医用钛合金生物活性和抗菌性能研究进展

许益堃 王凯 王怀璋 林成 冉旗 李兰兰

摘要：钛合金具有与人体硬组织基本匹配的弹性模量、抗腐蚀性能好、抗疲劳性能高、对人体无毒性的优点，已引起基础和临床研究的极大兴趣。但目前临床应用纯钛金属仍存在骨再生能力差、抗菌力弱的缺点。本文就近年来医用钛合金表面改性后的生物活性和抗菌能力的双重特性及其应用进行了综述。

关键词：钛合金;表面改性;生物活性;抗菌

中图分类号：G640     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）46-0054-02

生物医用材料，又称生物材料，是一类具有特殊性能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断和治疗疾患、增进或恢复人体组织功能，而不会对人体产生不良影响的材料。随着社会人口老龄化的增加、意外伤害剧增，目前每年发生创伤的人数在全世界约数千万，在中国大陆约300万，其中相当一部分骨创伤者需要进行不同程度的早期救治或晚期修复，骨组织修复材料的市场需求非常巨大。根据国家科技部资料统计，近十多年来，我国生物材料和制品一直保持较高增长率，但是我国生物材料和制品所占世界的市场份额较少，具有巨大的发展空间。

目前应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金和铁合金三大类，其中钛和钛合金由于具有与人体硬组织基本匹配的弹性模量、抗腐蚀性能好、抗疲劳性能高，对人体无毒性的优点，从而受到了广泛的关注[1]。现今，已有钛合金人工关节、牙种植体、血管内支架和心脏瓣膜等医疗器械产品问世，对医学的发展具有重要的意义。尽管纯钛金属具有上述优点，但在临床应用中仍存在以下缺点[2]：（1）医用钛及其合金植入材料本身不具备生物活性，骨再生能力差，与周围组织结合性不佳;（2）钛合金材料表面无抗菌性能，存在术后感染的风险高的问题，而且相关感染一旦发生，常规的抗生素通常难以治愈。

基于以上问题，在保留钛金属原有优良性能的基础上，必须对钛及其合金表面进行表面改性，从而改善植入体的功效和使用寿命。在20世纪60年代初瑞典哥德堡大学的Branemark教授[3]提出了骨整合的概念：“植入体和天然骨之间结构和功能的直接结合。”在一个成功的、长期的植入手术治疗中，骨整合是必须的，该理论也已经成为现代种植学的理论基础。同时，在植入体表面对周围组织的感染过程中，细菌在生物材料界面的最初贴壁是关键的一步，因此对钛及其钛合金生物材料进行改性使其自身带有灭菌消炎功能，防止植入体表面最初的细菌附着是一重要策略。Gristina教授[4]将细菌附着和组织融合之间的竞争形象地比喻成“race for the surface”。因此，如何同时达到防止细菌附着和兼顾植入体的与组织结合的骨整合的目的成为研究的焦点。

由于造骨细胞和细菌在尺寸上有巨大的差异，许多研究聚焦于通过机械和物理的方法改变钛合金种植体表面的超微结构[5]，但是对于什么尺寸的微结构有利于骨整合和防止细菌附着还没有定论。化学方法相比机械方法和物理方法，不需要复杂的设备、操作相对简单，可以通过调节溶液的成分浓度来控制化学涂层或氧化层成分、厚度及其分布，并且可在复杂形状规格的材料表面进行均匀成膜，因此化学法受到了越来越多的关注[6-7]。化学表面改性方法主要包括在钛合金表面引入离子，如钙离子[8]、羧酸根、磺酸根[9]等;以及在表面引入高亲水性化合物，如PEG[10]、PEO[11]、多聚糖[12]等。但是，亲水性化合物在防止细菌附着的同时也抑制了造骨细胞的生长。因此，以单一功能为目的的表面改性手段并不能达到理想的改性效果。为进一步提高材料的生物相容性和抗菌效果，应对钛合金材料表面的修饰向双功能化乃至多功能化的方向发展。

