用于生物医学植入物的银(I)氧化物和银(II)氧化物薄膜：合成、稳定性、离子释放及抗菌效果

《Journal of Biomedical Materials Research Part A》：Silver (I) and Silver (II) Oxide Films for Biomedical Implants: Synthesis, Stability, Ion Release, and Antibacterial Efficacy

抗感染涂层中银氧化物的合成、性能与抗菌机制研究。通过反应磁控溅射制备单相Ag?O和AgO薄膜，调控沉积参数（功率、压力、气体比例）实现相纯度控制。离子释放实验表明AgO和Ag?O涂层在水和细菌培养基中均比金属银释放更高Ag?离子浓度。抗菌测试显示两者对临床常见耐药菌（MRSA、A. baumannii）及生物膜具有显著抑制效果，且未观察到溶血毒性。XRD和SEM分析证实沉积压力影响相形成及微观结构，低氧分压有利于Ag?O生成，高压促进AgO形成。热分析表明AgO在130℃以下稳定，高于此温度逐渐转化为Ag?O并最终分解为金属银。研究为植入器件开发高效、低毒性银基抗菌涂层提供了理论依据和实践指导。

　　银化合物涂层因其比金属银更高的溶解速率，为防止医疗植入物相关感染提供了一种有前景的解决方案。本研究探讨了银(I)氧化物（Ag?O）和银(II)氧化物（AgO）的合成与表征，以评估其在抗菌应用中的潜力。银氧化物的合成依赖于Ag?O相较于AgO更高的稳定性。AgO的形成需要较低的原子着陆能量，这可以通过气体相散射和快速淬火实现。相反，较高的着陆能量会导致氧的重新溅射，从而有利于Ag?O的形成。在沉积过程中，沉积腔室压力的增加会提高非弹性碰撞的频率，从而降低原子着陆能量，影响相的形成。通过能量色散光谱（EDS）、微观结构成像、X射线衍射（XRD）和高温XRD的综合分析，验证了这一结论。为了评估抗菌潜力，我们测量了银离子在水、Luria-Bertani肉汤（LB）和胰蛋白胨大豆肉汤（TSB）中的释放情况。结果显示，在所有介质中，银氧化物的释放速率均显著高于金属银涂层。抗菌实验表明，银氧化物对临床和多重耐药细菌表现出强大而广泛的抗菌活性，证实了其作为植入设备有效抗菌涂层的潜力。

近年来，全球范围内耐药细菌的出现已成为重大的公共卫生问题。这些细菌最初主要出现在医院环境中，但近年来也逐渐在社区中发现。许多耐药细菌对“最后防线”抗生素如碳青霉烯类、氧哌嗪青霉素和万古霉素具有抗性。特别是那些对多种抗生素表现出抗性的细菌，如肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和结核分枝杆菌等，已被归类为多重耐药（MDR）细菌。与此同时，社区获得性和食物传播的耐药细菌也在增加，例如金黄色葡萄球菌、淋病奈瑟菌、空肠弯曲菌和伤寒沙门菌等。这一趋势强调了开发新型抗菌策略的必要性，这些策略不仅需要具有广谱抗菌效果，还需要降低耐药性发展的可能性。

由于耐药细菌的存在，植入设备相关的感染对慢性病患者或免疫系统受损的患者构成了特别严重的挑战。这些感染通常发生在植入部位，例如骨骼内部或外部导线穿过皮肤屏障的位置。许多研究集中在嵌入式银纳米颗粒（Ag-NPs）的应用，这些纳米颗粒能增加不同表面的银离子释放能力。然而，它们的抗菌效果受到元素银在水性环境中溶解度低和潜在毒性的限制，这使得它们在远距离抗菌方面效果有限，而主要用于防止细菌附着。相比之下，银氧化物，特别是Ag?O和AgO，由于其更高的溶解度和可控的离子释放特性，成为抗菌涂层的有希望候选材料。这些氧化物可以通过反应性磁控溅射技术沉积为薄膜，提供稳定且附着性强的涂层，实现持续的银离子释放。其他沉积技术，如簇束沉积，虽然在控制性上不如反应性溅射，但也能产生有效的抗菌涂层。然而，这些涂层在高真空环境下沉积，氧含量不确定，导致Ag-NPs部分氧化形成混合相涂层。尽管如此，这些涂层仍能有效杀灭细菌。

本研究通过反应性直流磁控溅射技术，合成并表征了相纯的Ag?O和AgO薄膜，用于作为植入设备的抗菌涂层。通过调节沉积参数，如功率、压力和气体成分，我们实现了对薄膜相和形态的控制。这项研究首次对Ag、Ag?O和AgO涂层的离子释放和抗菌活性进行了比较分析，包括对临床多重耐药病原体如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和广泛耐药的铜绿假单胞菌（A. baumannii）的抗菌效果。使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）量化了银离子的释放，并通过对抗菌实验中的游离细菌和生物膜相关细菌进行评估。研究结果表明，相纯的银氧化物涂层代表了一种在易感染部位实现局部和持续抗菌作用的有前景策略。

