硅酸盐生物陶瓷的抗菌活性

1、复合材料和技术课程作业姓名： 学号：学院： 武汉理工大学材料科学学报、2011年4月DOI 10.1007/s11595-011-0202-8硅酸盐生物陶瓷的抗菌活性扈胜，常江等（1.体育系，华中师范大学，武汉430079，中国；2.生物材料和组织工程研究中心，上海硅酸盐研究所，中国科学院，上海200050，中国；3.Med - X研究院，上海交通大学，上海200030，中国）摘要：本篇文章介绍了四种纯硅酸盐陶瓷粒子（CaSiO3、Ca3SiO5、白硅钙石和镁黄长石）的制备及其杀菌效果进行了系统的研究。通过XRD，对四种硅酸盐陶瓷相组分进行测试分析。进行离子浓度测量，得出：在Ca3SiO5 和

2、白硅钙石中，钙离子浓度相对较高；在CaSiO3和镁黄长石中，钙离子浓度相对较低。相对的，四种陶瓷硅酸盐提取物的pH值与粒子浓度成反比。同时，将粒子变小，可以获得较高的钙离子浓度，从而导致水的pH值也增高。综上可知，在我们的研究测试的四种硅酸盐陶瓷都表现出抗菌作用，并且随着剂量的增加抗菌能力也增强。总之，其对大肠杆菌的抗菌活性由强到弱的顺序是Ca3SiO5、白硅钙石、CaSiO3、镁黄长石。关键词：硅酸盐陶瓷；抗菌活性；比表面积；水溶液pH值；离子浓度。1引言生物陶瓷和生物玻璃都是硅酸盐陶瓷，用于修复和重建患病或受损肌肉骨骼部件。它们是由多种无机组件构成。生物陶瓷和生物玻璃之间的主要区别是相。生

3、物陶瓷的相是结晶，而生物玻璃的相是非结晶的。由于生物独有的相容性和生物活性，因而被广泛应用于在臀、膝盖、牙齿、肌腱和韧带的置换，牙周病的修复，颌面部的重建，后颚骨的增强和稳定，脊柱融合，骨填充物手术等等。例如，生物活性玻璃已用于骨缺损填充好多年了。硅酸钙陶瓷（CaSiO3）和三钙硅酸盐陶瓷（Ca3SiO5）通过刺激细胞，表现出优良的生物活性，这表明他们有着潜在的用途，比如说牙科手术，骨组织工程，或骨植入材料，骨髓和药物传递系统。同时，据报道，硅酸盐陶瓷，包括镁黄长石（Ca2MgSi2O7）和白硅钙石（Ca7MgSi4O16）对成骨细胞增殖有着很大的作用， 为骨组织工程支架材料提供了潜在的可能。

4、在一些以前的研究中，对于硅酸盐陶瓷的抗菌活性已经有了探索，关于体外广谱微生物。Sipert等发现波特兰水泥和矿物三氧化聚合（MTA）含有Ca3SiO5，表现出体外抗菌活性。抗菌活性是由于pH值高，这是碱离子与水介质中形成的羟基交换的结果。硅酸盐基生物陶瓷，如CaSiO3、Ca3SiO5、白硅钙石、镁黄长石，有相似的组分。之前的研究表明，一系列Ca3SiO5表面发生的反应，包括在碱土离子的释放，磷灰石形成，pH值升高。钙（Ca）和镁（Mg）含量决定了提取物离子的浓度，这就有了水的pH值。同时，已被证明，镁含量直接影响CaO SiO2MgO系陶瓷的磷灰石形成和退化。然而，自今为止，钙的硅酸盐陶瓷的

5、抗菌活性相关的报道没有。而这份研究报告研究了四种硅酸盐陶瓷（CaSiO3、Ca3SiO5、镁黄长石、白硅钙石）的抗菌活性。 并且讨论了钙和镁含量以及颗粒大小等因素对抗菌活性的影响。2实验2.1硅酸盐陶瓷的制备及特性CaSiO3颗粒的合成，将Ca（NO3）2·4 H2O与Na2SiO3· 9H2O在800煅烧2小时。Ca3SiO5颗粒通过溶胶凝胶技术制备，在1500煅烧8小时。镁黄长石（Ca2MgSi2O7）颗粒通过预相比溶胶凝胶技术制备，采用正硅酸乙酯的过程中，硝酸镁六水和硝酸钙四水在1370下焙烧6小时。而白硅钙石（Ca7MgSi4O16）是在1350煅烧8小时。作为对照

