《Journal of Biomedical Materials Research Part A》：Intrinsic Antimicrobial Properties of a Novel Silorane-Based Material for Orthopedic Applications
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聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥用于固定骨科植入物时，其表面高度易受细菌附着和生物膜形成的影响，这是其众多缺点之一。为了寻找替代材料，研究人员聚焦于先前开发用于牙科复合材料的硅烷环氧树脂（silorane）基聚合物。与PMMA相比，该复合材料具有低收缩率、低
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥用于固定骨科植入物时，其表面高度易受细菌附着和生物膜形成的影响，这是其众多缺点之一。为了寻找替代材料，研究人员聚焦于先前开发用于牙科复合材料的硅烷环氧树脂（silorane）基聚合物。与PMMA相比，该复合材料具有低收缩率、低放热聚合、低毒性以及潜在较低的细菌易感性。基于该牙科材料的优势，研究人员利用包含铂催化剂和表面改性的钇铝硅酸盐玻璃填料的双引发系统，开发了一种用于骨科的新型silorane基材料。本研究测试了该silorane基骨科生物材料是否具有抗菌性能，并以PMMA骨水泥作为对照。通过多种静态和动态模型，研究人员发现金黄色葡萄球菌（S. aureus）的粘附减少了60%–78%（p < 0.0001）。为探究这种抗菌性能的来源，研究人员使用轮廓仪、能量色散X射线光谱（EDS）和接触角测量对两种材料的表面进行了表征。此外，对材料组分的最低抑菌浓度（MIC）测定以及材料组成变化后的细菌粘附测定，揭示了哪些组分具有最大影响。降低其细菌易感性的性质和特征被确定为更高的疏水性、显著更低的表面粗糙度以及催化后残留铂的存在。含铂化学引发剂的掺入在减少细菌粘附方面具有显著效果（p = 0.004）。一种具有显著内在抑制细菌粘附能力的silorane基环氧骨水泥，可能在不增加抗生素耐药性的情况下，提供一种减少骨科假体周围感染的有效途径。
**研究背景与目的**
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥在骨科植入物固定中广泛应用，但其表面易被细菌附着并形成生物膜，导致假体周围感染（PJI）风险增高。全球荟萃分析显示，全膝关节置换术后PJI发生率约为0.83%，全髋关节置换术后约为1.74%。PJI会显著增加患者死亡率和翻修费用。PMMA骨水泥表面粗糙、生物惰性，无法与组织或植入物真正结合，即使负载抗生素也易形成生物膜；其聚合过程放热可损伤周围组织，并抑制成骨分化。因此，亟需开发具有内在抗菌性能的新型骨水泥，以减少抗生素使用和耐药性。Silorane基材料（一种含硅氧烷-环氧树脂结构的单体组合）在牙科应用中被证明具有低收缩、低放热、低毒性，且可能抑制细菌粘附。在此基础上，研究人员开发了一种新型骨科用silorane基生物材料（SBB），采用包含铂催化剂和表面改性钇铝硅酸盐玻璃填料的双引发系统。本研究旨在评估SBB的内在抗菌性能，并与商用PMMA骨水泥比较，进而探究其抗菌性能的来源。
**研究方法概述**
研究人员制备了SBB和PMMA骨水泥圆片。SBB由silorane单体CYGEP（2,4,6,8-四(2-(7-氧杂双环[4.1.0]庚-3-基)乙基)-2,4,6,8-四甲基-1,3,5,7,2,4,6,8-四氧杂四硅环）和PHEPSI（双[2-(3{7-氧杂双环[4.1.0]庚基})乙基]甲基苯基硅烷）按1:1混合，加入光引发系统（PIH、CPQ、EDMAB）和DY5-1TOSU玻璃填料，并以Lamoreaux催化剂（LMC，含铂的1-辛醇溶液）引发聚合。PMMA采用商业SmartSet MV骨水泥。