在材料与方法部分，研究使用了银硝酸盐和硝酸作为ICP标准溶液。ICP样品在去离子水、TSB或LB介质中进行洗脱。银靶材（纯度为99.99%）用于反应性沉积涂层，沉积过程在氩气（99.9995%）和氧气（99.993%）的混合气体中进行，控制不同的沉积压力和环境温度。沉积在316不锈钢箔（厚度为0.10 mm）上，用于抗菌测试、电子显微镜分析和标准XRD测量。单晶蓝宝石（Al?O?）和单晶硅（Si）被用作测量厚度和进行掠入射XRD（GIXRD）的基底。沉积厚度通过测量沉积速率并调整沉积时间来控制，厚度测量使用Ambios XP-2探针轮廓仪完成。

XRD测量使用Malvern-Panalytical Empyrean系统，在Bragg-Brentano几何和掠入射XRD（GIXRD）方法中进行，以验证沉积过程中形成的相。对于SS-316上的涂层，XRD测量范围为2θ从10°到90°。在GIXRD测量中，使用了单晶硅基底，以2°的入射角进行测量。通过Malvern Panalytical HighScore Plus软件和Inorganic Crystal Structure Database进行相识别。为了测试所合成相的稳定性，进行了原位高温XRD（HT-XRD）实验，使用Bruker D8 Discover设备在30°C至450°C范围内进行测量，温度以5°C/min的速率上升和下降。

微观结构分析通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）完成。SEM图像展示了在不同沉积压力下形成的银氧化物涂层的微观结构。EDS用于测量涂层的组成，结果显示，随着沉积压力的增加，氧含量也相应增加。为了进一步确认这一趋势，提供了Ag/O比值随沉积压力变化的图表。XRD数据表明，较低的沉积压力有利于Ag?O的形成，而较高的沉积压力则有利于AgO的形成。这与银原子着陆能量的变化密切相关，着陆能量的高低影响了氧的结合情况。

银离子释放实验通过ICP-MS测量了不同涂层在三种水性介质中的释放速率。结果显示，Ag?O和AgO的释放速率远高于纯银涂层。银离子释放曲线在所有介质中均表现出线性趋势，且斜率与不同溶液的抗菌效果相关。尽管在复杂细菌培养基中银离子释放速率有所降低，但其释放速率仍然足够显著，以发挥抗菌作用。这些数据表明，银氧化物在不同介质中均能有效释放银离子，从而抑制细菌生长。

抗菌活性实验中，测试了不同涂层对临床分离的革兰氏阴性和阳性病原体的抗菌效果。结果显示，银氧化物在抑制细菌生长方面表现优异，尤其是对耐药菌株如MRSA和A. baumannii。在不同培养基中，AgO和Ag?O涂层对细菌生长的抑制效果接近，且均优于纯银涂层。此外，银氧化物涂层在消除生物膜方面也表现出显著效果，而纯银涂层则效果有限。这些结果表明，银氧化物具有广泛的抗菌活性，并能有效防止和消除生物膜的形成。

在细胞相容性方面，通过溶血实验评估了银离子对红细胞的影响。实验结果显示，银离子在所测试的浓度范围内没有表现出显著的溶血活性，表明其在生物环境中具有较低的毒性。尽管银离子和银纳米颗粒在生物介质中可能具有一定的细胞毒性，但所测试的浓度远低于毒性的阈值。这些结果表明，银氧化物涂层在抗菌的同时，能够保持较低的细胞毒性，适用于医疗植入设备。

本研究还探讨了银氧化物涂层在高温下的稳定性。通过HT-XRD分析，发现AgO在温度低于130°C时存在，但随着温度升高逐渐转化为Ag?O，最终在400°C以上分解为金属银。这些结果支持了AgO在热力学上不如Ag?O稳定的结论。此外，通过分析晶格参数的变化，进一步验证了AgO和Ag?O在不同温度下的稳定性差异。这些数据表明，银氧化物涂层在高温下可能发生变化，影响其抗菌性能。

研究结果表明，银氧化物涂层在抗菌和抗生物膜方面表现出优异的性能，同时在生物环境中具有较低的细胞毒性。这为银氧化物在医疗植入设备上的应用提供了理论和实验支持。未来的研究将集中在这些涂层与哺乳动物细胞在体外环境中的相互作用，以及在细胞培养介质中的释放速率，以进一步优化其在临床应用中的表现。这些发现为开发更安全、有效的抗菌涂层提供了新的思路和方法，有助于应对日益严重的耐药细菌问题。