载药释放系统治疗骨髓炎合并骨缺损研究进展

刘琛 综述 阳青松 苏佳灿 审校

骨髓炎是常见的感染性疾病，通常由需氧或厌氧菌、分枝杆菌、真菌的感染引起，好发于椎骨、糖尿病患者的足部及外伤或手术引起的穿透性骨损伤部位。由于骨髓炎对骨质的大量破坏，常会并发骨缺损。传统的治疗方法包括手术清除坏死部分、死骨的移除、抗生素抗感染三个部分。抗生素治疗阶段，通常采用静脉注射和口服联合用药，但骨的特殊结构常导致局部药物有效浓度难以控制。临床需要使用大剂量抗生素以维持有效浓度。为了防止骨髓炎复发还需要持续口服抗生素，从而导致其他脏器的功能紊乱。载药系统的出现使得骨髓炎合并骨缺损的治疗获得很大的进展。现就载药系统在治疗骨髓炎合并骨缺损上的研究进展进行综述。

1 骨髓炎合并骨缺损

1.1 发病因素及分类

骨髓炎临床上通常分为五种类型，包括硬化性骨髓炎、急性血源性骨髓炎、慢性化脓性骨髓炎、外伤性化脓性骨髓炎和医源性骨髓炎。根据发病因素通常分为以下三类：全身其他部位感染经血引起的血源性骨髓炎，外伤导致细菌等致病物质直接进入骨髓腔引起的外伤性骨髓炎，邻近组织感染直接蔓延引起的骨髓炎。其中，血源性感染以金黄色葡萄球菌感染为最常见，常见于儿童，发病部位以胫骨上段和股骨下段最多见，其次为肱骨和髂骨，脊柱与其他四肢骨骼都可以发病。外伤性感染通常包括刀伤、枪弹伤、开放性或闭合性骨折，以及关节手术时无菌操作不严格和术后感染，其特点主要是感染局限于骨折处，附近组织亦同时处于急性化脓性炎症状态，其感染过程大多呈慢性状态。

1.2 治疗现状

血源性感染中对于急性和慢性两种状态予以不同的治疗方案。急性血源性感染常同时施以抗生素治疗和手术治疗。抗生素治疗应该在早期予以足量抗生素以控制全身感染和局部感染，据疗效判定是否需要进行手术治疗。

慢性血源性感染以手术治疗为主，原则是清除死骨、变性肉芽组织，并消灭死腔。术后需要解决3个问题：①清除病灶，即进入病灶吸出脓液，清除死骨，以便在术后可以闭合窦道；②消灭死腔，通常包括碟形手术、肌瓣填塞、闭式灌洗、庆大霉素骨水泥珠链填塞和二期植骨等；③闭合伤口，一期缝合并留置负压引流管。

创伤性骨髓炎以及邻近组织播散的骨髓炎，通常采取手术治疗的方法。首先进行清创和扩创，进而在骨髓腔内植入固定针，对原发病灶进行处理，再进行抗感染治疗，包括抗生素预防治疗和抗生素抗菌治疗，此阶段需要大量抗生素应用，以保证组织的药物浓度达到最低的抑菌浓度。

传统的治疗方法疗程长，而且需要反复手术，抗生素的大量使用也导致机体产生耐药性，而且由于抗生素的局部有效浓度比较低，需要提高全身用量，导致机体其他组织器官的功能障碍。载药系统的出现对骨髓炎合并骨缺损的治疗产生了巨大影响，临床应用也日趋广泛，但在材料的选择上存在较大差异。

2 载药系统

2.1 载药系统的分类及特点

载药系统可以分为生物不可降解性材料和生物可降解性材料两大类。不可降解的材料主要是聚甲基甲丙烯酸盐（Polymethylmethacrylate，PMMA），PMMA 已经广泛应用于局部抗生素释放和死腔的治疗。负载于PMMA的抗生素最常见的有氨基糖苷类、庆大霉素、托普霉素等。可降解的生物性材料主要包括：胶原海绵、乳酸聚合物、基于磷酸氢钙的生物陶瓷和混合型材料等。可降解的生物性材料应用于临床时间较短，其作用效果还有待于长期观察。

