生物医学器械相关感染（BDAI）对患者和医疗保健系统都构成了重大的全球性挑战。抗生素是解决感染的首要对策，但是抗生素的长期使用会形成抗生素耐药菌株。因此，迫切需要创新的解决方案来减少细菌对设备的定植，并建立长期的抗感染保护。
本研究提出了一种易于控制和直接合成新型银-镓（Ag-Ga）纳米复合颗粒的方法。采用镓液态金属（GaLM）用于促进Ag纳米晶体在氧化层上的电偶沉积。GaLM不仅通过电置换过程作为银的载体，还降低银离子的释放速度，从而改善生物相容性，减少炎症，刺激骨生长。
图1.Ag-Ga悬浮液的合成与表征。
将Ga液滴悬浮液与AgNO3和F127（表面活性剂）溶液混合，合成了银-镓（Ag-Ga）纳米颗粒。通过SEM、EDX、TEM、FTT、XRD证明了Ag纳米晶体在Ga颗粒表面形成，并且随着Ag浓度的增加，Ga颗粒的结构发生了显著变化（图1）。
图2.Ag-Ga纳米颗粒的XPS。
通过XPS检查合成的Ag-Ga颗粒表面的元素组成和化学状态。除纯Ga液滴外，所有样品均可通过双峰识别Ag。286.5eV和285eV的C─O和C─C键证实了F127在颗粒表面的掺入（图2）。
图3. Ag-Ga纳米颗粒的抗菌特性。
通过金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌评估Ag-Ga颗粒的抗菌性。通过CLSM、SEM证明Ag─Ga 颗粒表面的细菌的死亡，Ag-Ga颗粒的抗菌性都远高于Ag和Ga颗粒。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS ）证明涂有Ag─Ga的表面释放的Ag+比只涂有Ag+的表面低大约14倍，并可以长时间保持这一优势（图3）。
图4.Ag-Ga纳米颗粒的生物相容性。
通过使用不同浓度的悬浮液测定对细胞活力的影响，Ag─Ga组的细胞活力84%远远高于Ag组的11%。Ag─Ga组表现出快速的细胞迁移，并在48 小时完全覆盖划痕区域，而Ag组没有表现出任何迁移，证明了Ag─Ga纳米颗粒优异的生物相容性，具有生物医学应用的潜力（图4）。
图5.Ag-Ga表面涂层植入物的体内抗菌活性。
通过大鼠模型评估Ag-Ga表面涂层植入物在体内抗菌活性。Mg组存在明显的局部脓肿，Ga@Mg和Ag@Mg组存在轻度感染，植入Ag-Ga@Mg 椎间盘后出现软肉芽组织，并且没有脓肿。14天后血液标志物的检测证明了Ag-Ga@Mg组对大鼠的整体健康状况几乎没有影响。H&E染色、Masson染色和Giemsa 染色表明Ag-Ga组显著改善了皮下细菌感染，炎症标志物的表达也比其他组更低（图5）。
图6.MRSA 诱导的大鼠股骨骨髓炎模型的体内评估。
建立了MRSA诱导的大鼠股骨骨髓炎模型，以评估该Ag-Ga在体内的抗菌功效和骨再生能力。结果表明Ag-Ga@Ti治疗组的骨密度 、骨体积与总体积之比、骨小梁和骨小梁厚度远高于其他组，而骨小梁分离最低，证明Ag-Ga涂层具有优异的抗菌作用和成骨特性（图6）。
图7.MRSA 诱导的大鼠股骨骨髓炎模型的组织学测定。
H&E染色、Masson染色和Giemsa 染色表明Ag-Ga@Ti处理的骨组织中炎症反应显著减少和胶原蛋白沉积增加。Ag-Ga@Ti组中胶原蛋白I和TGF-β1的表达较高，证明Ag-Ga涂层具有促进骨再生的能力（图7）。
图8.大鼠临界大小颅骨缺损模型中成骨能力的体内促进作用。
Ag-Ga@Mg 处理的支架中大量形成骨状基质和胶原蛋白，而其他组仅显示少量胶原纤维。Ag-Ga@Mg组的成骨因子表达的水平更高，证明Ag-Ga涂层能显著加速了新骨的形成（图8）。
本文开发了一种简单可控的方法来合成悬浮形式的Ag-Ga纳米颗粒，该悬浮颗粒可以喷涂到各种材料表面以赋予抗菌性能。GaLM不仅可以通过电流置换过程来作为Ag的载体，还促进了Ag+的缓慢释放，从而减弱高浓度Ag+的毒性。使用大鼠模型的体内研究进一步强调了Ag-Ga涂层的抗菌效果，Ag-Ga涂层与骨样基质和胶原蛋白支架的形成有关，能促进新骨的形成，并且不会引起炎症反应。Ag-Ga的特性强调了这种新材料作为抗菌和生物相容性涂层的主要候选者的潜力，使其适用于预防一系列医疗材料和设备的感染。
近期，该研究成果以“Silver─Gallium Nano-Amalgamated Particles as a Novel, Biocompatible Solution for Antibacterial Coatings”为题发表于学术期刊《Advanced Functional Materials 》，论文第一作者为Tien Thanh Nguyen，通讯作者为约阿德莱德大学Krasimir Vasilev。
撰稿人：杨白洪
审稿人：邹开凤
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202310539
抗菌抗污材料前沿
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