生物材料引起的细菌感染是植入体临床治疗中非常严峻的问题。一旦植入物被感染，细菌往往会附着在生物材料表面，通过一系列反应在体内形成生物膜，以抵抗抗生素和机体免疫系统的作用。因此大量患者需要接受二次手术，这给患者造成极大的痛苦和沉重的经济负担。无机抗菌剂银(Ag)由于其抗菌时效性高、抗菌作用强、不易产生细菌耐药性等显著优点，正迅速发展成为抑制骨感染的抗菌候选材料。近日，来自杭州电子科技大学的邵惠锋副教授、龚友平教授以及浙江大学的贺永教授就含银生物材料在生物医用硬组织植入物中的应用进行了探讨。围绕以下问题展开讨论：1) 银是如何实现高水平抗菌活性，同时又不易引起细菌耐药性的；2) 如何选择合适的方法将银与生物材料结合；3）如何进一步研究含银生物材料在硬组织植入物中的应用。另外，文章还着重讨论了银对生物材料的理化性质、结构性质和生物学性能的影响（图1）。最后，作者在论文中对银在商业化应用和深入研究领域面临的挑战以及未来的发展方向进行了展望。相关论文以“Silver-containing biomaterials for biomedical hard tissue implants”为题发表于《Advanced Healthcare Materials》期刊上。杭电邵惠锋副教授、杭电龚友平教授和浙大贺永教授为共同通讯作者。
首先，作者对银离子（Ag+）与银纳米粒子（AgNPs）的抗菌机制进行了系统总结（图2）。目前，广泛接受的杀菌机制主要包括以下几种：(1) 与细菌细胞的膜和细胞壁相互作用，导致细胞的破坏和死亡；(2) 破坏细菌细胞内的生物分子，如DNA和蛋白质；(3) 产生活性氧（ROS）；(4) 干扰细菌细胞信号传导途径。
图1 含银生物材料的生物医学应用
图2 Ag+和AgNPs对细菌的作用方式的总结
然后，作者讨论了银在生物陶瓷材料（图3）、生物活性玻璃（图4）、金属材料（图5）、聚合物材料（图6）和涂层（图7）中的应用，并探讨了银对生物材料的物理化学性质、结构性质和生物学性质的影响。
通过引入银，这些生物材料能够获得抗菌性能。银的存在可以抑制细菌的生长和繁殖，从而有效地预防和控制细菌感染。作者强调了通过不同方法将银与生物材料进行结合对于材料的抗菌性能至关重要，因为它决定了银离子释放速率和浓度。适度的银离子释放可以确保持续的抗菌效果，而过高或过低的释放速率可能导致细胞毒性或抗菌性能不稳定。
对于生物陶瓷材料、生物活性玻璃、金属材料、聚合物材料和涂层等不同类型的生物材料，银的引入还可以影响其物理化学性质、结构性质和生物学性质。银的添加可以改变材料的表面特性、材料的力学性能以及材料与周围组织的相互作用。这些改变可能进一步提高材料的生物相容性、降低细菌附着，从而促进材料的长期稳定性和临床应用。
图3 含银的生物陶瓷在骨组织中的应用
图4 含银的生物玻璃在骨组织中的应用
图5 含银的金属材料在骨组织中的应用
图6 含银的聚合物材料在骨种植物中的应用
图7 含银涂层在骨组织中的应用
最后，考虑到缺少临床试验评价以及银诱导的细胞毒性等挑战，作者对银在临床领域的商业化应用以及学术研究领域的未来发展提出了自己的看法（图8）。
图8 含银抗菌支架在临床商业化和进一步学术研究中的展望
在未来的临床商业化应用中，对含银产品中银的生物效应和安全性进行深入研究具有重要意义。实现超强的抗菌活性可有效提高抗菌剂的利用率，从而降低抗菌剂的生产成本。此外，对银的释放动力学和存在形态进行全面研究也十分必要。银的释放量、释放速度以及银的存在形态是预测和分析银在体内暴露情况和潜在风险的基本信息。另外，评估银在体内的安全性，特别是Ag+和AgNPs在体内的吸收、代谢和排泄，以及其在体内可能的长期毒性风险，从而避免对人体的负面影响。
在更深层次的学术研究领域，作者提出了以下观点：（1）开发银的智能抗菌形式，以应对与全身毒性、细菌耐药性和提高生物利用度相关的问题；（2）通过添加其他材料来降低细胞毒性并增强抗菌性能，这可能成为未来研究的重点；（3）通过优化支架改性技术，包括掺杂技术和表面改性技术在内的新技术，结合3D打印技术开发新型的抗菌剂修饰的骨支架，以保持高机械性能、实现良好的抗菌效果和生物相容性。尽管在该领域存在一些挑战，通过持续的研究和进一步推动相关策略的发展，含银抗菌骨支架在未来有望成为治疗骨感染和骨缺损的有效工具。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202300932
