کاربرد های نانوذرات نقره در زیست پزشکی

خواص ضد میکروبی منحصر به فرد نانوذرات نقره منجر به کاربرد آنها در زمینه هایی مانند تولید لباس، نگهداری مواد غذایی و تصفیه آب شده است. مهمتر از همه، AgNP ها به دلیل اثرات ضد باکتریایی، ضد قارچی، ضد ویروسی، ضد التهابی و القای استخوان و همچنین توانایی آنها در بهبود زخم، به طور فزاینده ای در صنعت پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.

خواص بیولوژیکی نانوذرات نقره

در سال ۱۸۸۴، کرید، متخصص زنان و زایمان آلمانی، نیترات نقره ۱% (AgNO3) را به عنوان محلول چشمی برای پیشگیری از گنوکوکی چشمی نوزادان معرفی کرد، که به احتمال زیاد اولین استفاده پزشکی مستند علمی از نقره است. در جامعه مدرن، کرم سولفادیازین نقره که به صورت موضعی استفاده می شود، درمان آنتی باکتریال استاندارد برای زخم های سوختگی است و امروزه نیز به طور گسترده در واحدهای سوختگی استفاده می شود.

با این حال، احتباس موضعی ناکافی و اثرات شدید سیتوتوکسیک، استفاده بالینی از این اشکال مخزن یونی مواد نقره را محدود کرد. با توجه به پیشرفت های اخیر در فناوری نانو، اکنون امکان تولید نقره در مقیاس نانو وجود دارد. علاوه بر کاربردهای بالقوه مواد رسانای الکتریکی، ظهور نانوذرات نقره در کالاهای مصرفی ضد میکروبی و محصولات پزشکی باعث رشد بازار نانو نقره می شود. در میان آماده‌سازی‌های مختلف نانو نقره، نانوذرات نقره (AgNPs) از ۲۰ تا ۱۵۰۰۰ اتم نقره تشکیل شده‌اند که معمولاً از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر قطر دارند و در یک بعد وجود دارند. این ابعاد بسیار کوچک منجر به نسبت سطحبه حجم بالا می شود و متعاقباً خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی نانوذرات نقره را تغییر می دهد.

خواص ضد باکتریایی نانوذرات نقره

خواص ضد باکتریایی نانوذرات نقره آنتی بیوتیک های استانداردی هستند که در پزشکی استفاده می شوند و به اهداف شیمیایی خاصی از باکتری هایی که در انسان وجود ندارند متصل می شوند. با این حال، این ویژگی اتصال، تعداد گونه‌های باکتریایی را که در برابر یک آنتی‌بیوتیک خاص آسیب‌پذیر هستند، کاهش می‌دهد و به مقاومت آنتی‌بیوتیکی ایجاد شده توسط باکتری‌ها کمک می‌کند و در نهایت باعث ایجاد باکتری‌های مقاوم به چند دارو می‌شود. با افزایش تعداد عفونت های ناشی از باکتری های مقاوم به چند دارو، نیاز به جایگزین های ضد میکروبی موثر وجود داشته است.

نقره یک جایگزین عالی است زیرا یک ضد عفونی کننده است که طیف وسیعی از باکتری های گرم + و گرم- و همچنین سویه های مقاوم به وانکومایسین را هدف قرار می دهد. علاوه بر این، باکتری‌های مقاوم به نقره به ندرت در فلور میکروبی بیمارستانی مشاهده می‌شوند، زیرا مقاومت نقره به یک نسل از باکتری‌ها نیاز دارد تا سه جهش جداگانه در سه سیستم باکتریایی مختلف را متحمل شوند.

تصور می‌شود که مواد مبتنی بر نقره، یون‌های نقره (Ag+) را در محلول آبی آزاد می‌کنند، که خواص ضدباکتریایی خود را با اتصال به گروه‌های تیول (-SH) حاوی گوگرد و هیدروژن موجود در انواع پروتئین‌های ساختاری و عملکردی باکتری است ایجاد می کند.

