石墨烯及其衍生物在口腔抗菌领域的研究进展

2022-8-12 16:08  来源:口腔医学
作者:马思佳 任思聪 孙耕天 牛瑞娟 宋春艳 钱明 阅读量:10405

    口腔是一个复杂的微生态环境,有超过23000种细菌定植,在某些情况下这些细菌会成为一些口腔疾病的直接病因,并导致口腔治疗的失败,甚至还会影响全身的健康。目前临床上常用的解决策略是口服或者局部使用抗生素等抗菌药物,但是由于抗菌药物快速降解快速释放,且容易产生耐药性,这种策略在临床中的治疗效果并不理想。随着纳米医学的发展,利用纳米材料制备具有优良抗菌性的复合材料成为了近年来的研究热点。
    石墨烯是21世纪的一种新型的碳纳米材料,研究表明,石墨烯及其衍生物具有良好的抗菌性与生物相容性,同时也是抗菌活性物质的理想载体,因此其在口腔抗菌领域具有广阔的应用前景。本文对石墨烯及其衍生物的抗菌机制及其在口腔领域的抗菌应用做一综述。
    1.石墨烯及其衍生物的分类
    1.1石墨烯
    石墨烯是碳同素异形体的构件,它具有特殊的热学、光学和机械性能,包括:高杨氏模量、高断裂强度、优异的导电性和导热性、大的比表面积和生物相容性等。同时它具有天然抗菌性。这些特性使石墨烯广泛地应用于各个领域。
    1.2氧化石墨烯
    氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是石墨烯的含氧衍生物,它的优势在于表面含有羟基、羧基、羰基等丰富的含氧基团,厚度大于石墨烯。同时GO具有两亲性:中间片层呈疏水性,边缘呈亲水性,前者可通过疏水作用负载一些疏水性物质,后者则可为功能化修饰GO提供位点,为其作为载体在体内更好地发挥作用提供基础。GO被视为当代最具有发展前景的碳材料之一。
    1.3还原氧化石墨烯
    还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)是由GO衍生而来,但rGO和GO的结构存在着差异,rGO的含氧官能团含量少于GO,因此,rGO的晶体质地优于GO。同时二者的结构差异还可引起不同的理化性质。例如,rGO具有比GO更好的光吸收率,电导率。
    1.4氟化石墨烯
    氟化石墨烯(fluorinated graphene,FG)是由GO通过氟化反应所得,是另外一种石墨烯的新型衍生物,保留石墨烯原有优势的同时,氟原子的引入又为其带来了新的特性,比如:疏水性更加优越,表面能降低等。
    1.5石墨烯量子点
    石墨烯量子点(graphene quantum dots,GQDs)是一种新型的基于碳的量子点。与石墨烯相比,GQDs具有出色的生物相容性,更好的稳定性和固有光致发光性。此外,GQD还可以由低成本的有机化合物合成;而且由于高比表面积和高负载能力,使其可以通过适当的表面修饰,应用于基因和药物的递送等。
    2.石墨烯及其衍生物的抗菌机制
    石墨烯及其衍生物具备天然抗菌性,有着独特的抗菌机制。研究表明,其主要的抗菌机制有以下几种。
    2.1膜损伤抗菌机制
    石墨烯及其衍生物锋利的边缘破坏了细菌细胞膜,导致细菌内容物泄露,随后导致细菌渗透失衡和细菌死亡。Akhavan等研究表明石墨烯及GO对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌有杀伤作用,在扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)下观察到这两种细菌的胞膜边缘被破坏。Liu等利用大肠杆菌来评估GO和rGO的抗菌性能,通过SEM观察发现和GO、rGO一起培养的大肠杆菌的胞膜完整性被破坏,大肠杆菌活性丧失。
    2.2提取磷脂分子抗菌机制
    石墨烯及其衍生物可以渗透进入到细菌胞膜中并从细菌胞膜中提取大量磷脂,这种破坏性提取导致细菌活性丧失。Tu等在大肠杆菌培养液中加入石墨烯,发现石墨烯可以诱导大肠杆菌内外细胞膜的降解。通过透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)和分子动力学模拟试验发现,大肠杆菌大致经历了3个阶段:首先石墨烯纳米片锐利的边缘破坏了大肠杆菌胞膜的完整性,随后石墨烯进入到大肠杆菌胞膜中并且对脂质分子进行提取,最终导致大肠杆菌的死亡。
