的抗菌活性,因此,AgNPs作为口腔抗菌剂被广泛研究。

AgNPs对多种口腔致龋菌如变异链球菌(S.mutans)[12-14]、牙龈卟啉单胞菌(P.gingivalis)、具核梭杆菌(F.nucleatum)、伴放线聚生杆菌(A.actinomycetemcomitans)[15]均具有较强的抗菌活性。研究发现,AgNPs对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的抗菌活性与其粒径密切相关。Espinosa-Cristóbal等[13]比较了3种不同粒径(8.4 nm、16.1 nm和98.0 nm)的AgNPs对S.mutans的抗菌效果,发现抗菌活性呈粒径依赖关系,其中8.4 nm AgNPs的抗菌效果最好。作者所在课题组[18]研究发现,不同粒径(5 nm、15 nm和55 nm)的AgNPs对5种常见的口腔致病菌的抗菌活性表现出明显的粒径依赖性,与5 nm AgNPs的抗菌活性比较,55 nm AgNPs对A.actinomycetemcomitans的最低抑菌浓度提高7倍,对S.mutans、F.nucleatum和轻型链球菌(S.mitis)提高3倍,对血链球菌(S.sanguis)提高1倍,该研究结果为AgNPs在抑制口腔微生物感染方面的应用提供了实验依据,至今已被引用310次。

目前,一般认为AgNPs的抗菌机理(图1)可能与以下过程有关:AgNPs表面释放带正电的银离子,与表面带负电的细菌通过静电作用相互接触[19](途径①);AgNPs产生的活性氧(ROS)通过氧化作用引起细菌细胞壁的结构重排和形貌的改变,使其渗透性发生变化,从而进入细胞内部[20-21](途径②);进入细胞内的AgNPs与细胞膜呼吸链上的脱氢酶、氧化酶发生反应,抑制其活性并破坏细菌的呼吸作用,导致细菌死亡[22](途径③);AgNPs抑制蛋白质合成及DNA复制[23-24](途径④和⑤)。

图1 纳米银的抗菌机理Fig.1 Antibacterial mechanism of AgNPs

尽管AgNPs在抗菌方面有诸多优点,其在口腔抗菌领域的应用潜能依然受到以下缺点的影响:AgNPs的粒径越小,抗菌活性越高,但越容易发生聚集,从而导致抗菌效果变差[9,25];AgNPs的细胞毒性较高。为克服以上不足,研究人员将AgNPs负载到其它非银材料上制备银基纳米复合物用于口腔抗菌。目前已报道的银基纳米复合抗菌材料有银/金属氧化物纳米复合物、银/碳材料纳米复合物、银/无机盐纳米复合物等[26-27]。

2 银/金属氧化物纳米复合物在口腔抗菌领域的研究进展

金属氧化物中,氧化镁(MgO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)等金属氧化物具有稳定性高、生物相容性好、合成简便、原料易得等优点,对多种致病菌表现出一定的抗菌效果[28],常用于合成金属/金属氧化物复合物。半导体型金属氧化物在光诱导下能够产生ROS,AgNPs在光照下具有较强的表面等离子体共振效应,当金属氧化物与AgNPs形成复合物时,由于AgNPs和金属氧化物的相互作用,能够提高ROS的生成量,从而提高复合物的抗菌活性,同时还可以解决AgNPs的聚集问题[29]。

Alaizeri等[30]制备了Ag/MgO纳米复合物,与单一MgO纳米颗粒相比,Ag/MgO纳米复合物的光催化活性更高,且与人正常的内皮细胞具有良好的生物相容性。da Silva Rocha等[31]制备的Ag/ZrO2核-壳纳米粒子表现出更强的抗菌活性和更低的细胞毒性,可与其它口腔抗菌基底材料结合使用。

Gorbunova等[32]通过在多孔氧化铝(porous aluminium oxide,POA)基质中吸附AgNPs制备了Ag/POA纳米复合物,与POA相比,Ag/POA纳米复合物具有更强的抗菌活性,还可以阻止AgNPs的聚集。

