摘要：开发有效的抗菌生物材料是先进医疗材料中一个相关且快速发展的领域。近年来，人们研究和开发了几种方法，如传统抗生素、银、铜、纳米结构、化学和仿生等。然而，生物材料相关感染（BAI）仍然是一个尚未解决的问题，并且该领域的突破很少。因此，需要新的高风险和潜在高收益的方

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开发有效的抗菌生物材料是先进医疗材料中一个相关且快速发展的领域。近年来，人们研究和开发了几种方法，如传统抗生素、银、铜、纳米结构、化学和仿生等。然而，生物材料相关感染（BAI）仍然是一个尚未解决的问题，并且该领域的突破很少。因此，需要新的高风险和潜在高收益的方法来应对 BAI 的重要挑战。基于物理作用的无抗生素抗菌生物材料降低了抗生素耐药性和耐受性的风险而备受关注。

近期，耶拿大学Klaus D. Jandt/Bettina Löffler/Delia S. Brauer团队回顾了此类抗菌生物材料，说明它们对于未来抗菌医疗材料具有重大的临床和应用潜力。

相关研究成果以“Antimicrobial Biomaterials Based on Physical and Physicochemical Action”为题于2024年9月20日发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

了解微生物的感染和持久性机制以及准确识别特定病原体对于解决假体感染及其后续治疗的复杂性至关重要。BAI 是由存在于生物材料（植入物）表面的微生物引起的，通过血液分布或通过伤口引入。BAI 的传统治疗或预防包括使用药物，例如局部抗生素。通常，这些药物通过口服和/或静脉给药，导致全身分布到全身，只有一小部分剂量到达感染的植入部位。此外，高剂量的抗生素会引起副作用并损害人体自身的细胞。不含抗生素的抗菌生物材料是减少或预防 BAI 的理想创新成果，而不会出现抗生素耐药性引起的问题。在这方面，主要基于物理原理的作用的抗菌生物材料非常有前途。

可切换的抗菌生物材料，对外部刺激做出反应，提供适应性强的抗菌作用，在活性和非活性状态之间转换。根据刺激类型可以将其分为以下几种：pH响应抗菌材料、光响应抗菌材料、电响应抗菌材料、热响应抗菌材料（图1）、对水接触的响应性抗菌材料（图2）。表1总结了上述响应性抗菌材料的抗菌机制。

图1 纳米PNIPAAm热诱导水化转变导致死亡微生物释放的示意图

图2 由PCBSA聚合物组成的水凝胶证明了保持无微生物表面和阻止微生物在其整体中增殖的能力

表1 不同响应性抗菌材料的抗菌机制

抗菌蛋白开创了生物材料的新时代，在医疗环境中提供动态、响应迅速的相互作用。它们提供双重功能：积极对抗微生物，同时支持愈合过程而不会产生不利影响。表2概述了人类和动物体内的抗菌蛋白，包括它们的来源和针对一系列病原体的独特活性。此外，本文总结分析了这些抗菌蛋白的作用机制和相关应用（图3）。

表2 人和动物体内的抗菌蛋白

图3 大肠杆菌与纤维蛋白原纳米纤维的相互作用

除了抗菌蛋白外，碳基材料也登上了抗菌材料的舞台。碳基抗菌生物材料可以按其尺寸分类，即0D（如碳量子点、富勒烯）、1D（如碳纳米管）、2D（如石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，图4）和3D（如类金刚石碳）。碳基抗菌生物材料的基础研究方面现已建立，但应用仍然有限。最有前途的抗菌碳基材料需要进行原位和体内测试才能进入临床应用，这需要对它们的抗菌机制和毒性有透彻的了解。

图4 氧化石墨烯与病原体之间相互作用的示意图

生物活性玻璃在临床上用于骨骼再生方面取得了巨大成功，其固有的生物活性和刺激骨骼生长的特性早已得到认可。近年来，它们的抗菌特性也得到了越来越多的认可。虽然生物活性玻璃的无定形性质原则上允许在植入时释放抗菌离子（如银或锌）的掺入，但大量研究表明，即使没有这些，生物活性玻璃在体外和体内也显示出很强的抗菌活性。特别是S53P4组合物已被证明对多重耐药细菌有效，并治疗由各种病原体引起的长骨和椎骨骨髓炎（图5）。

图5 使用生物活性玻璃治疗金黄色葡萄球菌引起的胫骨远端骨髓炎

抗菌生物材料的发展需要持续的探索和创新，以有效解决BAI中的持续挑战。主要研究途径包括进一步阐明支撑这些材料抗菌作用的复杂机制，特别是在纳米尺度上。此外，应侧重于改进和多样化现有的抗菌生物材料设计，不断探索新方法以扩大针对BAI的有效物理和物理化学策略武器库。另外，跨学科合作和转化研究工作将有助于弥合实验室发现和临床应用之间的差距，推动该领域的发展。

来源：EngineeringForLife一点号