    2.3包裹捕获抗菌机制
    石墨烯及其衍生物可以与细菌相互作用从而覆盖在细菌表面,将细菌与外界环境隔离并阻断其活性位点从而降低了细菌的生存能力,导致细菌的生物活性显著下降。Akhavan等用制备好的GO处理大肠杆菌悬浮液,发现GO薄片捕获了大肠杆菌,通过测量发现被捕获的大肠杆菌不能消耗葡萄糖,不能继续在培养基中增殖。但是通过超声处理去除了大肠杆菌表面的GO薄片后,这些大肠杆菌可以重新活化,消耗掉悬浮液中的葡萄糖并可以在培养基中继续增殖,这就表明GO片的诱捕作用只是对细菌进行抑制而非杀灭细菌。
    同时Li等用金纳米簇修饰氨基官能化的氧化石墨烯(Au-GONH2),然后用其处理金黄色葡萄球菌和大肠杆菌,通过SEM可以清楚地观察到大部分金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被捕获在组装的纳米片表面上。此外,Chen等用GO处理丁香假单胞杆菌的悬浮液,发现细菌活性显著下降,细菌胞膜的电位降低。
    2.4氧化应激抗菌机制
    石墨烯及其衍生物在光激发后可以释放较高的能量并产生活性很强的单态氧,其可以与细菌胞膜发生氧化反应,进而导致细菌的损伤甚至死亡。Ristic等单独用蓝光或200μg/mL的GQDs处理大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的悬浮液,结果发现这两种细菌的生存能力并没有受到显著影响。而用GQDs和蓝光同时处理这两种细菌的悬浮液后发现细菌活性显著降低,通过SEM观察到细菌胞膜被破坏,并且细菌发生肿胀。
    Gurunathan等用GO和rGO处理铜绿假单胞菌的悬浮液,结果发现细菌大量死亡,然后通过硝基蓝四氮唑(nitroblue tetrazolium,NBT)还原测定法确定了活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生。Li等发现Au-GO-NH2对金黄色葡萄球菌有抑制作用,同时利用一种可进入到细胞的探针(DCFH-DA)检测到经Au-GO-NH2处理过的金黄色葡萄球菌中有ROS的产生。以上实验证明了石墨烯及其衍生物的抗菌机制和ROS的产生密切相关。
    3.石墨烯及其衍生物在口腔抗菌领域的应用现状
    3.1涂层抗菌
    随着口腔种植技术的普及,种植体的感染问题也随之增加。目前的研究方向是对种植体的主要材料(钛及钛合金)进行改性。谷明等用单层片状石墨烯改良钛表面,然后以石墨烯-钛片组为实验组,以光滑钛片组为对照组,在实验组和对照组上接种大肠杆菌及金黄色葡萄球菌,结果发现石墨烯-钛片组的菌群群落明显少于对照组。
    Pranno等也发现石墨烯纳米片增强了钛对金黄色葡萄球菌的抗菌作用。邓雪阳等利用GO涂层种植体材料得到GO-Ti,结果发现GO-Ti对牙龈卟啉单胞菌有更好的抗菌作用,同时发现GO-Ti的表面更易被细胞粘附,具有良好的生物相容性。薛智钧等利用电化学法在纯钛表面装载HA/GO涂层,结果发现其对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌有明显的抗菌作用。上述研究表明,石墨烯及其衍生物可能成为预防种植体周围炎的一种潜在解决方案。
    3.2镀膜抗菌
    在口腔的正畸治疗中,固定矫治的托槽周围常常发生牙釉质脱矿现象,这主要是因为托槽为细菌的定植与菌斑的形成提供了有利的条件,同时定植的细菌产生的有机酸对牙釉质进行了腐蚀。因此提高固定矫治中托槽的抗菌性能一直是口腔正畸领域的研究重点。
    Zhang等制备了GQDs和氧化锌双层薄膜的托槽并以此为实验组,以普通托槽为对照组,在实验组和对照组上分别接种变形链球菌,结果显示实验组对变形链球菌有良好的抗菌性能。因此利用GQDs可以显著增加正畸托槽的抗菌性能。