图2 Ag与ZnO相互作用产生ROS示意图Fig.2 Schematic diagram of ROS generated by interaction between Ag and ZnO

Pokrowiecki等[37]用ZnO和0.1%的AgNPs制备了Ag/ZnO纳米复合物,并将其充分沉积在基牙表面,形成纳米涂层。该涂层具有良好的抗菌性能,能显著减少早期定植菌(链球菌)、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生物膜的形成。

TiO2由于毒性低、性质稳定、具备光催化活性等优良特性,近年来其与金属形成的复合物也常用于口腔抗菌。Ag/TiO2纳米复合物在可见光条件下对S.mutans有显著抗菌作用[38]。作者所在课题组[39-40]制备的Ag2O/TiO2纳米复合物能显著抑制S.mutans生物膜形成和产酸;LED光固化灯照射能显著增强Ag2O/TiO2纳米复合物在短时间内对S.mutans的杀灭能力,其抗菌机制涉及产生·OH、破坏细菌细胞结构、促使胞内ROS含量增加,从而破坏生物大分子的功能。Ag2O/TiO2纳米复合物的抗菌治疗方法简便,作用时间短,抗菌效果显著,具有应用于口腔临床抗菌的潜力。

3 银/碳材料纳米复合物在口腔抗菌领域的研究进展

碳材料具有稳定性高、比表面积大、生物相容性好、表面易被修饰、对多种致病菌具有抗菌活性等优点,可用作引导牙周骨组织再生的支架填充物[41]。将AgNPs负载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)和纳米金刚石(nanodiamonds,NDS)。

石墨烯纳米复合物对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都具有很强的抗菌能力[43-44]。石墨烯巨大的比表面积和良好的物理性能使其成为无机纳米颗粒的良好衬底。Peng等[45]用AgNPs覆盖还原石墨烯纳米片(reduced graphene nanosheets,R-GNS)获得R-GNS/Ag纳米复合物,该纳米复合物充分利用R-GNS和AgNPs之间的协同作用,对口腔致病菌白色念珠菌(C.albicans)、嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)、S.mutans、A.actinomycetemcomitans均具有优异的抗菌性能;R-GNS/Ag纳米复合物还可以在不影响机械性能的前提下,提高牙科修复体玻璃离子水门汀的抗菌活性[46]。

牙根管中的细菌聚集容易造成根尖周炎,对抗菌剂具有很强的抗药性,使用机械清洗根管可能会残留大量的生物膜和坏死组织[47]。Ioannidis等[48]在含水GO基质表面制备了Ag/GO纳米复合物,与常规的根管清洗方法相比,在超声激活下Ag/GO纳米复合物对根管内的微生物具有更好的抗菌效果,且具有低的细胞毒性和高的生物相容性,Ag/GO纳米复合物替代次氯酸钠作为根管清洗剂,具有潜在的应用前景。

NDS是一种新型碳纳米材料,对多种微生物具有杀菌活性[49],是纳米抗菌填料的优异基体,被广泛应用于各种牙科材料的制备[41]。Chang等[50]制备的Ag-金刚石@牛血清白蛋白(BSA)纳米杂化材料(Ag-ND@BSA)具有良好的胶体稳定性,且在相同的有效AgNPs浓度下,Ag-ND@BSA对细菌活性的降低幅度比Ag@乳白蛋白更大。利用AgNPs与NDS制备的纳米抗菌复合物,集结了NDS的优异化学稳定性与AgNPs的广谱抗菌性能,在口腔抗菌领域具有较大的应用价值。

4 银/无机盐纳米复合物在口腔抗菌领域的研究进展

传统的磷酸钙型无机盐类抗菌剂具备环境友好、成本低、细胞毒性低等优点,还可以使脱矿的牙釉质和牙本质再矿化[51]。随着对无机盐类抗菌剂的深入研究,发现单一抗菌组分抗菌剂的抗菌效果有限。将无机盐与AgNPs结合制备银/无机盐纳米复合物,如银/磷酸钙、银/钒酸盐、银/磷酸锆等,在添加量较少的情况下就能有效杀灭口腔中的致病菌[52-54]。