بررسی خواص ضد باکتریایی نانوذرات نقره

با توجه به نسبت سطح به جرم بالا، نانوذرات نقره سطح فعال بیشتر، حلالیت بالاتر را در واکنش شیمیایی ارائه می دهند. با این حال، یک مطالعه مقایسه ای AgNPs، AgNO3 و کلرید نقره (AgCl) نشان داد که AgNP ها دارای خواص ضد باکتریایی بالاتری نسبت به یون های نقره آزاد (Ag+) هستند. این بدان معناست که نانوذرات نقره دارای خواص ضد باکتریایی ذاتی هستند که به آزادسازی یون های نقره (Ag+) وابسته نیستند. یکی از مکانیسم‌های احتمالی اثرات باکتری‌کشی مستقل از انتشار Ag+ تا حدی به دلیل توانایی نانوذرات نقره برای چسبیدن به دیواره سلولی باکتری و نفوذ در آن است که در نتیجه نفوذپذیری آن را افزایش می‌دهد و در نهایت منجر به مرگ سلولی می‌شود.

مطالب پیشنهادی: روش تعیین حداقل غلظت کشندگی (M.B.C) – روش تعیین حداقل غلظت ممانعت کنندگی (M.I.C)

مکانیزم دیگر تلاش می کند تا اثر ضد باکتریایی اتم های نقره با بار مثبت (Ag+) را بر روی سطح نانوذرات نقره از طریق تشکیل رادیکال های آزاد و متعاقب آن آسیب غشایی ناشی از رادیکال های آزاد توضیح دهد. علاوه بر این، یک مطالعه اخیر مکانیسم جدیدی را برای اثر ضد باکتریایی نانوذرات نقره پیشنهاد می‌کند، یعنی القای پاسخ آپوپتوز مانند در باکتری است.

این مکانیسم پیشنهادی جدید شامل تجمع گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)، افزایش سطح کلسیم داخل سلولی و قرار گرفتن در معرض فسفاتیدیل سرین در غشای خارجی است که همه نشانه‌های آپوپتوز اولیه هستند. همچنین شامل اختلال در پتانسیل غشاء و تخریب DNA، شاخص‌های آپوپتوز دیررس، در سلول‌های باکتریایی تیمار شده با AgNP است. در مجموع، اعتقاد بر این است که AgNPها با DNA باکتری، دیواره سلولی پپتیدوگلیکان و غشای پلاسمایی، و پروتئین‌های باکتریایی درگیر با زنجیره انتقال الکترون برای تولید اثرات ضد باکتریایی تعامل دارند.

اگرچه کاملاً مشخص نیست که کدام مکانیسم اثر ضد باکتری اصلی را ایجاد می کند، اثر ترکیبی هر مکانیسم مقاومت ضد باکتریایی طیف وسیعی را ایجاد می کند. شایان ذکر است که اندازه و شکل نانو نقره بر اثر ضد باکتریایی آن تأثیر می گذارد. مطالعات قبلی نشان داده اند که نانوذرات نقره با اندازه ۵-۵۰ نانومتر ضد باکتری هستند.

تحقیقات بیشتر نشان داد که هر چه مساحت سطح نانوذرات نقره بیشتر باشد، فعالیت ضد باکتریایی آن بیشتر است. علاوه بر این، صادقی و همکاران. گزارش دادند که صفحات نقره در مقیاس نانو بهترین فعالیت ضد میکروبی را در برابر استافیلوکوکوس اورئوس و اشریشیا کلی در مقایسه با میله‌ها و ذرات نقره در مقیاس نانو نشان دادند.

مشخص شد که فعالیت ضد باکتریایی نانوذرات نقره به مساحت سطح اشکال نانوذرات نقره با صفحات نقره در مقیاس نانو که بیشترین مساحت سطح را نشان می‌دهند، وابسته است. بنابراین، نانوذرات نقره با بیشترین مساحت، خواص ضد باکتریایی بهتری را در غلظت‌های پایین‌تر نشان می‌دهد.

