银纳米抗菌技术的作用

jonneyhuang

                                      银纳米抗菌技术的作用

长期以来，感染和疾病的研究者们认为细菌是简单、独立、自由飘浮的单细胞有机体。根据这一观点，许多控制人体内感染的研究工作采用自由飘浮的微生物实验室模型。然而在过去十年中，科学家和临床医生发现自然环境中的细菌常常生存在有高度组织性的群落中，它们甚至具有进行低级形式交流的能力，这些群落被称为生物膜。1

科学家发现，生存在生物膜中的有机体的行为同存在于自由漂浮或浮游状态中时非常不同，它们能够附着在特定区域，构建防御结构，并用化学信号进行交流，从而通过数量上的优势和协同合作来抵御宿主的自然防御系统。此外，生物膜能够抵御许多曾被认为是对抗感染安全有效的治疗方法。

生物膜被公认是导致许多接受医疗设备治疗病人罹患致命感染的罪魁祸首。但是，确定生物膜的作用比抑制其生长要容易得多。大多数已知的病原体能够形成生物膜，而且一旦在设备表面形成，便很难再除去。

因此，医疗设备生产商亟需采取措施防止生物膜的形成。一种正在研究的方法是在设备中添加抗菌特性。其原理在于抗菌处理能够抑制生物膜的形成。然而，生产商面临的难题是找到一种抗菌试剂，既能有效广谱抗菌，同时又不会使周围的健康组织产生不良反应。

现在，越来越多的生产商把目光投向银试剂，试图从中寻找答案。银是已知最古老的抗微生物试剂之一。近期在CMDM夏季刊的一篇文章中，讨论了几种利用银抗微生物技术进行抗菌处理方法的优点与局限性，并综述了离子电浆沉积法。2 本文将讨论生物膜及其在医疗设备表面的形成，同时介绍一种能够有效防止生物膜形成的新银纳米技术化学。

防止感染

目前，银抗菌剂被广泛用于抵御伤口和烧伤的感染，其原理在于病原体无法通过突变来抵御抗菌作用。在开发治疗伤口和烧伤银技术的过程中，研究者深入探究了银抗菌剂即使针对恶性病原体依然保持有效性的能力。

银灭菌。当银从储存器中取出置入水溶液，它便能够发挥抗菌作用。带正电的离子对于微生物具有高度毒性，但对于人体组织细胞而言毒性则相对较低。

银能够通过多种途径破坏微生物的重要生理功能。例如，银对于生物分子上带负电的侧基团具有高度亲合性，这些侧基团包括巯基、羧基、磷酸基和其他分布在微生物细胞上的带电基团。这些结合反应改变了大分子的结构，使其丧失活性。

银能够同时进攻细胞内多个位点，使细胞丧失一些重要的生理功能，如细胞壁合成、膜运输、核酸(如RNA和DNA)合成和翻译、蛋白质折叠和功能，以及为细胞生产能量的电子传递，从而抑制细菌的生长，更常见的是导致微生物死亡。            微生物对银抗菌剂产生抗药性是非常罕见的，因为这意味着有机体在一代中要同时突变所有的关键功能来逃避银的作用。自发突变是极少发生的，平均每十万次分裂中才发生一次，因此微生物在一代中发生多重依赖性突变的可能性微乎其微。由于银能够对微生物细胞的多种功能产生影响，不具有选择性，从而能够广谱对抗医学相关微生物如细菌、真菌和酵母。同时由于银在微量时就能够显示极高活性，因此它比传统的抗菌素更有效。对于一些细菌，十亿分之一剂量的银就能有效抑制细胞的生长。3

自然界中的生物膜

良性生物膜。不是所有的生物膜都是有害的。所有的动物，包括人类，在其体内不同的部位都有细菌的生长。这些细菌的存在对健康是非常有益和重要的。例如肠里有大量的厌氧菌存在，在消化过程帮助分解复杂的食物分子以及生成有用的化合物如维生素等。它们的存在甚至还能够帮助抵御食物中携带的病原体。