AgNPs的加入能够促进磷酸钙释放钙离子,具有潜在的促进脱矿牙体再矿化作用。Sears等[52]在树脂粘固剂中加入7.5%含AgNPs的无定形磷酸钙(amorphous calcium phosphate,ACP)微粒,显著增加了牙本质和牙釉质的再矿化深度,该复合物可在不影响树脂粘固剂粘接强度的前提下促进再矿化。Keskar等[55]利用喷雾热解法制备了银/磷酸钙纳米复合物,释放出的银离子具有抗菌活性,而释放出的钙离子和磷酸盐离子可以促进牙体的再矿化。Vidal等[53]将AgNPs修饰的银/钒酸盐纳米复合物引入牙科陶瓷中,可提高对S.mutans、A.actinomycetemcomitans的抗菌活性,并使其具有良好的机械性能。作为抗菌剂中的典型代表,银/磷酸锆纳米复合物不需要紫外照射,树脂基托中银/磷酸锆纳米复合物含量仅1%～7%即可对C.albicans、S.mutans、S.sanguis等致病菌表现出较高的抗菌活性[54],远超传统抗菌剂。银/磷酸锆纳米复合物近年来受到了研究者的广泛关注,其在临床口腔领域的应用范围不断拓宽。

5 新型银基纳米复合物在口腔抗菌领域的研究进展

除上述银基纳米复合物外,研究人员还将AgNPs负载到季铵盐[56]、壳聚糖[57]等材料上制备各种纳米复合物。将AgNPs与季铵盐类聚合物相结合,能进一步提升抗菌活性、降低细胞毒性[58]。并且随着纳米技术的进步以及病患对口腔抗菌剂要求的不断提升,银基纳米复合物不再局限于2种材料结合的形式,新型银基纳米复合物不断出现。张东等[59]在以磷酸锆为载体的银基抗菌剂中加入少量的ZrO2,得到一种新型纳米复合物——磷酸锆载银,该复合物有利于加强口腔烤瓷材料的强度和硬度,对黏附在釉层表面的细菌有致死作用,能长期保持表面接触抗菌作用,不会对口腔菌群产生不良影响。范伟等[60]采用模板法制备了不同银锌比的载银锌介孔钙硅纳米复合物,其内部含有丰富的介孔结构,比表面积大,对根管再感染的优势菌粪肠球菌具有显著的抗菌效果,是一种潜在的根管消毒材料。Cao等[61]以新型光固化核壳溴化银(AgBr)和季铵甲基丙烯酸酯为原料制备了粒径均匀且分散良好的AgBr/季铵甲基丙烯酸酯纳米复合物,作为树脂基牙科材料,对S.mutans具有较强的抗菌活性,且抗菌活性持久,是一种有前景的预防二次龋和延长树脂复合修复体寿命的材料。这些新型银基纳米复合物的出现,使口腔抗菌剂的种类和功能日新月异,也为口腔医学的发展提供了广阔的平台。

6 展望

通过形成银/金属氧化物、银/碳材料、银/无机盐等纳米复合物,在一定程度上能够克服AgNPs在使用上的不足,提高材料的抗菌活性,扩大材料在口腔抗菌领域的应用。虽然目前已经有很多研究报道表明,银基纳米复合物相比于单一的AgNPs在稳定性、抗菌活性和细胞毒性方面有很大改进,但大部分研究还停留在试验阶段,真正应用于口腔临床的较少,其应用研究有待加强。同时,银基纳米复合物在口腔临床中要广泛使用还需解决材料色泽的美观问题。此外,还需深入探究新型银基纳米复合物对口腔微生物环境和代谢系统的影响,进一步评估其生物安全性。随着纳米合成技术的不断进步和优化,将有更多新型、多功能的银基纳米抗菌剂被合成且应用于口腔抗菌,以减少口腔疾病的发病率。