金属离子银、锌及铜由于具有广谱抗菌性、耐热性好、分散性好及抗药性小等优异性能而应用于各种生物材料和医疗器械中。但是,金属离子型抗菌生物材料的有效性和对细胞或组织的伤害性问题一直是研究者们持续争议的焦点,目前还没有统一的定论。本文利用平板菌落计数法研究了银、锌及铜离子对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌最低抑菌浓度(MIC)和最低杀菌浓度(MBC),同时利用细胞增殖实验、细胞形貌观察和半抑制浓度IC50计算研究银、锌及铜离子浓度对小鼠成纤维细胞L929细胞毒性的影响。通过金属离子浓度与杀菌率和细胞毒性的关系得出,当银离子浓度范围为2.5×10-7 M~10-6 M;锌离子浓度范围为10-5 M~10-4 M及铜离子浓度范围为10-5 M~10-4 M时,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有最佳杀菌浓度。最佳浓度指的是在该浓度范围内的金属离子对细菌有高于90%的杀菌率,对L929细胞有高于80%的增殖率。最佳的金属离子浓度的结果为抗菌材料的设计提供理论依据。虽然银、锌及铜离子作为杀菌剂广泛应用于构建抗菌生物材料,但是其杀菌机理目前还只是处于推论阶段,仍然是科研工作者极力想要解决的问题。本文采用透射电子显微镜(TEM)观察细菌的超微结构,利用活性氧试剂盒(ROS)检测经过金属离子处理的细菌产生活性氧的含量,最后利用琼脂糖凝胶电泳检测提取的细菌基因组DNA的完整性。结果表明,金属离子可能存在两种杀菌机理为:1)金属离子带正电,到达细菌细胞膜时,因细胞膜带有负电荷,金属离子能依靠库伦引力牢固吸附细胞膜,并进一步穿透细胞壁,导致细胞壁的破裂,引起细胞质的外流,阻碍细菌的繁殖,最终导致细菌的死亡。2)金属离子能作为催化活性中心激发水或者空气中的氧产生羟基自由基(-OH)及活性氧离子(O2-),从而产生氧化应激反应,破坏细菌的繁殖能力,致使细菌的死亡。另外,本实验发现金属离子处理的细菌其全基因组DNA条带没有发生降解,说明金属离子杀菌过程中保留了其基因的完整性。单独金属离子均具有良好的杀菌性能,但是银离子价格昂贵,且银离子的抗菌效果受光和热的影响,长期使用易被还原而降低抗菌效果。所以,研究将锌离子或者铜离子部分取代银离子来制备含两种或三种金属离子的新型抗菌生物材料是非常有意义的,不仅降低成本还改善材料的性能。本文利用平板菌落计数法和细菌死活染色两种方法研究金属离子的协同杀菌效果,利用CCK8毒性实验研究金属离子的协同细胞毒性。实验结果说明:(1)金属离子银、锌及铜具有协同杀菌规律,杀菌率从大到小依次为:三种金属离子杀菌率≥两种金属离子杀菌率≥单独金属离子杀菌率。(2)当单独金属离子无细胞毒性时,其协同离子也无细胞毒性。本文的实验结果为研究者设计抗菌生物材料提供了理论依据,例如本课题组利用本文的金属离子浓度与杀菌率和细胞毒性的关系,设计了在金属钽表面镀铜和在金属钛表面接枝铜离子等抗菌生物材料,均具备良好抗菌性能且无细胞毒性。