氧化锌纳米颗粒抗菌活性在医学中的应用及研究进展

氧化锌纳米颗粒抗菌活性在医学中的应用及研究进展
王靖宇;杜乐乐;王婷;王岩;王秀梅
【摘要】氧化锌纳米颗粒(Zinc oxide nanoparticles,ZnO-NPS)是一种多功能性的新型无机材料,其颗粒大小约在1~100 nm.由于晶粒的细微化,其表面电子结构和晶体结构发生变化,具有高透明度、高分散性等特点.近年来随着对ZnO-NPS抗菌作用的深入研究,其在医学领域的应用逐渐增加,该文针对ZnO-NPS的抗菌作用在医学中的应用作一综述与展望.%Zinc oxide nanoparticles is a versatile new inorganic material, the particle size of which is about 1 ~ 100nm. Because of the fineness of particles, the surface electronic structure and crystal structure have changed, and the surface effect, the macroscopic objects do not have the volume effect, quantum size effect and macroscopic tunnel effect, with high transparency, high dispersion and other characteristics. In recent years, with the in-depth study of nano-zinc oxide antibacterial effect, its application in the medical field has gradually increased. In this paper, the antimicrobial effect of nano-zinc oxide in medical application was reviewed and prospected.
【期刊名称】《口腔医学》
【年(卷),期】2017(037)011
【总页数】4页(P1045-1048)
【关键词】氧化锌纳米颗粒;抗菌活性;抗菌机制;应用
【作者】王靖宇;杜乐乐;王婷;王岩;王秀梅
【作者单位】哈尔滨医科大学附属第二医院牙体牙髓科,黑龙江哈尔滨 150086;哈尔滨医科大学附属第二医院牙体牙髓科,黑龙江哈尔滨 150086;哈尔滨医科大学附属第二医院牙体牙髓科,黑龙江哈尔滨 150086;哈尔滨医科大学附属第二医院牙体牙髓科,黑龙江哈尔滨 150086;哈尔滨医科大学附属第二医院牙体牙髓科,黑龙江哈尔滨 150086
【正文语种】中文
【中图分类】R780.2
氧化锌被美国食品和药品管理局视为一种普遍的安全材料，对人类正常细胞的毒性几乎可以忽略不计[1]，其纳米颗粒由于性能增强而广泛应用于光电、能源、传感器、药物输送和医学成像等多种领域。

近年来，氧化锌纳米颗粒(Zinc oxide nanoparticles，ZnO-NPS)的抗菌作用逐渐成为研究的热点。

已有研究表明，ZnO-NPS可以对绿脓杆菌[2]、沙门氏菌[3]、金黄色葡萄球菌[3]、乳杆菌属[4]等细菌有显著的抗菌活性。

此外，ZnO-NPS还可以有效减少牛奶中李斯特氏菌和蜡样芽孢杆菌数量[5]，对污水中重要的病原体大肠杆菌、变形杆菌等细菌也有明显的抗菌性能[6]，可以被视为一种有效抑制水性病原体的抗菌剂，作为抗菌材料用于水和污水的处理中。

本文现对ZnO-NPS抗菌活性在医学中的应用及研究进展作一综述。

许多研究均证实了氧化锌及其纳米颗粒具有抗菌作用，但其抗菌机制尚不明确，国内外学者针对其抗菌机制的研究提出以下几种学说。

1.1 ZnO-NPS活性氧的形成
细胞间活性氧(ROS)的诱导是ZnO-NPS的主要抗菌机制[7]。

ZnO-NPS粒子或粉末在水溶液中可以生成各种活性氧，如羟基自由基(-OH)，单线态氧或超氧化物阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)。

通过电子自旋共振可以测定ZnO-NPS悬浮液中的
羟基自由基和单线态氧物种的形成。

过氧化氢的形成可以通过直接定量测定。

羟基自由基和单线态氧是带负电荷的物质不能渗透通过细胞膜，而过氧化氢可以轻易穿透细胞膜。

因此，ZnO-NPS产生活性氧破坏了细菌的细胞膜从而杀灭细菌实际上就是发挥了其抗菌作用。

活性氧数量的产生取决于ZnO-NPS的表面积，表面积越大活性氧产生的越多。

1.2 ZnO-NPS与细菌相互作用
ZnO-NPS可以导致大肠杆菌细胞膜的损伤，电化学测量表明，这种损害可能是由于ZnO-NPS与细菌细胞膜之间的直接相互作用[8]。

在pH 7条件下，ZnO-NPS 表面电位约为+24 mV,大肠杆菌表面由于内毒素多糖而带有负电荷，纳米颗粒和
细菌表面之间由于静电引力产生较强的结合，从而引起细菌细胞膜的损伤。