    3.3以复合物的形式抗菌
    根尖周炎是口腔常见的疾病之一,粪肠球菌是导致根尖周感染的主要细菌,研究表明反义walR(ASwalR)RNA对此细菌有抗菌作用。Wu等利用GO修饰聚乙烯亚胺,然后将得到的复合物装入反义walR质粒中,结果发现GO的加入增强了ASwalRRNA对粪肠球菌的抗菌作用。
    玻璃离子水门汀(glass-ionomer cement,GICs)是口腔修复领域中常用的材料,对其改性一直是临床研究的热点。Sun等利用声波降解法制备了氟化石墨烯-GICs(FG-GICs)的复合物,然后在FGGICs组和纯GICs组上都接种变形链球菌和金黄色葡萄球菌,结果发现虽然纯GICs组也有一定的抗菌能力,但是FG-GICs组的抗菌能力更强。因此,FG可以作为一种高效的抗菌物质改善GICs的抗菌性能。
    3.4作为填料加入抗菌
    继发龋是临床上导致修复体失败的常见原因,引起继发龋的病原菌主要是变形链球菌。为了防止继发龋的发生,Bregnocchi等将石墨烯纳米片作为填料加入到口腔修复体的粘接剂中,结果显示:与传统粘接剂相比,加入了石墨烯纳米片的粘接剂可以显著降低变形链球菌的存活率,同时也抑制了菌斑生物膜的粘附和生长。在口腔修复领域中,义齿基托的表面容易形成复杂的微生物膜,从而引发义齿性口炎等相关疾病,因此改良义齿基托的抗菌性能就显得尤为重要。
    吴雨宸等将GO作为填料加入到义齿基托的主要材料聚甲烯丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)中,并在GO-PMMA上面接种白念珠菌,变形链球菌以及伴放线聚集杆菌,结果发现GOPMMA具有优良的抗菌性能,抑制了上述几种细菌的增殖,而且GO的加入也改善了基托的机械性能,同时Azevedo等证明了GO的加入并没有影响PMMA的生物安全性,戴用GO-PMMA8个月的患者没有出现机械、美学或生物并发症,并且患者的软组织表现出极好的健康和稳定性。
    3.5以载药的形式抗菌
    石墨烯及其衍生物具有天然抗菌性,而且它们自身的纳米级结构使其可能成为抗菌活性物质的理想载体,这为解决口腔细菌引发的问题提供了一个新思路。Han等将GO沉积在聚多巴胺(polydopamine,PDA)修饰的钛支架上,并用其负载载有BMP2和万古霉素的明胶微球(GeLMs),结果发现与纯钛片相比,GO-Ti的载药量从30%增加至60%,充分表明石墨烯及其衍生物具备良好的载药性能。
    Iannazzo等将阿霉素(DOX)装载到GQDs上,利用GQDs的固有荧光来追踪药物的释放,研究结果表明DOX-GQDs可以增强药物渗透进入肿瘤细胞的能力,并且提高细胞对药物的摄取率。Jiang等利用聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)对GO进行修饰,将修饰后的GO作为四环素盐酸盐(tetracycline hydrochloride,TCH)载体和释放平台(pGO-TCH),结果发现pGO-TCH纳米结构具有良好的载药与抗菌性能,其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展现出良好的抗菌效果。综上石墨烯及其衍生物不仅自身具备一定的抗菌性能,而且可以作为载体负载药物从而产生协同抗菌作用。
    4.展望
    通过对石墨烯及其衍生物的抗菌性能及抗菌机制系统的阐述,总结了其在口腔抗菌领域的应用,但是目前其在口腔抗菌领域的应用仍然存在一些挑战,最为关键的就是石墨烯及其衍生物的生物安全性问题。目前学者们进行的研究大多是体外实验,结果显示石墨烯及其衍生物的抗菌机制缺乏特异性,并且其抗菌机制还没有完全明确,所以不能排除其对于人自体细胞的杀伤作用,因此未来需要更多的研究来提高石墨烯及其衍生物的生物安全性,利用其负载药物或许是未来解决这一问题的新途径。

编辑: 陆美凤

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