除了抗吸附的大分子聚合物，具有杀菌作用的化合物也被用来修饰在钛合金表面来降低感染的风险。例如，在钛合金表面固载壳聚糖-阿托伐他汀偶联物[13]以及钛酸-银纳米颗粒-钛酸的三明治纳米结构[14]都表现出了抑制炎症的响应且具有更好的生物相容性。但这些化合物在体内长期存在是否会产生耐药性还不得而知。Neoh课题[15]组利用壳聚糖和多肽分子RGD（arginine-glycine-aspartic acid）对钛合金表面进行修饰，结果表明不管是否存在RGD，壳聚糖都能有效地减少细菌的附着，而RGD的引入明显增加了成骨细胞的增殖和碱性磷酸酶的活性。尽管RGD能够增强成骨细胞的活性，但是它缺乏选择性[16]。因此，越来越多的研究者把目标转移到了骨形态发生蛋白上来，它可以通过激活机体内的分子信号通路而实现促进骨整合的目的[17-18]。目前普遍认为骨形态发生蛋白可以刺激骨形成，是骨再生和种植体表面改性的极有希望的一种蛋白治疗手段。其中，骨形态发生蛋白2（BMP2）是在种植体表面改性中应用最为广泛的一类生长因子。Nie等[19]将人重组BMP2利用电纺丝方法负载于聚乳酸一羟基乙酸，羟基磷灰石的复合物纤维支架上，从而实现缓释并保持原有的完整性和天然构象。尽管目前对钛合金表面进行的多功能修饰均能较好地满足成骨活性和抑菌的需求，但是对于钛合金表面改性后形成的涂层在体内长期存在的稳定性问题的研究还不充分，需要进一步探索研究。Zreiqat等[20]研究发现在促进骨细胞明显增殖的表面，Ⅰ型胶原蛋白表达也明显增高，同时检测到整合素α5β1和β1配体表达明显增高，提示材料促进成骨细胞的增殖与黏附的生物活性可以用细胞整合素的表达水平来评价。

由于人体内钛合金植入体的表面造骨细胞和细菌是同时存在的，并处于竞争关系，然而目前关于钛合金植入体表面涂层对于造骨细胞和细菌的响应机制的研究基本上都是分别进行的。最近，Lee等人[21]进行了一些尝试，将MC3T3-E1细胞和少量的表皮葡萄球菌（S.epidermidis）共同培养，结果表明，在培养早期，细胞增值情况良好，但到了24小时以后，细菌取得了这场竞争的胜利。因此，对改性前后钛合金表面造骨细胞以及细菌竞争生长的影响机制还需进行深入和系统的研究。

参考文献：

[1]Arifin，A.;Sulong，A.B.;Muhamad，N.;Syarif，J.;Ramli，M.I.，Material processing of hydroxyapatite and titanium alloy （HA/Ti）composite as implant materials using powder metallurgy：A review.Mater Design，2014，（55）：165-175.

[2]Neoh，K.G.;Hu，X.;Zheng，D.;Kang，E.T.，Balancing osteoblast functions and bacterial adhesion on functionalized titanium surfaces.Biomaterials，2012，33 （10）：2813-2822.

[3]Br■nemark P.I.，Osseointegration and its experimental studies.J Prosthet Dent，1983，（50）：399-410.

[4]Gristina A.G..，Biomaterial-centered infection：microbial adhesion versus tissue integration.Science，1987，（237）：1588-1595.

[5]Puckett S.D.;Taylor E.;Raimondo T.;Webster T.J.，The relationship between the nanostructure of titanium surfaces and bacterial attachment.Biomaterials，2010，（31）：706-713.

[6]Chai Y.C.;Kerckhofs G.;Roberts S.J.;Van Bael S.;Schepers E.;Vleugels J.，Ectopic bone formation by 3D porous calcium phosphate-Ti-6Al-4V hybrids produced by perfusion electrodeposition.Biomaterials，2012，（33）：4044-4058.