此种生物膜能够产生对细菌不利的环境，使得细菌无法粘附或侵入组织。粪便中包含的大量埃希氏杆菌、类杆菌、肠球菌、乳酸菌、梭菌、链球菌和变形杆菌等多种有机体就是明证。这种独特的生物膜群落能够保障粪便排泄过程中自身能滞留在肠中，从而维持其数量。生物膜也是重要的天然净水剂，因此污水处理厂的设计针对某种具有清除污水中可溶性固体能力的生物膜，鼓励其生长。4

不良生物膜。然而，不是所有的生物膜都合乎人类的心意，例如牙斑就是一种令人讨厌的生物膜。坚固的生物相容性材料可制**工关节，用于替换因外伤或疾病遭到破坏的关节表面；在软组织中植入起搏器，能够提供维持正常心跳的电信号；人工心脏瓣膜和Teflon衬套常常用于血管修复；植入式监视器不久后将可为糖尿病患者从内置泵输送胰岛素，控制血糖含量。在这些例子中，医疗设备的非生物性表面通常带有较高的生物相容性，因而极适于生物膜的形成。这为有害微生物提供了可乘之机，使它们有立足之处，并可能引发致命的感染。

生物膜能够形成于人工心脏、支架、尿导管和静脉中心导管、隐形眼镜、子宫内设备、关节和牙种植体等的表面。随着植入设备市场的快速增长，人们越来越重视设备表面生物膜的控制问题。内置医疗设备引发的感染是全国性的公共健康问题，在美国住院病人死亡原因中名列第五。5

有害生物膜。不幸的是，由内置性设备引发的感染是普遍存在的。据报道，在医院中接受静脉注射或插入中心静脉导管的病人中有2-4%的比例会发生感染。每20名住院病人中有一名会发生感染。据估计，仅一次医院感染就将增加38,600美元的医疗护理费用，而严重的手术后脓毒症则可能使此费用增至58,000美元。6

认识生物膜

生物膜是有机体在物质表面形成的一层粘附层。在潺潺溪水中岩石上的粘滑物质就是一种典型的天然生物膜。生物模是由原本处于自由浮游状态的微生物，转变为粘附于物质表面所构成的，这种转变通过改变基因来实现具备粘附能力。一旦有机体粘附到物质表面，便不断繁殖形成群体，该群体中所有的有机体都具有粘附特性。

一个有趣的现象是，生物膜能够通过化学信号同其他微生物进行交流。7 它们的化学信号具有特定的意义。例如，粘附的有机体能够向自由状态的同伴发送启动粘附功能基因的信号，使它们也能粘附到表面。而另一种不同的信号则能够促使生物膜中的所有的有机体开始分泌粘性的碳水化合物，在有机体的周围形成厚厚的多糖层。该多糖层能够保护有机体，抵御患者免疫系统的抗感染细胞和体液因子对于病原体的隔离和消灭。

在1979年，人们发现了另一种信号，能够引起群落中的细胞同时开始生产毒素。这种协调信号被称为群体感应信号。宿主的免疫系统一开始无法觉察到隐藏在生物膜中的有机体，要等到发展到相当规模，开始侵入深层组织内部才会被发现。生物膜是微生物产生感染准备阶段的一种有效形式。它使得有机体在生物模形成阶段不为免疫系统所发现，待到有机体繁殖至足够数量时，一举摧毁宿主的防御机制。8

临床上面临的主要问题是，一旦生物膜形成，便极难除去。用于杀灭自由状态微生物的抗生素能够减少临床的感染症状。然而一旦停止这一抗生素疗法，生物膜中的有机体就会发动新一轮的感染。复发的治疗可能极为昂贵，而且对于许多缺乏抵抗力的患者而言，可能得移除植入设备，更为严重的话甚至会死亡。

突变的病原体如何击败抗生素

微生物从自由状态转变为生物膜状态必须经历剧烈的变化。为了实现该过程，微生物激活了形成生物膜所需蛋白质的编码所在的基因。这些基因的表达使得有机体看起来完全不同，以致可能产生错觉，以为它们是完全不同于浮游状态的微生物。这一巨大变化增加了抗感染针对性药物治疗的难度。生物膜细胞壁中高达40%的蛋白质不同于原始浮游状态中的形态。不断的变化使得生物膜极难被杀灭。近期研究显示，在生物膜蛋白质千变万化的发展阶段中，目前已确定的就达五个阶段之多。9