通过生物透射电镜图像可以观察，ZnO-NPS附着在细胞的细胞壁后形成凹坑，然后通过击穿细胞的外膜进入细胞。

此外，ZnO-NPS也可以被反式移植到细胞质中，穿透细胞壁或细胞膜，从而破坏细菌的正常结构，导致DNA损伤及细胞死亡。

ZnO-NPS与细菌相互作用后破坏细菌表面的机制已被证实，这可以用来解释ZnO-NPS 的抗菌活性。

ZnO-NPS与普通氧化锌相比，颗粒尺寸小，微观量子效应显著，在抑菌性能和应用方面均表现出显著的优越性。

在日光灯照射条件下，无论是对大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌，ZnO-NPS均比普通氧化锌有更好的抑菌作用[9]。

当ZnO-NPS和普通氧化锌质量分数均为5%条件下，对大肠杆菌的抑菌率分别达到97.9%和
52.9%;对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到98.8%和68.3%，ZnO-NPS的抑菌
性能明显强于普通氧化锌。

此外，ZnO-NPS表现出许多优于普通氧化锌的特殊性能,如无毒和非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等,在橡胶、陶瓷、日用化工、涂料、磁性材料等方面具有广泛的用途[10]。

3.1 增加复合树脂材料的抗菌活性
树脂复合材料现为口腔科最常用的牙体缺损修复材料。

然而，与其它修复材料相比菌斑在树脂材料上更容易累积[11-12]。

因此，制备具有不溶性、白色或无色且能保持持续的抗菌性能的填充材料是更持久的牙科复合材料的首选。

Seving等[13]将ZnO-NPS(设置体积分数分别为1%、5%、10%三组)、二氧化钛纳米颗粒和硝酸银等分别与树脂材料相结合进行细菌抑制实验，实验对象为远缘链球菌、变形链球菌和内氏放线菌。

结果表明，在标准的实验室荧光照明条件下，与体积分数为10%的二氧化钛纳米复合材料相比，10% ZnO-NPS对复合生物膜的抑制作用显著(P=0.021)。

此外，二氧化硅纳米颗粒显示的抗菌效果比ZnO-NPS低5～10倍[14]。

3.2 作为根管消毒药物
粪肠球菌是根管治疗后根管内持续性感染最常见的微生物，它能够在营养物质非常有限的条件下生存。

目前临床上常用的根管消毒药物为氢氧化钙，粪肠球菌因为具有pH值平衡能力可以抵抗氢氧化钙的抗菌作用。

随着纳米技术应用的发展，ZnO-NPS可作为抗菌剂对广谱的微生物起到抗菌作用[15]。

分别将ZnO-NPS、微米级氧化锌颗粒和聚乙二醇(PEG) 加入氢氧化钙中，以检测其pH值与抗菌活性[16]。

结果证实，具有最高pH值的实验组为添加ZnO-NPS的氢氧化钙组，纯的聚乙二醇的氢氧化钙组pH值为中间值，与ZnO-NPS结果显著不同。

通过琼脂扩散实验评价各组抗菌活性，出现最大范围抑制区域的为添加ZnO-NPS实验组。

ZnO-NPS对粪肠球菌具有良好的抗菌活性并能持续90 d，在氢氧化钙中添加ZnO-NPS可以使根管内具有高pH值进而增加根管封药的抗菌活性。

3.3 杀灭种植体周围细菌
牙菌斑的积累可能导致种植体周围炎症发生[17]，甚至造成牙种植失败，目前专业内公认感染是导致种植体失败的主要原因。

Vargas-Reus[18]等将ZnO-NPS分别添加到牙龈卟啉单细胞(Porphyromonas gingivalis)、中间普氏菌(Prevotella
intermedia)、聚核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)和伴放线放线杆菌(Aggregatibacteractinomycetemcomitans)中研究其抗菌活性。

结果显示，在4 h测定期内所测试的4种菌群的群体显著减少。

实验同时加入Ag、Ag + CuO、WO3、Cu2O、Ag+ZnO、CuO 、TiO2作为对照，抗菌效果为Aggt;Ag+CuO 复合材料gt;Cu2Ogt;CuOgt;Ag+ZnO-NPSgt;ZnOgt;TiO2gt;WO3。

银纳米颗粒[19-20]和铜及其氧化物[21-22]已被证明是有效的抗微生物材料，而如今越来越多的研究证实了ZnO-NPS的抗菌活性。

3.4 ZnO-NPS对真菌的抑菌作用
根管治疗失败的病例与感染根管内的微生物密切相关[23]。

在治疗失败病例中，根管内微生物检出率约为 66%～72%[24]。

根管治疗失败的患牙中常分离出特征性种属细菌，Waltimo 等[25]从部分根管治疗失败的根管中分离出酵母菌，其中最常见者为白色念珠菌(Candida albicans，C.a)。