PMMA应用于临床治疗已经20多年，疗效比传统方法提高很多，但存在以下缺点：①生物相容性不高，与组织的融合度很差，需要二次手术将其从体内移除；②药物释放浓度不够，局部的有效浓度较低；③有部分的耐药菌可以附着在材料表面，导致细菌的大量繁殖，导致病情反复[1]。

可降解的生物性材料克服了上述问题，具有良好的生物相容性，可体内降解而不需要手术去除，随着材料的降解可以诱导骨的成长，对骨髓炎合并骨缺损的修复具有积极的作用。同时由于其理化特性，可以将其直接注入骨髓腔内在骨髓腔内进行凝固反应，并可在局部产生很高的药物浓度，达到抗感染的作用。另外，自固化磷酸氢钙（CPC）作为载药系统，除了可以应用于抗生素载药外，还可以运用在抗肿瘤药物、镇痛药物以及一系列生长因子药物的搭载上[2]。

2.2 载药系统的药物释放动力学特点

载药系统的药物释放是由材料的微结构、药物的可溶性、药物与其搭载系统的亲和力以及材料的降解特性决定的。以CPC为例，药物可以通过固相和粉相载入CPC，其药物释放动力学遵循Higuchi's法则Mt=Amo[DCs(2Co-Cs)t]1/2（Mt为t时间内药物释放量，Mo为药物总量，A为载体骨表面积，D为基质药物弥散系数，Cs为基质药物溶解度，Co为基质药物初始浓度），显示了药物的释放与材料的孔隙率成正比，材料的微结构在药物的释放中具有重要的作用[1]。

2.3 载药系统的制备

2.3.1 基本纳米仿生骨材料特点

各类生物材料的制备方法多种多样，都是基于材料的理化性质，以及药物与材料结合后的药物释放动力学特点。基本纳米仿生骨（n-HA）组织的制备，通常是将CaPO3溶解、凝胶化、固化低温热处理后得到n-H A粒子，再加入Si3N4与β-SiC成形烧结而成。用n-HA晶粒制作骨替代材料较方便，且易于塑形，便于在纳米仿生骨中加入其他药物或因子。但由于n-HA缺乏胶原，成形后不能形成松质骨样的孔隙，因此在组织相容性与吸收率上仍存在不足。

n-HAC的制备方法包括：pH控制的自组装双亲缩氨酸分子重现细胞外基质纳米机构纤维支架法、交替沉淀法、滴定共沉淀法和仿体内骨胶原矿化法等。这些方法制备的n-HAC在组分和超微结构上均与自然骨类似，胶原的存在使成骨细胞增殖、活化，纤维基质迅速转变成骨传导的基质。植入物降解和骨替代过程与骨重建过程相似。因此，n－HAC具有较好的降解性、吸收率和组织相容性。但当n-HAC的仿生性增强时，其载药和塑形就变得相对困难。

n-HA/PA66是将n-HA晶粒与PA66混合制成，可看作是单纯使用n-HA晶粒的改良型材料。实验证实，PA66有良好的组织相容性，在体内的降解速率适中，对人体无毒副作用。加入了PA66的n-HA可以提高替代材料的韧性，克服了n-HA材料质脆、降解慢的缺点。

2.3.2 纳米仿生骨的添加成分

近年来的研究报道中，纳米仿生骨添加的生物活性成分主要包括以下几种：①增加材料骨诱导与促进骨生成作用的成分，包括成骨细胞、BMSCs及能产生BMP质粒的真核载体等。②改善纳米仿生骨性质的无机、有机成分。无机成分包括增加材料组织相容性与硬度的碳纳米管，使其成为具有可塑性的磷酸钙粉，增加硬度的Si3N4与β-SiC，促进代谢、造血与骨骼恢复的无机金属成分；有机成分包括增加材料韧性的纤维材料与PA66等。③治疗骨髓炎并预防感染的成分，包括常用的抗生素，如庆大霉素，防止厌氧菌感染的克林霉素，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）有效的万古霉素等。④对骨释药系统增效与缓解的成分。Takahashi-Nishiok等[3]发现酸性氨基酸，如门冬氨酸(L-asparticacid，L-Asp)或谷氨酸与HA联结更紧密，于是用雌二醇、左氧氟沙星与L-Asp结合成六肽化合物，实验证明该物质降解良好，且可最大程度发挥左氧氟沙星的作用，可作为一种良好的人工骨添加材料。