خواص ضد قارچی نانوذرات نقره

 تجویز طولانی مدت و مکرر داروهای ضد قارچ استاندارد منجر به افزایش مقاومت قارچی به ویژه توسط گونه کاندیدا می شود. بنابراین، عوامل ضد قارچی جدید به طور مداوم در حال بررسی هستند. AgNP ها خواص ضد قارچی زیادی را در برابر قارچ های معمولی نشان داده اند و بنابراین پتانسیل را به عنوان یک عامل ضد قارچی موثر ارائه می دهند.

یک مطالعه اخیر نشان داد که یک غشای اسمز معکوس پوشیده شده با AgNP، که در سیستم های تصفیه آب استفاده می شود، فعالیت ضد قارچی خوبی در برابر گونه های قارچی مانند Candida tropicalis، Candida krusei، Candida glabrata و Candida albicans از خود نشان داد. علاوه بر این، Pulit و همکاران. گزارش داد که سوسپانسیون AgNP ایجاد شده از عصاره آبی تمشک به عنوان عوامل بازدارنده رشد موثر در برابر دو سویه قارچی مقاوم Cladosporium -cladosporioides و Aspergillus niger عمل می کند. علاوه بر این، غلظت بالاتر AgNPs باعث جلوگیری موثر از رشد قارچ در هر دو مورد شد.

مطالب پیشنهادی: جداسازی و کشت قارچ ها – بیان پروتئین های نوترکیب قارچ های رشته ای

خواص ضد ویروسی نانوذرات نقره

ویروس‌های مختلفی مانند آنفولانزا، هپاتیت، ویروس هرپس سیمپلکس (HSV) و ویروس نقص ایمنی انسانی (HIV) می‌توانند تهدیدکننده زندگی باشند. اگرچه واکسن‌های زیادی علیه ویروس‌های مختلف ساخته شده‌اند، اما پزشکی هنوز یک واکسن ضد ویروسی با طیف گسترده ایجاد نکرده است. علاوه بر این، این ویروس ها در حال ایجاد مقاومت ضد ویروسی به درمان های فعلی و داروهای ضد ویروسی کلاسیک، به ویژه در بیماران مبتلا به نقص ایمنی هستند. با توجه به این موضوع، نیاز مبرمی به توسعه عوامل ضد ویروسی جدید در برابر طیف وسیعی از ویروس ها وجود دارد.

AgNP ها به عنوان یک عامل در برابر انواع گونه های ویروسی عمل می کنند و مستعد ایجاد مقاومت نیستند. به عنوان مثال، مطالعات فعالیت ضد ویروسی AgNP ها را در برابر HSV-1، HSV-2، هپاتیت B و ویروس نقص ایمنی انسانی ۱ (HIV-1) نشان داده است. این یافته‌ها نشان می‌دهد که نحوه عملکرد نانوذرات نقره در مراحل اولیه تکثیر ویروسی رخ می‌دهد. علاوه بر این، شواهدی مبنی بر فعالیت ضد ویروسی AgNP در برابر HIV-1 در غلظت‌های غیر سیتوتوکسیک وجود دارد. AgNPs در مراحل اولیه تکثیر ویروس، به احتمال زیاد به عنوان یک عامل ویروس‌کشی یا به عنوان یک مهارکننده ورود ویروس، فعالیت ضد HIV را اعمال می‌کنند.

خواص ضد التهابی نانوذرات نقره

علیرغم میلیاردها دلاری که صرف تحقیقات ایمونولوژیک شده است، داروهای ضدالتهاب موثر کمی پدید آمده اند. بنابراین، نیاز فوری به داروهای جدید وجود دارد، زیرا بسیاری از بیماری های التهابی به اندازه کافی به داروهای فعلی پاسخ نمی دهند. اخیراً، شواهد فزاینده ای مبنی بر اینکه AgNP ها عوامل ضدالتهابی قابل دوام هستند، وجود دارد. در ابتدا، خواص ضد التهابی نانوذرات نقره با استفاده از پوشش‌دهی شده با AgNP، نیترات نقره ۰.۵% (AgNO3) یا پانسمان زخم نمکی برای مدل درماتیت تماسی خوک مورد بررسی قرار گرفت.

