生物材料引起的細菌感染是植入體臨床治療中非常嚴峻的問題。一旦植入物被感染，細菌往往會附著在生物材料表面，通過一系列反應(yīng)在體內(nèi)形成生物膜，以抵抗抗生素和機體免疫系統(tǒng)的作用。因此大量患者需要接受二次手術(shù)，這給患者造成極大的痛苦和沉重的經(jīng)濟負擔(dān)。無機抗菌劑銀(Ag)由于其抗菌時效性高、抗菌作用強、不易產(chǎn)生細菌耐藥性等顯著優(yōu)點，正迅速發(fā)展成為抑制骨感染的抗菌候選材料。近日，來自杭州電子科技大學(xué)的邵惠鋒副教授、龔友平教授以及浙江大學(xué)的賀永教授就含銀生物材料在生物醫(yī)用硬組織植入物中的應(yīng)用進行了探討。圍繞以下問題展開討論：1) 銀是如何實現(xiàn)高水平抗菌活性，同時又不易引起細菌耐藥性的；2) 如何選擇合適的方法將銀與生物材料結(jié)合；3）如何進一步研究含銀生物材料在硬組織植入物中的應(yīng)用。另外，文章還著重討論了銀對生物材料的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和生物學(xué)性能的影響（圖1）。最后，作者在論文中對銀在商業(yè)化應(yīng)用和深入研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向進行了展望。相關(guān)論文以“Silver-containing biomaterials for biomedical hard tissue implants”為題發(fā)表于《Advanced Healthcare Materials》期刊上。杭電邵惠鋒副教授、杭電龔友平教授和浙大賀永教授為共同通訊作者。
首先，作者對銀離子（Ag+）與銀納米粒子（AgNPs）的抗菌機制進行了系統(tǒng)總結(jié)（圖2）。目前，廣泛接受的殺菌機制主要包括以下幾種：(1) 與細菌細胞的膜和細胞壁相互作用，導(dǎo)致細胞的破壞和死亡；(2) 破壞細菌細胞內(nèi)的生物分子，如DNA和蛋白質(zhì)；(3) 產(chǎn)生活性氧（ROS）；(4) 干擾細菌細胞信號傳導(dǎo)途徑。
圖1 含銀生物材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
圖2 Ag+和AgNPs對細菌的作用方式的總結(jié)
然后，作者討論了銀在生物陶瓷材料（圖3）、生物活性玻璃（圖4）、金屬材料（圖5）、聚合物材料（圖6）和涂層（圖7）中的應(yīng)用，并探討了銀對生物材料的物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的影響。
通過引入銀，這些生物材料能夠獲得抗菌性能。銀的存在可以抑制細菌的生長和繁殖，從而有效地預(yù)防和控制細菌感染。作者強調(diào)了通過不同方法將銀與生物材料進行結(jié)合對于材料的抗菌性能至關(guān)重要，因為它決定了銀離子釋放速率和濃度。適度的銀離子釋放可以確保持續(xù)的抗菌效果，而過高或過低的釋放速率可能導(dǎo)致細胞毒性或抗菌性能不穩(wěn)定。
對于生物陶瓷材料、生物活性玻璃、金屬材料、聚合物材料和涂層等不同類型的生物材料，銀的引入還可以影響其物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)。銀的添加可以改變材料的表面特性、材料的力學(xué)性能以及材料與周圍組織的相互作用。這些改變可能進一步提高材料的生物相容性、降低細菌附著，從而促進材料的長期穩(wěn)定性和臨床應(yīng)用。
圖3 含銀的生物陶瓷在骨組織中的應(yīng)用
圖4 含銀的生物玻璃在骨組織中的應(yīng)用
圖5 含銀的金屬材料在骨組織中的應(yīng)用
圖6 含銀的聚合物材料在骨種植物中的應(yīng)用
圖7 含銀涂層在骨組織中的應(yīng)用
最后，考慮到缺少臨床試驗評價以及銀誘導(dǎo)的細胞毒性等挑戰(zhàn)，作者對銀在臨床領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用以及學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的未來發(fā)展提出了自己的看法（圖8）。
圖8 含銀抗菌支架在臨床商業(yè)化和進一步學(xué)術(shù)研究中的展望
在未來的臨床商業(yè)化應(yīng)用中，對含銀產(chǎn)品中銀的生物效應(yīng)和安全性進行深入研究具有重要意義。實現(xiàn)超強的抗菌活性可有效提高抗菌劑的利用率，從而降低抗菌劑的生產(chǎn)成本。此外，對銀的釋放動力學(xué)和存在形態(tài)進行全面研究也十分必要。銀的釋放量、釋放速度以及銀的存在形態(tài)是預(yù)測和分析銀在體內(nèi)暴露情況和潛在風(fēng)險的基本信息。另外，評估銀在體內(nèi)的安全性，特別是Ag+和AgNPs在體內(nèi)的吸收、代謝和排泄，以及其在體內(nèi)可能的長期毒性風(fēng)險，從而避免對人體的負面影響。
在更深層次的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，作者提出了以下觀點：（1）開發(fā)銀的智能抗菌形式，以應(yīng)對與全身毒性、細菌耐藥性和提高生物利用度相關(guān)的問題；（2）通過添加其他材料來降低細胞毒性并增強抗菌性能，這可能成為未來研究的重點；（3）通過優(yōu)化支架改性技術(shù)，包括摻雜技術(shù)和表面改性技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)，結(jié)合3D打印技術(shù)開發(fā)新型的抗菌劑修飾的骨支架，以保持高機械性能、實現(xiàn)良好的抗菌效果和生物相容性。盡管在該領(lǐng)域存在一些挑戰(zhàn)，通過持續(xù)的研究和進一步推動相關(guān)策略的發(fā)展，含銀抗菌骨支架在未來有望成為治療骨感染和骨缺損的有效工具。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300932
京公網(wǎng)安備11010802046783號