该微生物群落具有粘着的、多相的形式，能够根据环境来调节数量的变化。浮游状态能够实现快速、广泛的散布，而生物膜则能够经受抗性因子的进攻。病原体的突变能力和高抗菌素抗性使得植入医疗设备的病人不得不依赖于抗生素治疗，而对于感染的复发治疗却收效甚微。经验显示，同消灭浮游状态的细菌相比，要消灭生物膜中的细菌所需要的抗生素量需要增加1500倍。10

采用银抗菌剂对付生物膜

生物膜一旦开始形成就极难消除。防止医疗设备和植入物上生物膜的形成是控制细菌引发感染的关键。由于生物膜的形成依赖于表面，一种防治策略是改良器材的表面，使其不利于微生物的生长。目前银离子已成为表面改良的首选材料，理由如下：

• 具有广谱抗菌活性。
• 组织耐受性好。
• 与大多数医疗设备材料的兼容性强。
• 能够被复合到基质中或涂到表面上，并且基本上没有排斥性。

表面应用化学的方法虽然不同，但是通常是在医疗设备的表面沉积金属银或银盐离子。这两种形式在潮湿环境中都能够发挥作用。盐离子的缺点在于其有效期较短，通常只有几天，而金属银纳米粒子可持续提供银抗菌剂的有效期则长达一百到两百天。

纳米银粒子(直径小至细菌的千分之一)是抗菌作用储存的源泉。当无抗菌特性的金属银经氧化作用，转变为银离子释放，即实现了存储的抗菌作用。一旦粒子表面接触到潮湿的环境，如与体液接触的时候，该化学反应即会发生 。由于金属银的氧化过程非常缓慢，因而可以在设备上持续地发挥作用。

表面积。由于银不易于被氧化，因此纳米粒子对实现上述储存抗菌作用至关重要。粒子的体积越小，单位体积的表面积就越大，进行氧化反应的面积也就越大，例如，一克球状纯银的表面积为10.6平方厘米，而一克直径为10纳米的银纳米粒子的表面积为60万平方厘米，这一巨大增加提供了要持续释放银离子所需的表面积。

银纳米技术。研究人员们采用了一些方法，可将银纳米抗菌剂粘附于医疗设备的表面。最为典型的如真空溅镀和等离子弧沉积技术，可将设备表面的银直接蒸发。使用这些技术需要特殊的设备。

离子电浆沉积（IPD）。IPD技术是一种表面工程技术，用于将氧化银分子沉积为有序排列的层，可以通过调节这些分子，实现不同的银释放速度或总的释放周期。最近的试验表明IPD银纳米技术能够有效抵御生物膜相关的病原体，包括大肠杆菌、肺炎链球菌、金色葡萄球菌、黑曲霉等。11

溶液中的银纳米粒子。溶液中的银纳米粒子是新近开发的一种技术，源于银抗菌剂作为烧伤和伤口敷料的应用。这些敷料剂目前在全世界应用广泛。这一银抗菌剂应用的新平台已证实能够防止在医疗设备上形成生物膜，同时解决了现有商业技术存在的问题。该技术根据医疗设备的需要或特征，可采用水溶液或溶剂为基础的处理工艺。在处理过程中，外层银纳米粒子在接触空气或体液时被氧化，此时每个纳米颗粒的外部会形成单层氧化银(Ag2O)。该氧化银继而溶解在体液中，便会产生能够杀灭微生物的银离子形式的银抗菌剂。由于在医疗设备表面存在大量直径为5到15纳米的纳米粒子，从而在设备上形成了抗菌银的大量储存和巨大的表面积。银纳米粒子活性持续时间取决于其抗菌处理的程度。采用放射性银进行的洗脱研究显示，该技术能够实现一年以上的抗微生物作用。

该方法更近似表面加工过程，而非涂层工艺。与许多表面涂层方法不同的是，使用该方法加工后，即使是很小的医疗设备，其尺寸也不会发生改变。此一基于溶液的方法处理过的表面由紧密附着的银粒子所沉积形成。该沉积发生在同液体有接触的任何表面。要使银流动到弯曲处的角落里是困难的，然而溶液中的银纳米粒子便能够解决这一问题，该方法不采用溅镀或等离子，而是采用流体输送工具将银输送到所需的表面上。例如，导管的外表面和内腔可以同时加工处理。