[7]Koo T.H.;Borah J.;Xing Z.C.;Moon S.M.;Jeong Y.;Kang I.K.，Immobilization of pamidronic acids on the nanotube surface of titanium discs and their interaction with bone cells.Nanoscale Res Lett，2013，8：1-9.

[8]Hanawa T，;Kamiura Y.;Yamamoto S.;Kohgo T.;Amemiya A.;Ukai H.，Early bone formation around calcium-ion implanted titanium inserted into rat tibia.J Biomed Mater Res，1997，（36）：131-136.

[9]Anagnostou F.;Debet A.;Pavon-Djavid G.;Goudaby Z.;Helary G.;Migonney V.，Osteoblast functions on functionalized PMMA based polymers exhibiting Staphylococcus aureus adhesion inhibition.Biomaterials，2006，（27）：3912-3919.

[10]Saldarriaga Fernández I.C.;van der Mei H.C.;Metzger S.;Grainger D.W.;Engelsman A.F.;Nejadnik M.R.，In vitro and in vivo comparisons of staphylococcal biofilm formation on a cross-linked poly （ethylene glycol）-based polymer coating.Acta Biomater，2010，（6）：1119-1124.

[11]Roosjen A.;Norde W.;van der Mei H.C.;Busscher H.J.，The use of positively charged or low surface free energy coatings versus polymer brushes in controlling biofilm formation.Prog Colloid Polym Sci，2006，（132）：138-144.

[12]Pitt W.G.;Morris R.N.;Mason M.L.;Hall M.W.;Luo Y.;Prestwich G.D.，Attachment of hyaluronan to metallic surfaces.J Biomed Mater Res，2004，68 （A）：95-106.

[13]Daichao Xie;Kaiyong Cai;Yan Hu;Zhong Luo，Surface engineering of titanium substrates with chitosan-atorvastatin conjugate for reduced inflammation responses and improved cytocompatibility.J Biomed Mater Res Part A，2013，101A （7）：2005-2014.

[14]Na Ren;Rui Li;Limei Chen;Guancong Wang et al.In situ Construction of a Titanate-Silver Nanoparticle-Titanate Sandwich Nanostructure on a Metallic Titanium Surface for Bacteriostatic and Biocompatible Implants.J.Mater.Chem.2012，（22）：19151-19160.

[15]Chua P.H.;Neoh K.G.;Kang E.T.;Wang W.，Surface functionalization of titanium with hyaluronic acid/chitosan polyelectrolyte multilayers and RGD for promoting osteoblast functions and inhibiting bacterial adhesion.Biomaterials 2008，（29）：1412-1421.

[16]Morra M.，Biochemical modification of titanium surfaces： peptides and ECM proteins.Eur Cell Mater，2006，（12）：1-15.

[17]Harwood P.J.;Giannoudis P.V.，Application of bone morphogenetic proteins in orthopedic practice：their efficacy and side effects.Expert Opin Drug Saf.2005，4，75-489.

[18]Li R.H.;Wozney J.M.，Delivering on the promise of bone morphogenetic proteins.Trends Biotechnol 2001，19，255-265.

[19]Nie H.;Soh B.W.;Fu Y.C.，Three-dimensional fibrous PLGA/HAp co mposite scafold for BMP-2 delivery.Siotechnol Bioeng.2008，99 （1），223-234.

[20]Zreiqat H.;Howlett C.R.;Zannettino A.;Mechanisms of magnesium-stimulated adhesion of osteoblastic cells to commonly used orthopaedic implants.J Biomed Mater Res，.2002，62，175-184.

[21]Lee，J.H.;Wang，H.;Kaplan，J.B.;Lee，W.Y.，Effects of Staphylococcus epidermidis on osteoblast cell adhesion and viability on a Ti alloy surface in a microfluidic co-culture environment.Acta Biomater 2010，6 （11），4422-4229.