2.3.3 纳米仿生骨的形状特点与应用

纳米仿生骨的孔径大小与孔隙率是影响正常骨组织长入与材料降解吸收的重要方面。多孔结构可提供较大的表面积和空间，不但能促进细胞的黏附生长，还有利于细胞外基质的沉积、营养和氧气的进入、代谢产物的排出，及血管、神经生长。Baroth等[4]先用烧结法在材料中制备微米级小孔，再用球磨法将材料磨成粒径为O.5～1.0 mm的颗粒，最后以一种亲水性黏结剂黏结制成具有2种孔径 （小孔 80～100 μm、大孔0.5～1.0 mm）的材料，小孔有利于提高组织相容性及材料吸收率，大孔则有利于周围骨组织的长入。近来研究较多的是一种管型纳米材料，由许多纳米级微管整齐排列而成，组织相容性好，同时也是一种可长期释药的良好载体，甚至通过控制微管两端的电位还可使药物定时定量释放。

3 载药系统在抗生素、解热镇痛药、生长因子中的应用特点

3.1 抗生素载药系统

3.1.1 抗生素载药系统的药物释放动力学及材料理化性质

抗生素用于治疗骨骼感染已经有了很广泛的研究，给药途径包括预防给药、经口给药、经静脉给药等。但是，这些给药途径难以在局部产生有效浓度，无法有效控制感染。在传统的治疗方法中还包括植入含有庆大霉素硫酸盐的PMMA，然而，后期还需进行二次手术移除。也有将抗生素搭载在磷酸氢钙陶瓷上，但是由于陶瓷的形态固定，很难植入复杂的骨骼缺损中。另外可行的材料还有1/2水合硫酸钙，可以形成骨水泥，但存在的最主要问题就是其机械强度太低。搭载有抗生素的CPC可以很大程度上克服这些缺点。

研究表明，抗生素和CPC的化学反应可以对其理化性质进行修饰，如加入四环素后可导致磷灰石黏固粉机械强度的下降。而CPC与钙离子络合后其机械性质大大提高，所以CPC允许更大剂量的药物搭载，同时又不影响骨水泥（系统）的凝固时间，以及水泥的机械性质。药物释放动力学研究发现，抗生素的释放速度太快。因此，Takechi等[5]加入了藻酸钠和壳聚糖，从而使得抗生素的释放速率得到很大程度的降低。Bohner等[6]向磷酸氢钙水泥中加入了聚丙烯酸（PAA），观察到庆大霉素释放时间得到了延长，尤其是当加入了高分子量的PAA时。根据加入的PAA的量，庆大霉素释放的总量在58%～100%不等。当加入高分子量的PAA时候，持续释放8 d后，可以观察到药物100%释放。

体内试验中，针对万古霉素在体内的释放过程，CPC分别搭载1%、2%、5%的万古霉素。3周后，观察到搭载有5%万古霉素的CPC在骨髓腔内形成了比临床所需最低有效浓度高20倍的药物浓度。另外，Stallmann等[7]比较了搭载庆大霉素和HLF1-11的CPC的抗菌效果，结果表明两者对于金黄色葡萄球菌引起的骨髓炎都有抑菌作用，能有效控制病情，但庆大霉素的效果更优。

Tamazawa等[8]发现，加替沙星（GFLX）载入 PLGA和 β-三磷酸钙在治疗骨髓炎中具有很好的效果，通过对兔子骨髓炎模型的研究，提示该材料可产生较其他材料更高的局部抗生素浓度。另外，其骨诱导性也较其他材料更加显著，能有效支持和诱导血管的生长。

3.1.2 抗生素载药系统的外科操作

由于商品化载药系统通常没有经过预处理，因而常需在置放前进行预处理。通常是在每40 g的人工骨粉剂中加入一定量的抗生素，Hanssen等[9]建议每40 g粉剂中加入3.6 g的抗生素。他们认为这是在关节造形术中形成静态隔离区的有效浓度，但是存在导致结构错位的问题。Gogia等[10]建议在不同的手术中，采用不同的预处理，在每40 g人工骨粉剂中至少加入2 g抗生素的前提下进行用量的改变。比如，在治疗关节的感染或者骨不连的患者时，每40 g的骨水泥需要加入4~8 g抗生素。