应当指出的是，不希望加工的区域可以被覆盖起来，这一点是目前如真空沉积或电镀等商业化银抗微生物技术所无法实现的。

银纳米抗菌粒子是设计来沉积在完工的医疗设备表面的。大多数医疗设备生产商倾向于采用表面技术。因为，当在设备基础材料的混合物中增添新的成分而引起组成变化时，将必须进行重新鉴定过程，而采用表面技术则可免去这一工序。

据应用领域和持续周期的不同要求，研究发现在设备表面沉积百万分之一百至三千的银能够预防广谱病原体生物膜的形成（见图1）。在一项研究中，将经过处理和未经处理的材料放置在有利于生物膜形成的培养环境中，然后分别对其生物膜的形成状况进行研究。将测试材料放入一种介质中，该介质的组成为0.1%蛋白胨，0.25%葡萄糖和1%成牛血清。之后将该介质接种临床分离的新鲜O/N培养物中的104到105种有机体(大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌和白色念珠菌)。该培养物经72小时培育后，将其非生物膜有机体彻底洗去。

加入代谢染料XTT4小时后，对生物膜进行定量分析。用分光光度法来测定显色后，显示经过处理的材料对于XTT染料的转变与未接触任何微生物的材料相同，因此可以认为经过银处理能够完全预防生物膜的形成。

虽然银从经过处理的表面缓慢释放，其主要功能应该仍发生在近表面处，在该处消灭接近的微生物。图2显示了银粒子沉积在玻璃上，通过透射电子显微镜呈像。粒子的尺寸在2到20纳米之间，平均为11.6纳米。在单独的分析中，采用能量色散光谱分析了经处理和未经处理支持材料的纳米粒子元素组成。经过处理的材料检测到的粒子为银，而在未处理材料上未检测到银(见图2插图)。银实际释放出的量大大低于可能危害人体健康细胞的剂量。

该处理过程对于多种材料有效，包括玻璃、不锈钢、钛、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、硅酮、尼龙和Teflon。处理过后的银附着力极强，连擦洗或超声清洗都无法除去。通过电子显微镜可观察到，该处理将银粒子限制在底物材料的表面。有效周期则可透过处理时改变银密度来调节。图3显示一个经过处理的基质持续释放银，在该分析中尼龙支持材料经沉积处理，每公斤材料的表面上沉积大约650毫克110-m银。该材料随后放入每天更换的新鲜洗出液中，每次更换时，通过γ计数器确定剩余的银含量。结果显示具有3个释放周期，大约20%的银在最初72小时内洗出，在接下来的7天中又洗出9%，此后平均每天洗出约0.7%，结果显示该应用的生物活性能够保持150多天。

该方法的灵活性使得加工过程能够根据顾客对于设备的要求进行调整，例如同永久性植入设备相比，在组织中仅停留数天的设备只需要较少的抗微生物银的剂量。该制备过程相对简单，不需要特殊的设备，实践证明能够有效产生持续释放活性。

结论

确定生物膜的作用比找到抑制方法要简单得多。生物膜一旦形成，便极难从医疗设备表面除去。生物膜的形成导致许多接受医疗设备治疗的患者发生致命感染，因此许多医疗设备生产商亟需采取措施防止生物膜的形成。人工关节、起搏器、人工心脏瓣膜和植入式监视器等设备通常具有生物相容性，而极适宜生物膜的形成。

一种目前研究中的方法是在设备中加入抗微生物的特性。其原理在于抗微生物处理能够阻止生物膜的形成。然而，生产商面临着确定抗菌试剂的难题，此试剂须既能有效广谱抗菌，同时又不会使周围的健康组织产生不良反应。

银是一种已知最古老的抗微生物试剂之一，现在，越来越多生产商把目光投向银试剂，试图从中找到解决方案。破坏生物膜的形成是战胜微生物的唯一途径，具有广谱作用的银对此目的提供了有效的方法。未来，只要提供所需的保护周期，生产商将能够提供满足特殊医疗应用的产品。