本文属于类型a，是一篇原创研究报告。以下是对该研究的详细学术报告。
一、作者、机构与发表信息
本研究的主要负责人及通讯作者为Luis M. Quirós，来自西班牙奥维耶多大学（Universidad de Oviedo）的功能生物学系（Departamento de Biología Funcional），同时隶属于费尔南德斯-维加大学研究所（Instituto Universitario Fernández-Vega）及阿斯图里亚斯公国卫生研究所（Instituto de Investigación Sanitaria del Principado de Asturias）。其他主要作者包括Sara González-Fernández、Víctor Lozano-Iturbe、Beatriz García、Luis J. Andrés、Mª. Fe Menéndez、David Rodríguez、Fernando Vazquez及Carla Martín，分别来自奥维耶多大学、ITMA材料技术公司及阿斯图里亚斯中央大学医院等机构。该研究于2020年发表在期刊《BMC Microbiology》上，论文标题为“Antibacterial effect of silver nanorings”，文章编号为20:172，DOI为10.1186/s12866-020-01854-z。
二、研究背景与目的
本研究所属的学科领域为微生物学与纳米医学的交叉方向，具体聚焦于银纳米颗粒（silver nanoparticles，AgNPs）作为抗感染制剂的抗菌效应及其机制研究。随着抗生素耐药性在全球范围内的不断出现和扩散，开发替代性抗感染药物已成为临床和公共卫生领域的迫切需求。银纳米颗粒因其独特的物理化学性质和对多种微生物的广谱抗菌活性而重新受到关注。已有研究表明，AgNPs的抗菌能力受浓度、尺寸、形状及目标微生物种类等多种因素影响，但形状对抗菌活性影响的具体物理化学基础尚不完全清楚。在该背景下，本研究首次系统分析了一种新型银纳米结构——银纳米环（silver nanorings，AgNRs）的抗菌活性，并将其与通过相同合成方法平行制备的银纳米球（silver nanospheres，AgNSs）和银纳米线（silver nanowires，AgNWs）进行比较。研究的目的是探讨不同形状AgNPs在浮游态细菌和生物被膜（biofilms）中的抗菌效应差异，并初步分析其可能的作用机制。
三、研究流程与方法
本研究共包括多个实验程序，每个程序针对不同的研究对象和科学问题。
首先，作者通过改良的多元醇介导法合成AgNSs、AgNWs和AgNRs。该方法以硝酸银（AgNO3）为前驱体，在乙二醇（ethylene glycol）和聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）存在下，通过控制加入CuCl2和反应温度（170°C）得到不同形态的银纳米结构。合成后的产物利用离心和沉降分离纯化，并通过场发射扫描电子显微镜（FEG-SEM）、紫外-可见分光光度法和热重分析等方法进行表征。所得AgNSs直径为40–60 nm，AgNRs线径80 nm、环径12–18 μm，AgNWs直径200 nm、长度50–100 μm。不同批次间通过表征确保一致性。纳米结构的浓度通过重量法测定。
其次，研究者测试了AgNPs对不同浮游态细菌的细胞活性影响。所用细菌包括革兰氏阳性菌（Staphylococcus aureus、Staphylococcus epidermidis、Bacillus globisporus、Streptococcus pneumoniae、Enterococcus faecalis、Streptococcus pyogenes）和革兰氏阴性菌（Escherichia coli、Haemophilus influenzae、Klebsiella pneumoniae、Salmonella typhimurium、Serratia marcescens、Pseudomonas aeruginosa、Neisseria gonorrhoeae），均为临床分离株。此外还使用了两个抗银的Salmonella enterica血清型菌株（LSP 389/97和LSP 207/07）。细菌在脑心浸液（brain heart infusion，BHI）培养基中37°C培养，特定菌种在5% CO2条件下培养。在细胞活性实验中，细菌培养至A600为0.5，与不同AgNPs以1:1的细菌:纳米颗粒比例在室温下孵育5至30分钟，然后通过低速离心去除纳米结构，将上清液适当稀释后涂布于BHI固体培养基上，37°C过夜培养后计数菌落数以评估存活率。初步实验以E. coli为参考确定合适的细菌:AgNPs比例，最终选择1:1比例进行后续比较。
第三，研究了AgNPs对浮游态细菌生长曲线的影响。细菌初始A600为0.02，与不同AgNPs按细菌:纳米结构比例1:1、1:2和1:3混合，分别在1、2、3和4小时后测定吸光度，以评估不同形态AgNPs对各菌种生长的抑制能力。
第四，研究了AgNPs对细菌生物被膜的作用。将细菌培养液（A600为0.01）加入96孔板中孵育24小时以形成生物被膜，然后加入不同形态AgNPs，细菌:AgNP比例分别为1:1、1:10和1:100，继续37°C孵育24小时。之后用含0.25% Triton X-100的PBS处理生物被膜1分钟以分散细菌，将不同稀释度的提取液涂布于BHI固体培养基上，过夜培养后计数菌落数以评价AgNPs对生物被膜内细菌活性的影响。