Egan等[26]认为根管内存在的
C.a与唾液中存在的念珠菌有很大的关联。

ZnO-NPS对C.a有显著的抑菌作用
[27]，其抗菌作用随着ZnO-NPS粒径的减小而增加，1 μm和10 nm的抗菌活性明显高于100 nm。

在此研究中，研究者将组氨酸(是已知的羟基自由基和单线态氧的清除剂)添加到白色念珠菌培养物中以检测其对真菌生长的影响，由此进一步论证ZnO-NPS的抗菌机制。

当组氨酸浓度为5 mmol/L时几乎完全抑制了ZnO-NPS的抗真菌作用。

此结果表明ZnO-NPS的ROS机制在杀死白色念珠菌中发挥了主要作用。

4.1 ZnO-NPS与霍乱弧菌
霍乱是烈性传染病之一，死亡率极高。

霍乱弧菌(V.cholera)是霍乱的致病因子。

目前，霍乱主要通过口服或静脉补液、应用抗菌药物的方式来治疗。

而长期和广泛使用抗生素会使细菌产生耐药性。

另一个问题是耐药致病性霍乱弧菌菌株的出现，不能有效治愈[28]。

Sarwar等[29]在小鼠体内建立霍乱模型，研究ZnO-NPS对
霍乱弧菌的抑制作用。

通过观察动物体内模型，在小鼠回肠循环实验中ZnO-NPS 有效地抑制霍乱弧菌产生霍乱肠毒素，从而减少了由其刺激导致的肠液积累，此外还证实了ZnO-NPS更明显地减少了霍乱弧菌El-Tor生物型的生长，ZnO-NPS 在减少肠液分泌方面效果显著。

因此，ZnO-NPS在未来的临床治疗中可作为用于治疗霍乱的替代药物，并与抗生素协同发挥抗菌作用。

4.2 ZnO-NPS与肺炎杆菌
肺炎克雷伯杆菌是一种重要的病原体，它与医院内感染(即败血性病和医源性感染)有关，肺炎克雷伯菌对头孢菌素、依替莫唑、氨基糖苷和亚胺培南敏感，但是对氨苄青霉素和羧苄青霉素耐药。

Reddy等[30]将ZnO-NPS配置成0.25 mmol/L、0.5 mmol/L和0.75 mmol/L不同浓度，针对肺炎克雷伯杆菌进行了体外抑菌实验。

实验结果显示,ZnO-NPS通过与细菌直接相互作用降解其表面脂多糖膜，表现出显著的抗菌效果。

作者分析认为ZnO-NPS可释放一种离子，该离子可与存在于细菌细胞表面上蛋白质的巯基(-SH)反应，这种蛋白为跨膜蛋白，其功能为允许营养物通过细胞壁的运输。

ZnO-NPS使蛋白质失活，降低膜通透性，最终导致细胞死亡[31]。

在此研究中发现，ZnO-NPS通过扰乱氨基酸序列进而潜在的调节了脂多糖的疏水性，根据细胞质渗漏分析，随着ZnO-NPS浓度的增加从细胞释放的核酸和蛋白质的量也增加，这也就阐明了ZnO-NPS可以破坏细菌细胞的外膜蛋白和脂多糖等成分[32]。

总之，ZnO-NPS可以通过破坏细菌的细胞壁和与细胞内物质相互作用对肺炎杆菌起到抗菌作用，还可以避免菌株耐药。

因此，ZnO-NPS可以被认为是对肺炎杆菌潜在有效的抗菌剂。

此外，许多研究证实ZnO-NPS对口腔细菌表现出显著的抗微生物和抗生物膜活性的作用[33]，如对口腔条件致病菌罗氏菌属有显著地抗菌活性[34]，并且可以抑制牙本质脱矿[35]。

ZnO-NPS对宿主细胞无毒，但足以控制细菌生长和预防感染引起的口腔问题。

综上所述，ZnO-NPS是一种新型的多功能环境友好型抗菌剂，由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应,不论是针对革兰氏阴性菌还是革兰氏阳性菌，均有一定的抗菌作用。

在现代社会中，滥用抗生素、抗生素抗性细菌菌株的进化所引起的问题日益严重。

氧化锌以纳米颗粒形式制备的抗生素制剂是高度有效的杀菌剂，这将为解决日益迫切的抗生素耐药性问题，降低感染和相关并发症提供一个新的研究方向。

锌具有原料价格便宜、资源丰富、对环境无毒害作用等优点，具有较广阔的应用潜能。

因此，如何将ZnO-NPS的抗菌性能更安全、更广泛的应用到临床中还需各位学者的共同努力，进行更加深入、广泛的研究。

随着这些机制研究的不断深入，ZnO-NPS的抗菌机制、应用范围和细胞毒性将越来越明确，可为治疗感染时使用抗生素提供新的替代性治疗策略。

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