摘要： 骨科手术后感染是一种非常不良的后果；尽管抗生素广泛使用，但其发生率可高达10%。随着抗生素因细菌耐药性逐渐失效，这种风险可能增加；因此，需要新的抗菌方法。对羟基苯甲酸酯是一类化合物，其抗菌活性被用于许多化妆品和药品中。我们开发了亲水性的丙基对羟基苯甲酸酯纳米颗粒，从而将对羟基苯甲酸酯的适用性扩展到水性系统。本文评估了在对羟基苯甲酸酯纳米颗粒作为骨水泥中抗菌化合物的可能性。纳米颗粒被嵌入到各种类型的骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA]、羟基磷灰石和透钙磷石膏）中，并针对常见的骨科手术后感染病原体（如金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和鲍曼不动杆菌）测定抗菌活性。在透钙磷石膏骨水泥中，低至1% w/w的纳米颗粒浓度即可防止病原体生长，羟基磷灰石骨水泥需要5% w/w，而PMMA骨水泥需要7% w/w。添加对羟基苯甲酸酯纳米颗粒对骨水泥的抗压强度和细胞相容性没有不利影响。我们的结果表明，对羟基苯甲酸酯纳米颗粒可以被封装在骨水泥中，提供浓度依赖的抗菌活性；此外，钙磷酸盐骨水泥（透钙磷石膏和羟基磷灰石）比丙烯酸骨水泥（PMMA）需要更低的浓度。这些纳米颗粒对多种细菌有效，包括那些已对骨科应用中常规使用的抗生素（如庆大霉素）产生耐药的细菌。
引言
一些微生物（一小部分）可能对人类产生不利影响，被称为病原体。感染的结果可能从疼痛和发烧到死亡，取决于微生物和受影响患者的生理特征。直到1920年代末亚历山大·弗莱明发现抗生素之前，感染几乎无法治疗，并且是最常见的死亡原因之一；例如，即使是小的浅表切割也可能导致死亡。此外，在那时之前，外科手术的效果有限，因为大多数病例中感染迅速发生。
抗生素曾被视为感染的解决方案；然而，这种信念因微生物发展出对抗这种治疗的证据而破灭。现在公认传染性微生物不能无限期地用抗生素治疗。为了使许多医疗程序保持可行的治疗，需要开发新的感染治疗方法，以保证对病原体的充分保护。使用金属（主要是银）以盐或纳米颗粒的形式是一种成熟的抗菌策略，已应用于乳膏、伤口包扎、织物和洗脱表面。然而，对银使用的担忧正在增长，特别是其长期安全性与环境和人体的积累相关，因此迫切需要其他抗菌剂。壳聚糖、蜂蜜提取物和植物化学物质是已显示有前景结果的天然化合物。对羟基苯甲酸酯是另一类非抗生素抗菌化合物；对羟基苯甲酸酯是对羟基苯甲酸酯的通用名称（图S1）。它们是一类具有抗菌和抗真菌活性的化合物，常规用于化妆品、药品、食品产品和导管锁解决方案。对羟基苯甲酸酯的作用机制被认为是抑制DNA和RNA的合成或ATPases和磷酸转移酶，以及最近发现的对细菌承受渗透失衡能力的影响。
骨科手术是通常需要抗感染治疗的程序；尽管存在抗生素耐药性的风险，这些化合物仍然是常规方法。抗生素可以通过肠胃外给药或通过从骨水泥中洗脱来递送；当使用后者时，它提供了骨折或骨与医疗设备（如关节置换程序）之间的快速而牢固的连接。不同类型的骨水泥可用并用于例如，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥用于关节置换，提供高机械性能和快速凝固时间；尽管钙磷酸盐水泥具有优异的骨传导性能，但由于其低机械强度和脆性行为，它们用于低负荷条件，如骨缺损治疗。羟基磷灰石和透钙磷石膏是钙磷酸盐的一些同素异形体，是目前使用的两种钙磷酸盐水泥。两种类型的骨水泥都以糊状应用；然而，它们的硬化过程不同：对于PMMA，发生聚合，而对于钙磷酸盐水泥的凝固，发生溶解和沉淀。
尽管在骨科程序前后提供了抗生素覆盖，感染的发生率仍然相对较高，在某些情况下高达9%-10%。感染的发生不仅引起疼痛和不适，有时甚至可能对患者生命构成威胁；此外，由于需要更多药物和延长住院时间，感染可能显著增加治疗成本。
在本文中，通过最近描述的合成方法（即通过从挥发性油包水乳液中去除溶剂）制备了含有丙基对羟基苯甲酸酯的有机纳米颗粒，并将其嵌入PMMA和钙磷酸盐骨水泥中。针对葡萄球菌属和鲍曼不动杆菌作为骨科后感染的模型病原体测定了抗菌活性。一旦确定了这些纳米颗粒的有效浓度，研究了它们对骨水泥的机械和细胞毒性特性的影响。
材料与方法
化学品和纳米颗粒制备：丙基对羟基苯甲酸酯由Sharon Laboratories（以色列）提供，而所有其他化学品购自Sigma-Aldrich（英国吉灵厄姆和以色列雷霍沃特），除非另有说明，溶液根据标准实验室实践制备。
有机纳米颗粒根据Margulis-Goshen等人开发的程序制备。简而言之，通过混合所有组分在室温下自发形成微乳液，组成包括丙基对羟基苯甲酸酯3% w/w、乙酸正丁酯3.5% w/w、异丙醇3.5% w/w、十二烷基硫酸钠8% w/w、聚乙烯吡咯烷酮40,000 7% w/w和水75% w/w。通过喷雾干燥从微乳液中快速同时去除溶剂和水导致形成由丙基对羟基苯甲酸酯纳米颗粒、SDS和PVP组成的细粉末，纳米颗粒大小为16 nm（通过小角X射线散射指示），在10 mmol NaCl中的zeta电位为-46 mV。发现该系统中几乎所有的丙基对羟基苯甲酸酯（约98% w/w）以纳米尺寸颗粒形式存在。
细菌：革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌，以及革兰氏阴性菌鲍曼不动杆菌。细菌冷冻储备在-80°C储存；菌株每周在BHI平板上划线，在37°C孵育24小时，然后储存在4°C。