پانسمان زخم پوشش داده شده با AgNP بهتر از سایر پانسمان های زخم به عنوان اریتم، ادم، و داده های بافت شناسی نشان می دهد. خوک های تحت درمان با AgNP پس از ۷۲ ساعت پوست تقریباً نرمال داشتند، در حالی که سایر گروه های درمانی ملتهب باقی ماندند. علاوه بر این، پانسمان‌های زخم پوشیده شده با AgNP سطوح سیتوکین‌های پیش‌التهابی تبدیل‌کننده فاکتور رشد (TGF-ᵝ) و فاکتور نکروز تومور (TNF-α) را در مقایسه با سایر گروه‌های درمانی کاهش دادند. به طور مشابه، مطالعه دیگری که اثرات ضدالتهابی AgNP ها را بر روی مدل موش رینیت آلرژیک ارزیابی می کرد، کاهش علائم بینی را در موش های حساس و مهار ایمونوگلوبولین E، اینترلوکین IL- 4 و IL-10 اختصاصی اووالبومین گزارش کرد.

کاربردهای نانوذرات نقره در پزشکی

AgNP ها به طور گسترده ای به عنوان پوشش ضد باکتریایی در کاربردهای پزشکی مانند پانسمان زخم، ایمپلنت های قلبی عروقی، کاتترها، ایمپلنت های ارتوپدی و کامپوزیت های دندانی استفاده می شوند.

پانسمان زخم: پانسمان‌های زخم حاوی نقره بیش از یک دهه است که برای درمان بالینی زخم‌های مختلف مانند سوختگی، زخم‌های مزمن، نکرولیز سمی اپیدرمی و پمفیگوس استفاده می‌شوند. با کمال تعجب، در مقایسه با سولفادیازین نقره استاندارد و پانسمان گاز، پانسمان زخم AgNP به طور قابل توجهی زمان بهبود زخم را به طور متوسط ۳.۳۵ روز کاهش داد در حالی که به طور همزمان باعث افزایش پاکسازی باکتری از زخم های عفونی بدون عوارض جانبی شد.

در همین حال، پانسمان‌های زخم AgNP می‌توانند در مقایسه با کرم سولفادیازین نقره‌ای ۱% معمولی یا گاز وازلین ساده، ترمیم زخم‌های سوختگی سطحی را افزایش دهند. با این حال، پانسمان‌های زخم AgNP، در مقایسه با سولفادیازین نقره ۱ درصد، تفاوتی در بهبود زخم‌های سوختگی عمیق ایجاد نمی‌کنند، که نشان می‌دهد نانوذرات نقره، اپیتلیال شدن مجدد را تسریع می‌کنند، اما تشکیل بافت جدید، مانند رگ‌زایی و تکثیر را تسریع نمی‌کنند.

ایمپلنت های قلبی عروقی

 به منظور کاهش وقوع اندوکاردیت، یک دریچه قلب مصنوعی سیلیکونی اولین وسیله قلبی عروقی پوشیده شده با عنصر نقره بود. استفاده از نقره برای جلوگیری از عفونت باکتریایی روی دریچه سیلیکونی و در نتیجه کاهش پاسخ التهابی قلب در نظر گرفته شده است.

با این حال، آزمایش‌های بالینی با آزمایش دریچه قلب حاوی نقره نشان داد که نقره باعث حساسیت مفرط، مهار عملکرد طبیعی فیبروبلاست و منجر به نشت پارا دریچه‌ای در بیماران می‌شود. بنابراین، تلاش‌ها به سمت ترکیب AgNPs در دستگاه‌های پزشکی به‌عنوان پتانسیلی برای ارائه یک پوشش ضد باکتری ایمن و غیرسمی تبدیل شد. توسعه یک نانوکامپوزیت جدید با AgNP و کربن الماس مانند به عنوان پوشش سطحی دریچه‌های قلب و استنت‌ها، خواص ضد ترومبوژنیک و ضد باکتریایی را نشان داد.