第五，分析了AgNPs调理后的培养基的抗菌活性及其机制。将不同浓度的AgNPs与BHI或去离子水接触不同时间（5分钟至120分钟），离心去除纳米结构后得到条件培养基。然后将E. coli以A600为0.5接种于条件培养基中孵育30分钟，稀释涂布计数活菌数。为判断效应是否由银离子（Ag+）释放所致，作者通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定了条件培养基中游离银离子的浓度，并与不同浓度AgNO3对E. coli存活率的影响进行对比。此外，还分析了条件培养基抗菌活性随存放时间（0、2、4和24小时）的变化情况，以探讨毒性化学物种的可能生成与衰减。
四、主要研究结果
在浮游态细菌的活性实验中，AgNSs在革兰氏阳性菌中普遍表现出最高杀菌活性，且其效应在5分钟接触后即达到平台，随孵育时间延长没有显著进一步变化。相比之下，AgNWs和AgNRs在多种革兰氏阳性菌（如S. epidermidis和B. globisporus）中的杀菌效应呈现出时间依赖性，存活率随孵育时间延长而显著下降，AgNWs的相关系数r = −0.82，AgNRs的r = −0.59。在革兰氏阴性菌中，AgNSs的效应也普遍较强，但在E. coli中三种形态AgNPs的毒性相似且不随时间变化；在N. gonorrhoeae中AgNRs产生的毒性最强。统计比较显示，在革兰氏阳性菌中AgNSs的杀菌活性显著高于AgNWs和AgNRs（p < 0.01）；而在革兰氏阴性菌中，尽管AgNSs的效应略高，但由于不同菌种间差异较大，未检测到统计学显著差异。在革兰氏阳性与阴性菌之间，同一种纳米结构并未显示出显著差异。
在生长曲线实验中，AgNSs在多数菌种中未表现很强的生长抑制能力；AgNWs在几乎所有测试菌种中均有明显抑制效果；而AgNRs则在所有测试菌种中长期强烈抑制细菌生长，即使在最低浓度（1:1比例）下也几乎实现完全抑制。这一结果表明，AgNRs在长时间尺度上对细菌生长的抑制能力优于其他两种形态。
在抗银沙门氏菌菌株实验中，两种菌株表现出明显不同的抗性模式。S. enterica 207/07对AgNSs表现出高度抗性，而对AgNWs和AgNRs较为敏感；S. enterica 389/97则对AgNSs敏感，反而对AgNWs和AgNRs具有抗性。此外，抗性随暴露时间延长而增加。这一结果表明，不同形态AgNPs可能通过不同的机制发挥作用，且抗性机制因菌株而异。
在生物被膜实验中，AgNPs均能产生杀菌效果，但其模式与浮游态细菌不同。总体上，AgNRs在大多数细菌生物被膜中表现出最强效应，包括S. aureus、S. epidermidis、B. globisporus、E. faecalis、S. pyogenes、H. influenzae、S. marcescens、P. aeruginosa和N. gonorrhoeae，而AgNWs在S. pneumoniae、E. coli和K. pneumoniae中可产生相似效果。对所有菌种的汇总数据分析显示，在细菌:AgNP比例为1:1时，三种形态间无显著差异；但在1:10和1:100比例时，AgNRs的杀菌活性显著高于AgNWs和AgNSs（p < 0.05至p < 0.001）。此外，AgNRs的抗菌效应随浓度增加在所有比较中均显著增强，其浓度-效应相关系数r = 0.7，高于AgNWs（r = 0.56）和AgNSs（r = 0.28）。
在条件培养基实验中，BHI经AgNPs接触调理后获得了浓度依赖性的抗菌活性。然而，ICP-AES检测显示所有条件培养基和条件水样品中银离子浓度均低于5 ppb，远低于使E. coli存活率降低50%所需的AgNO3浓度（约1 μM），因此排除了Ag+释放在短期调理中起主要作用的可能性。条件培养基的抗菌活性随接触时间延长而增强，并随时间自然衰减，24小时后基本消失。此外，在相同浓度下，细菌与AgNPs直接接触造成的活性丧失显著大于调理培养基的作用，提示AgNPs的抗菌机制是混合型的，既涉及与细菌的直接接触，也涉及调理培养基中形成的毒性化学物种。
五、结论与意义
该研究首次系统证实了AgNRs作为一种新型银纳米结构具有显著的抗菌活性，其效应依赖于纳米颗粒的形状。在浮游态细菌中，AgNRs的短期杀菌作用弱于AgNSs，但在长期生长抑制方面效率更高。在生物被膜中，AgNRs的浓度依赖性杀菌效果优于AgNSs和AgNWs。抗银沙门氏菌菌株的不同响应模式表明，不同形态AgNPs可能通过不同机制发挥作用。条件培养基实验表明，AgNPs的抗菌效应至少部分通过形成毒性化学物种调理环境而实现，而非单纯依赖银离子释放。该研究表明AgNRs在对抗浮游态细菌和生物被膜相关感染方面具有潜在应用价值，为开发新型抗感染纳米材料提供了重要的实验依据。
六、研究亮点
本研究的亮点在于：首次系统评估了AgNRs的抗菌活性，并将其与AgNSs和AgNWs在相同合成方法下进行平行比较；实验对象包括多种革兰氏阳性和阴性病原菌，且涵盖了浮游态和生物被膜两种生理状态；通过抗银沙门氏菌菌株揭示了不同形态AgNPs可能具有不同作用机制；通过条件培养基实验和银离子检测，排除了银离子释放在短期抗菌效应中的主要作用，并提出毒性化学物种形成的可能性，为理解AgNPs的抗菌机制提供了新视角。
七、其他有价值内容
论文还指出，AgNWs的表面积是AgNRs的4倍，体积是10倍，但两者在浮游态细菌中的短期杀菌效应相似，这进一步提示单纯以表面积或体积差异无法充分解释形状对抗菌活性的影响。此外，尽管AgNSs在短期实验中杀菌效果更强，但其在生物被膜中的效应最弱，提示不同形态AgNPs可能针对不同细菌生理状态具有不同的作用特点。这些结果为后续研究不同形状AgNPs与细菌相互作用的具体分子机制指明了方向。