6、，使用商业45S5生物玻璃颗粒（美国生物材料公司阿拉楚阿，FL，美国），融衍生袋BAG颗粒的组成（WT）为：45的SiO2，24.5NaCl， 4.5CaO，6P2O5。通过计算，这四种硅酸盐陶瓷颗粒的理论成分见表1。用X射线衍射仪（Geigerflex，理学，JA -潘）表征四种硅酸盐陶瓷颗粒的相组分。2.2细菌培养大肠杆菌被用来评估的硅酸盐陶瓷的抗菌活性。在37下，LB培养基中病毒生长12小时后，对其稀释约1 × 106mL至5 × 106后才能使用。2.3测定离子浓度和提取物的pH值颗粒沉浸在LB培养基（蛋白胨10克，酵母提取物5克，氯化钠10克，pH值7.0）后，分

7、析不同的提取物的离子浓度。在37下，10毫克硅酸盐陶瓷粒子1 mL的LB培养基中浸泡1小时，并在10000转/分的离心速度下，搅拌5 分钟。然后，使用电感耦合等离子体原子发射质谱仪（ICP AES；瓦里安，美国），对收集来的0.5毫升上清液进行测量钙和镁离子的浓度。2.4不同浓度钙的硅酸盐陶瓷的抗菌活性四种硅酸盐陶瓷的抗菌活性与45S5生物玻璃进行比较。CaSiO3、Ca3SiO5、镁黄长石、白硅钙石和45S5生物玻璃粉末通过300目筛过筛。在 1.5mL的离心管中， 将1、10、50、100毫克的样品分别混合在1毫升细菌悬液。在旋涡混合器搅拌1分钟后，在有氧的37的环境下，将混合物放置1小时

8、。经过10倍的一系列稀释，一个等分的100L悬浮液，散布到在一式三份LB琼脂板，在37下孵育一夜。 在孵育结束后记录下菌落数。用CFU（菌落形成单位）/ mL来计算抗菌百分比。计算公式如下：杀菌率= 1 -（存活数细菌数/细菌总数）。从三个独立的检测中可以得到结果。使用相同粒子混合，分开检测相应的pH值。简单的说， 2、20、100、200毫克的硅酸盐颗粒分别悬浮于2毫升LB 媒介中。在旋涡混合器搅拌1分钟后，在37的环境下，放置试管1小时。用pH计（PHSJ - 3F，中国）测试提取物中的pH值。pH计可以自动的修正周围环境温度的变化所影响的pH值的波动误差。从三个独立的试验中可以获得结果。

9、2.5不同粒子大小的硅酸钙的抗菌活性CaSiO3颗粒通过80160200和300目筛分成四组，根据粒径大小分为：小于54m、54m到76m、76m到97m、大于97m。各种浓度颗粒的抗菌活性如下。对于每个粒子组，1、10、50、100毫克的颗粒混合在1 ml细菌中，在37下孵育1小时。孵化结束后，采用琼脂平板法确定CFU，根据上述方式计算杀菌率。对应的提取物水溶液pH值的测定和之前的过程(浓度为1、10、50、100mg/ mL)一致。通过三次独立的试验分析得出结果。3结果与讨论3.1四种陶瓷的相组分图1显示了四种钙的硅酸盐陶瓷的XRD图谱。四种陶瓷(CaSiO3、Ca3SiO5、镁黄长石、白

10、硅钙石)颗粒的相组分见图一。根据分子重量理论计算的硅酸盐陶瓷的组分见表1。结果与先前吴等人的报告吴一致。表1 硅酸盐陶瓷的理论组分图1 四种硅酸盐陶瓷的XRD图谱，Ca3SiO5、白硅钙石、CaSiO3、镁黄长石3.2提取物离子浓度在一定浓度（10毫克/毫升）下，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪，对四种硅酸盐陶瓷粒子进行检测。Ca3SiO5陶瓷和白硅钙石陶瓷的钙离子浓度比CaSiO3陶瓷和镁黄长石陶瓷的高（数据未显示）。这些数据与以前的报道是一致的。提取物中的钙离子浓度表明在溶液中释放出的钙离子不取决于他们的理论钙离子组分。3.3提取物水溶液的pH值四种硅酸盐陶瓷颗粒浓度与水溶液pH值的关系

