研究简介
本研究探讨了油酸包封的银纳米粒子（AgNP）在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固剂中的抗菌活性及其对骨粘固剂机械性能和细胞毒性的潜在影响。骨粘固剂广泛应用于骨科手术中，用于固定植入物，但术后感染风险较高，且抗生素耐药性问题日益严重。因此，开发非抗生素类抗菌疗法显得尤为重要。研究中，通过改良的Tollens方法合成了油酸包封的AgNP，并将其以不同浓度（0.01%、0.05%和0.1%w/w）掺入PMMA基骨粘固剂中。通过透射电子显微镜（TEM）观察到，这些AgNP呈圆形，平均直径为5.3±2.3 nm。抗菌实验表明，当AgNP浓度达到0.05%时，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鲍曼不动杆菌（A.baumannii）等常见术后感染菌株展现出显著的抗菌活性，而0.01%的浓度则无明显效果。特别是对于S.aureus和MRSA，0.1%的AgNP浓度可完全抑制其生长。相比之下，S.epidermidis和A.baumannii对AgNP的耐受性更强，但在0.1%浓度下仍表现出生长抑制。细胞毒性实验采用MTT法评估了掺入AgNP的骨粘固剂对成骨细胞（MC-3T3）的影响，结果显示，AgNP的存在并未对细胞的代谢活性产生负面影响，表明其具有良好的生物相容性。
此外，通过纳米压痕测试和压缩测试评估了掺入AgNP的骨粘固剂的机械性能。结果表明，即使在较高浓度下，AgNP的掺入也未对骨粘固剂的杨氏模量和抗压强度产生显著影响，且在模拟生理环境的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中浸泡3个月后，其机械性能保持稳定。银离子释放实验表明，掺入0.05%和0.1%AgNP的骨粘固剂在7天内持续释放银离子，且释放速率随时间逐渐降低。尽管如此，释放的银离子总量远低于可能引起系统性毒性的水平。研究表明，油酸包封的AgNP能够显著增强PMMA基骨粘固剂的抗菌性能，同时保持其机械性能和细胞相容性，为开发新型抗菌骨粘固剂提供了一种有效的非抗生素替代方案，有望降低术后感染风险并减轻抗生素耐药性问题。
Bioscreen全自动生长曲线分析仪的应用
Bioscreen全自动生长曲线分析仪被用于评估掺入不同浓度银纳米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固剂对细菌生长的影响。该设备通过测量细菌在骨粘固剂表面生长的光学密度（OD），来记录细菌的生长曲线。这些生长曲线随后被用于评估骨粘固剂的抗菌活性。使用了四种细菌：耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鲍曼不动杆菌（A.baumannii）。这些细菌被培养在含有不同浓度AgNP的骨粘固剂样品上。将细菌悬液加入到含有骨粘固剂样品的24孔板中，经过1小时的吸附后，用磷酸盐缓冲溶液（PBS）冲洗，然后加入稀释的脑心浸液（BHI）培养基。随后，将24孔板转移到Bioscreen设备中。在37°C下孵育样品，并每隔15分钟测量一次600 nm处的光学密度（OD600），持续24小时。通过这些测量，设备记录了细菌的生长曲线。
实验结果
油酸包封的银纳米粒子可以赋予骨粘固剂抗菌特性，而不影响其机械性能和细胞相容性。低至0.05%(w/w)的NP浓度允许显著减少与骨粘固剂和骨科手术相关感染相关的微生物(MRSA、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和鲍曼不动杆菌)的数量。这些病原体已知对常用于治疗和预防术后感染的一些抗生素具有耐药性。这项工作证明了通过用油酸包封的Ag NP浸渍来开发抗菌骨粘固剂的可行性，提供了依赖抗生素的替代方案。由于这些分子因微生物产生耐药性而迅速失去效力，因此迫切需要一种超越这种感染处理方法的新解决方案。
图1、TEM图像(Bar等于50 nm)(a)和油酸银封端NP的直径累积分布(b)。实心点为实验数据，连续线为高斯拟合。
图2、金黄色葡萄球菌(a)、MRSA(b)、表皮葡萄球菌(c)和鲍曼不动杆菌(d)幸存者在含有不同量(w/w)Ag-NP的骨粘固剂上的生长曲线示例。0%，0.01%，0.05%，0.1%。
图3、含有NP的骨粘固剂的MTT测定。
图4、骨粘固剂中银离子的释放。释放介质中的浓度(a)和累积释放(b)。(C)0.01%，(O)0.05%和(V)0.1%
图5、在PBS中浸泡0小时(a)、24小时(b)、2周(c)和4周(d)后，通过纳米压痕试验测定含NP的骨水泥的杨氏模量。(●)0%、(▽)0.01%、(实心正方形)0.05%和(◇)0.1%。
总结
本研究成功地将油酸包封的银纳米粒子（AgNP）掺入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固剂中，以开发具有抗菌活性的新型骨粘固剂。研究结果表明，这种新型骨粘固剂在低浓度（0.05%w/w）下即可显著抑制多种常见术后感染菌株的生长，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）、表皮葡萄球菌（S.epidermidis）和鲍曼不动杆菌（A.baumannii）。特别是，0.1%w/w的AgNP浓度能够完全抑制S.aureus和MRSA的生长，而对其他两种菌株也显示出显著的抑制效果。此外，研究还评估了掺入AgNP的骨粘固剂的机械性能和细胞毒性。结果显示，AgNP的掺入并未显著影响骨粘固剂的杨氏模量和抗压强度，且在模拟生理环境的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中浸泡3个月后，其机械性能保持稳定。细胞毒性实验表明，AgNP的存在并未对成骨细胞（MC-3T3）的活性产生负面影响，表明其具有良好的生物相容性。
银离子释放实验结果表明，掺入0.05%和0.1%AgNP的骨粘固剂在7天内持续释放银离子，且释放速率随时间逐渐降低。释放的银离子总量远低于可能引起系统性毒性的水平，确保了骨粘固剂的安全性。本研究证明了油酸包封的AgNP能够显著增强PMMA基骨粘固剂的抗菌性能，同时保持其机械性能和细胞相容性。这种新型抗菌骨粘固剂为预防术后感染提供了一种有效的非抗生素替代方案，具有重要的临床应用价值。Bioscreen设备被用于评估掺入不同浓度银纳米粒子（AgNP）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基骨粘固剂对细菌生长的影响。通过精确测量和记录细菌的生长曲线，为评估掺入AgNP的骨粘固剂的抗菌活性提供了定量数据。