3.2 解热镇痛载药系统

Ginebra等[11]研究了加入由甲基丙烯酰胺衍生的氨基酸水杨酸对于磷石灰粘固粉的影响，发现材料的凝固性下降，机械强度增加，其抗压度增加了25%而可形变度增加了80%。

有研究对搭载有乙酰水杨酸的TTCP/DCP/HA骨水泥进行了体内实验，发现伴随着材料孔隙率的增大，药物释放的速率得到了很大提高，而且证实药物释放由药物经孔隙弥散控制 （遵循修饰过的Fick法则，即Fick第二扩散定律，Fick第二定律通常被用来描述氯离子在混凝土中的扩散性质）。

3.3 生长因子载药系统

生长因子是一大类大分子蛋白，通过信号转导调节细胞增殖、分裂和凋亡等生物学行为。其中，有一类超家族TGF-β（包括有1、2、3三个亚型）以及隶属其他蛋白的骨成形蛋白（BMP）与骨的再生相关。这些生长因子通过复杂的信号转导介导级联放大反应，诱导下游信号分子变化，产生生物学反应，包括激活成骨细胞、诱导成骨。除此之外，研究表明，BMP具有骨诱导性，并能促进多能干细胞分化为骨成形细胞介导成骨反应[12]。

Inoda等[13]对45只Wistar大鼠的骨缺损模型进行对照实验，实验将45只大鼠分为自体骨移植组、rh-BMP2生物材料移植组（TEB）和异体骨移植组（FAB）。分别在第3周、第6周、第9周后观察三组的组织学特点，发现TEB组在3周后出现了有效的新生骨组织，而自体骨移植组和FAB组分别在第3和第9周出现。由此可见，rh-BMP2在诱导骨缺损修复中具有着重要意义。

最近，Blom 等[14－15]研究了搭载有 rhTGF-β1 的 CPC （基于α-TCP、TTCP、DCPD）对于体外骨形成的影响。结果表明，加入rhTGF-β1后刺激了成骨细胞前体细胞的分化。关于rhTGF-β1对于CPC的机械强度以及理化性质的影响的研究表明，搭载有TGF的CPC与其他常规的骨水泥没有明显不同[16]。在与抗生素载药系统的对比中发现，生长因子载药系统的药物释放（在28 d后释放了3.1%）比抗生素载药系统（在28 d后释放了18%）缓慢很多。

Fan等[17]通过对 CPC的改进，合成了 CMCP（Calciummagnesium phosphate cement），发现CMCP在生物亲和性以及降解速率上较CPC有了明显提高，克服了以往CPC较低的机械强度、较慢的生物降解速率等问题[17-18]。首先，由于CPC凝固速率较慢常导致CPC尚未凝固就被体液洗脱，引入MPC的CMCP提高了凝固速率 （将平均凝固时间由15 min减少到了6 min）。另外，在生物降解速率方面，通过观察材料浸润在 SBF（Simulated body fluid）中 30 d后，材料的形态学特点显示MPC、CMPC、CPC三者中MPC的降解率最高，CMPC次之，CPC最低[17]。在促进骨再生方面，CMPC具有比CPC更明显的成骨促进作用。

Bodde等[19]通过对CPC的临床应用研究发现，CPC具有很高的生物相容性，而Wu等[20-21]也在前期研究中发现MCP具有很高的生物相容性。而Wu等[17]的研究显示，CMPC在生物相容性上具有比上述两者更多的优点。

4 展望

骨髓炎合并骨缺损是临床上的常见病，治疗较为复杂困难。处理不当会造成患者病情恶化甚至截肢。目前的治疗方法有很多，但治疗效果均不理想，常造成病情反复，导致骨不连等。载药系统的研究对于骨髓炎合并骨缺损具有很重要的意义，首先在于其独特的生物学特性、理化性质；另外，随着近年来对于骨生长因子超家族TGF、BMP等的深入研究，在骨缺损的治疗中，将生长因子搭载在载药系统上成为新的治疗方案。鉴于现在生物材料学研究的大力发展、骨生长因子机制的进一步探索，以及药物释放动力学体内研究的丰富与深入，必定为载药系统对骨髓炎合并骨缺损的治疗提供更多、更有力的理论依据和可行的指导方法。

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