11、见图2所示。四种硅酸盐陶瓷提取物的浓度与水溶液pH值成正比关系。Ca3SiO5陶瓷和白硅钙石陶瓷的水溶液pH值高于CaSiO3陶瓷和镁黄长石陶瓷的，45S5 生物玻璃的水溶液pH值也高于CaSiO3陶瓷和镁黄长石陶瓷的。镁黄长石陶瓷的水溶液pH值低于被测试的所有陶瓷的。图2 四种硅酸盐陶瓷颗粒浓度与水溶液pH值的关系3.4四种硅酸盐陶瓷的抗菌百分比图3表明，四种硅酸盐陶瓷颗粒浓度对大肠杆菌的抗菌活性的关系。当颗粒浓度从1毫克/毫增加至100毫克/毫升，四种硅酸盐陶瓷的抗菌活性也相应增加。Ca3SiO5陶瓷和白硅钙石陶瓷表现出的抗菌能力比45S5生物玻璃强，而CaSiO3陶瓷和镁黄长石陶瓷的抗菌

12、活性低于45S5 生物玻璃。对于1毫克/毫升的低剂量的粒子，Ca3SiO5陶瓷的抗菌能力比白硅钙石陶瓷强，而在较高浓度的情况下，他们都表现出100的杀菌能力。四种硅酸盐陶瓷颗粒的抗菌能力按照以下顺序排列：Ca3SiO5>白硅钙石> CaSiO3>镁黄长石，这正好与提取物pH值的顺序相吻合。图3 四种硅酸盐陶瓷颗粒浓度与抗菌百分比的关系3.5 对于不同粒径CaSiO3 陶瓷的pH值和抗菌百分比图4表明，CaSiO3提取物水溶液的pH值因CaSiO3粒子大小的增加而降低。水溶液的pH值随着剂量的增加而增加。不同的粒子大小和浓度与CaSiO3陶瓷的抗菌能力的关系见图5。抗菌能力与粒

13、子大小成反比。图4不同粒子大小和浓度对CaSiO3陶瓷溶液pH值的影响图5不同粒子大小和浓度对CaSiO3陶瓷抗菌能力的影响4讨论目前的研究结果证明了四种硅酸盐陶瓷的抗菌能力依赖于剂量。根据我们的分析，pH值是其抗菌活性的主要原因。这些硅酸盐陶瓷溶液的pH值升高造成的微环境不适合细菌的生长，从而有抗菌的作用。有两个因素可能会导致pH值升高：钙离子的颗粒大小和浓度。在溶液中，这四种硅酸盐陶瓷的钙离子浓度要比其它一些离子的浓度要高，比如镁离子。另一方面，镁离子被证明不具有抗菌活性。因此，相对镁离子，钙离子被认为是提高溶液的pH值以及增强抗菌活性的最佳选择。抗菌活性归因于高的pH值，由于碱离子与溶液

14、中的氢氧根离子相互交换的原因。值得一提的是，钙离子浓度不是取决于原结构理论的钙组分，而是水溶液的原子KSP水。四种硅酸盐陶瓷粒子的抗菌百分比与提取物的pH值成正比关系。之前钙离子自身的作用（数据未给出），水的pH值，在这种情况下，是抗菌的唯一原因。一般的，溶解液中的粒子越多，钙离子浓度和pH值就越高，这样就越有利于抗菌。研究表明，提取物的pH值是对硅酸盐陶瓷抗菌的关键因素。对于颗粒大小而言，目前的研究表明，CaSiO3陶瓷的颗粒粒径增加，而杀菌率下降。Waltimo等人还发现，纳米粒子45S5生物玻璃的抗菌活性优于微米45S5微粒。一般情况下，在水溶液中，尺寸粒子较小，比表面积就较大。因此，可释放更多的钙离子，与上述