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骨粘固劑機械性能和細胞毒性的潛在影響。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)后感染風險較高，且抗生素耐藥性問題日益嚴重。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?？咕鷮嶒灡砻鳎擜gNP濃度達到0.05%時，對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AgNP的耐受性更強，但在0.1%濃度下仍表現(xiàn)出生長抑制。細胞毒性實驗采用MTT法評估了摻入AgNP的骨粘固劑對成骨細胞（MC-3T3）的影響，結(jié)果顯示，AgNP的存在并未對細胞的代謝活性產(chǎn)生負面影響，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估了摻入AgNP的骨粘固劑的機械性能。結(jié)果表明，即使在較高濃度下，AgNP的摻入也未對骨粘固劑的楊氏模量和抗壓強度產(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個月后，其機械性能保持穩(wěn)定。銀離子釋放實驗表明，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，且釋放速率隨時間逐漸降低。盡管如此，釋放的銀離子總量遠低于可能引起系統(tǒng)性毒性的水平。研究表明，油酸包封的AgNP能夠顯著增強PMMA基骨粘固劑的抗菌性能，同時保持其機械性能和細胞相容性，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)后感染風險并減輕抗生素耐藥性問題。
Bioscreen全自動生長曲線分析儀的應(yīng)用
Bioscreen全自動生長曲線分析儀被用于評估摻入不同濃度銀納米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑對細菌生長的影響。該設(shè)備通過測量細菌在骨粘固劑表面生長的光學(xué)密度（OD），來記錄細菌的生長曲線。這些生長曲線隨后被用于評估骨粘固劑的抗菌活性。使用了四種細菌：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）和鮑曼不動桿菌（A.baumannii）。這些細菌被培養(yǎng)在含有不同濃度AgNP的骨粘固劑樣品上。將細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。通過這些測量，設(shè)備記錄了細菌的生長曲線。
實驗結(jié)果
油酸包封的銀納米粒子可以賦予骨粘固劑抗菌特性，而不影響其機械性能和細胞相容性。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桿菌)的數(shù)量。這些病原體已知對常用于治療和預(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)。實心點為實驗數(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(a)、24小時(b)、2周(c)和4周(d)后，通過納米壓痕試驗測定含NP的骨水泥的楊氏模量。(●)0%、(▽)0.01%、(實心正方形)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，而對其他兩種菌株也顯示出顯著的抑制效果。此外，研究還評估了摻入AgNP的骨粘固劑的機械性能和細胞毒性。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度，且在模擬生理環(huán)境的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中浸泡3個月后，其機械性能保持穩(wěn)定。細胞毒性實驗表明，AgNP的存在并未對成骨細胞（MC-3T3）的活性產(chǎn)生負面影響，表明其具有良好的生物相容性。
銀離子釋放實驗結(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，且釋放速率隨時間逐漸降低。釋放的銀離子總量遠低于可能引起系統(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PMMA基骨粘固劑的抗菌性能，同時保持其機械性能和細胞相容性。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)用價值。Bioscreen設(shè)備被用于評估摻入不同濃度銀納米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固劑對細菌生長的影響。通過精確測量和記錄細菌的生長曲線，為評估摻入AgNP的骨粘固劑的抗菌活性提供了定量數(shù)據(jù)。
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