静态粘附实验将金黄色葡萄球菌（S. aureus）ATCC 29213与材料共培养48/72小时，结晶紫染色定量生物膜。动态实验使用连续搅拌罐式生物膜反应器（CDC）和生物发光S. aureus Xen 29，通过IVIS成像测定细菌活性，并用扫描电子显微镜（SEM）观察。表面粗糙度用触针式轮廓仪（2D/3D）测量，接触角用于评估疏水性。组分抗菌活性采用微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC），并利用能量色散X射线光谱（EDS）检测表面铂分布。还进行了LMC有无的对比实验和材料老化实验。样本队列来源为实验室自制材料及商业骨水泥。
**研究结果**
**3.1 静态条件下SBB抑制细菌粘附**
通过静态培养和结晶紫染色，研究人员发现与PMMA相比，SBB表面附着的S. aureus显著减少，48小时和72小时时仅为PMMA的27%和28%（p < 0.0001）。
**3.2 动态条件下SBB抑制S. aureus（Xen 36）粘附与生长**
在CDC反应器动态条件下，SEM显示PMMA表面覆盖大量细菌菌落，而SBB表面细菌稀疏。IVIS发光定量显示，SBB表面细菌活性显著低于PMMA（p < 0.001，双因素方差分析），且粘附量仅为PMMA的22%–40%。
**3.3 视觉检查和轮廓测定**
SEM和3D轮廓仪显示SBB表面光滑，而PMMA表面由直径约50 μm的PMMA微球构成复杂形貌。PMMA的平均粗糙度（Ra）和最大粗糙度（MaxRa）远大于SBB，界面面积比（Sdr）显示PMMA表面积增加大于50%，SBB小于1%，表明SBB表面极平整。
**3.4 SBB组分的MIC和疏水性**
MIC测定显示，LMC对S. aureus和表皮葡萄球菌（S. epidermidis）的MIC分别为0.12 vol%和0.06 vol%，远低于1-辛醇；光引发系统组分中PIH的MIC为6.67 μg/mL，其余组分MIC > 32 μg/mL；DY5玻璃填料无独立抑菌作用。接触角测量显示SBB约为90°，PMMA为80°–87°，表明SBB疏水性略高。
**3.5 LMC对SBB细菌抑制的显著贡献**
在SBB中去除LMC（仅用紫外光引发）后，细菌粘附在48小时显著增加（p = 0.004），而PMMA中加入LMC仅呈轻微下降趋势（p = 0.125），提示LMC在SBB中是重要的抗菌因素。
**3.6 SBB表面检测到铂**
EDS能谱显示铂在SBB表面（< 5 μm深度）均匀分布，且与其他元素（Si、O、Y、Al）相比分布更均匀，提示铂具有发挥抗菌作用的表面可用性。
**3.7 老化SBB长期储存后仍保持细菌抑制**
经约18个月老化后，SBB在24、48、72小时仍显著抑制细菌活性（p < 0.001、p < 0.001、p = 0.002），排除了易挥发的1-辛醇作为主要抗菌因素，支持铂的持续作用。
**讨论与结论**
讨论部分指出，SBB的细菌粘附抑制主要归因于更高的疏水性、更低的表面粗糙度和铂残留。表面粗糙度影响细菌附着，光滑表面减少了细菌锚定；接触角差异较小，但可能有一定贡献。MIC实验表明1-辛醇抑菌活性很低，而LMC的低MIC提示铂是关键抗菌组分；老化实验进一步支持铂是持久抗菌的主要来源。研究人员推测，SBB的多孔结构允许液体渗透，铂可能通过催化产生反应性氧物种（ROS）来损伤细菌并抑制粘附。关于SBB毒性，本研究未进行评价，但已有文献表明silorane材料对多种哺乳动物细胞系无毒性或毒性较低。局限在于研究主要针对S. aureus，其他菌种需进一步探索，且不同时间点间的直接比较受实验条件影响，但同一时间点下两种材料的比较是可靠的。
结论（翻译）：研究发现，使用包含铂催化剂的双引发系统制备的silorane基环氧骨水泥，其表面金黄色葡萄球菌粘附显著低于PMMA骨水泥。后续实验确定了几个促成因素：更高的表面疏水性、更低的表面粗糙度，以及Lamoreaux催化剂（含铂）的掺入对降低细菌粘附有显著贡献，其中聚合材料中残留铂是主要因素。