کاتترها

کاتترهای مورد استفاده در بیمارستان تمایل زیادی به عفونت دارند که می تواند منجر به عوارض ناخواسته شود. بنابراین، نانوذرات نقره به عنوان روشی برای کاهش رشد بیوفیلم روی کاتترها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. اخیراً کاتترهای پلی اورتان با پوششی از AgNP اصلاح شده اند تا کاتترهای ضد باکتری موثری ایجاد کنند. مطالعات متعدد گزارش کرده اند که کاتترهای پوشش داده شده با AgNP می توانند به طور موثر باکتری ها را تا ۷۲ ساعت در مدل های حیوانی کاهش دهند.

علاوه بر این، یک مطالعه ۱۰ روزه بر روی موش ها تایید کرد که کاتتر پوشش داده شده با AgNP غیرسمی است. به طور مشابه، یک مطالعه آزمایشی بالینی که به بررسی پیشگیری از بطن‌کولیت مرتبط با کاتتر (CAV) می‌پردازد، هیچ بروز CAV را نشان نداد و تمام کشت‌های مایع مغزی نخاعی در ۱۹ بیمار دریافت‌کننده کاتتر با پوشش AgNP منفی بود. در مقابل، در گروه کنترل ۲۰ نفری، ۵ بیمار CAV مثبت بودند.

دندانپزشکی

AgNP ها همچنین برای ابزار و باندهای دندانپزشکی استفاده شده اند. اخوان و همکاران نشان داد که افزودن نانوذرات نقره به چسب‌های ارتودنسی می‌تواند استحکام باند برشی یک چسب ارتودنسی را افزایش یا حفظ کند و در عین حال مقاومت آن را در برابر باکتری‌ها افزایش دهد. مطالعه اخیر توسط Chladek و همکاران. دریافتند که ترکیب AgNPs در کامپوزیت های دندانی می تواند کلونیزاسیون میکروبی مواد پوشش را کاهش دهد و کارایی ضد قارچی را افزایش دهد. به طور مشابه، AgNP های گنجانیده شده در پرکردگی اندودنتیک اثر ضد باکتریایی بیشتری را علیه استرپتوکوکوس میلری، استافیلوکوکوس اورئوس و E. فکالیس نشان دادند.

ایمپلنت ارتوپدی

عفونت‌های باکتریایی مرتبط با ایمپلنت و جایگزینی مفصل بین ۱.۰ تا ۴.۰ درصد بوده که یکی از جدی‌ترین عوارض در جراحی ارتوپدی است، زیرا درمان آنها بسیار دشوار است و منجر به افزایش عوارض و عواقب بدتر می‌شود. بنابراین، AgNP ها در سیمان استخوانی ساده پلی (متیل متاکریلات) گنجانده شده اند، که برای اتصال ایمن پروتزهای مفصلی، جراحی تعویض مفصل ران و زانو، به عنوان راهی برای کاهش مقاومت باکتریایی استفاده می شود. همه مطالعات افزایش قابل توجهی فعالیت ضد باکتریایی را بدون سمیت قابل توجه گزارش کردند. علاوه بر این، نتایج نشان داد که پوشش AgNP/PLGA یک فرآیند عملی غیرسمی، کارکرد آسان و عاری از تجمع AgNP است، که نشان می‌دهد ایمپلنت‌های با پوشش AgNP/PLGA پتانسیل بالینی بسیار خوبی برای استفاده در ارتوپدی و ارتودنسی دارند.

مطالب مرتبط: کاربرد نانوذرات طلا در درمان بیماری ها – آنالیز نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی SEM
خدمات مرتبط: خدمات علمی پژوهشی در حوزه علم بیوتکنولوژی – تولید نانو ذرات و نانوساختارها با رویکرد پژوهشی و درمانی