Ag/ZnO纳米复合材料对生物膜状口腔致病菌的抗菌活性及机理研究

Oral pathogenic bacteria, the main pathogenic factor for dental caries and periodontal disease, exist in oral cavity in the form of biofilm. At present, few antibacterial maretials can effectively inhibit the growth of oral pathogenic bacteria in biofilm; and their applications are also restricted. In this project, we aim to synthesiz different Ag/ZnO nanocomposites with controllable morphology and structure via diverse synethetic routes in environmental-friendly HEPES solution. The inhibition effects of the prepared Ag/ZnO nanocomposites will be investigated against oral pathogens exsiting in the following three forms: planktonic pathogen, single species pathogen biofilm, mixing species pathogens biofilm, based on which the Ag/ZnO nanocomposite with the highest antibacterial activity will be thereby screened. It is expected that the antibacterial activities of Ag/ZnO nanocomposites against oral pathogenic bacteria could be effectively enhanced through the synergistic effect of nano-silver and nano-zinc oxide. In the meantime, the drawbacks of single-component nanomaterial could be overcomed. The antibacterial mechanism and corresponding biological pathway of Ag/ZnO nanocomposite against the typical oral anaerobic caries pathogen S. mutants will also be clarified based on the analysis of evolution in structure and morphology of bacteria, transcriptomics and proteomics results, which could make up for the deficiency in antibacterial mechanism of antibacterial nanomarerials against oral pathogenic bacteria. This project has important theoretical and practical significance for the development of novel oral antibacterial materials.

口腔致病菌是龋病和牙周病主要致病因素，在口腔环境中多以生物膜形式存在。目前能有效抑制生物膜状口腔致病菌的抗菌材料并不多见，使用上也存在局限性。本项目拟选用环境友好的HEPES溶液体系，采用不同合成方法可控制备Ag/ZnO纳米复合材料。从浮游状致病菌-生物膜状单种类致病菌-生物膜状混合种类致病菌三个层面研究Ag/ZnO纳米复合材料对口腔致病菌的抑制作用，筛选具有最佳抗菌活性的复合材料。期望通过纳米银和纳米氧化锌的协同作用，有效提高Ag/ZnO纳米复合材料对口腔致病菌的抗菌活性，同时克服单组分材料的不足之处。并通过细菌结构与形态变化、转录组学和蛋白质组学分析，阐明Ag/ZnO纳米复合材料对典型致龋厌氧菌变异链球菌(S.mutans)的抗菌机理和抗菌作用的生物学途径，弥补纳米抗菌材料对口腔致病菌抗菌机理研究的不足。本项目研究对开发新型口腔抗菌材料具有重要的理论与实际意义。

由于抗生素的广泛使用导致多重药物耐受菌株大量产生，使抗生素的使用遭遇瓶颈，而无机纳米抗菌材料由于其抗菌谱广、细菌不易产生耐药性从而引起人们的广泛关注。本项目采用不同方法合成Ag/ZnO、AgO/TiO2、Ag/AgCl/BiOCl纳米复合物和Bi2S3、Bi2Te3等纳米颗粒，并对其抗菌活性和机理以及抗菌应用进行研究。结果表明，Ag/ZnO对浮游状和生物膜状典型口腔致龋厌氧菌--变异链球菌(S.mutans) 具有较好的抗菌活性。对浮游状S.mutans的抗菌机理包括破坏细菌细胞结构和膜的功能，氧化细胞内生物大分子；对生物膜状S.mutans的抗菌机理涉及改变胞外疏水性，抑制细菌产酸，抑制成膜相关基因表达以及直接杀死膜内细菌。与单纯Ag/ZnO相比，在口腔临床常用的LED光固化灯照射下，Ag/ZnO在极短时间内（ 5 min）对浮游状和生物膜状S.mutans显示了较强的抗菌效果，材料在LED光照下所产生的•OH和•O2在增强的抗菌活性中起到了关键作用。以上结果为将该材料应用于口腔防龋齿奠定了基础。此外，Ag/ZnO对临床常见的耐药菌--耐甲氧西林金黄色葡萄球MASA、耐药E. coli和耐药P. aeruginosa具有显著的抗菌活性，抗菌效果远高于抗生素阿莫西林和哌拉西林。将Ag/ZnO和纳米Ag与壳聚糖制备抗菌敷料，则显示了非常好的生物相容性和抗菌活性，可有效用于防止伤口感染。合成的AgO/TiO2纳米复合物对浮游状和生物膜状S.mutans也显示了较强的抗菌效果，也可有效用于口腔防龋。此外，所合成的Ag/AgCl/BiOCl纳米复合物在可见光照射下对S. aureus具有较好的光致杀菌作用，起杀菌作用的主要是空穴产生的过氧化氢。我们还发现硫化铋纳米颗粒与庆大霉素、碲化铋与头孢噻肟共同使用，可使对MRSA失去作用的抗生素重新发挥抗菌作用。本项目研究结果对开发新型口腔抗菌材料及临床抗耐药菌材料具有一定的理论与实际意义。