抗生素缓释系统载体在慢性骨髓炎治疗中的应用研究进展

葛茶娜，黎飞猛，林周胜，李启活，王韵廷，孙鸿涛

1.广州中医药大学(广州　510317)；2.广州中医药大学教学医院广东省第二人民医院 骨科(广州　510317)

抗生素缓释系统载体在慢性骨髓炎治疗中的应用研究进展

葛茶娜1，黎飞猛1，林周胜1，李启活1，王韵廷1，孙鸿涛2△

1.广州中医药大学(广州510317)；2.广州中医药大学教学医院广东省第二人民医院 骨科(广州510317)

【关键词】慢性骨髓炎；抗生素缓释系统载体；生物相容性；骨缺损

慢性骨髓炎(chronic osteomyelitis)是由急性骨髓炎发展而来，易并发慢性窦道、皮肤瘢痕及缺损、骨折和骨缺损；同时，漫长的病程及复杂的病情，增加了术后感染复发率，治疗相当困难。传统治疗方法为彻底清除病灶，灌注冲洗，使用抗生素，其中抗生素在治疗中起到关键性作用。抗生素可以局部或经静脉全身给药，但是静脉给药往往不能使感染局部药物浓度达到理想状态，并且大剂量静脉给药会使血药浓度上升，增加机体对抗生素的耐药性。如何才能使抗生素直接作用于病灶？如何才能使药物维持持久杀菌浓度？抗生素缓释系统(antibiotic delivery system)的出现为慢性骨髓炎的靶向治疗提供了可能。而抗生素缓释系统中的载体材料负载抗生素的能力和药物缓释能力直接影响靶向治疗的效果。本文综述了抗生素缓释系统载体在慢性骨髓炎治疗中的研究进展。

抗生素缓释系统是在一系列生物相容性好的材料上发展起来的，由一些特殊的载体材料负载抗生素，通过缓慢释放抗生素，持续维持药物的有效杀菌浓度,已广泛应用于骨髓炎及慢性感染性骨缺损的治疗中。在彻底清创后，使用局部抗生素缓释系统植入取代传统使用抗生素灌注冲洗，可减少病人痛苦，有利于局部皮肤组织的修复，且抗生素缓释系统的载体在一定程度上有修复骨缺损的作用，有利于骨组织重建。由此可见，抗生素缓释系统治疗慢性骨髓炎具有明显优势，而一个合适的载体对良好的抗生素缓释系统而言是必不可少的。

1不可降解骨水泥

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)联合抗生素最早被应用于慢性骨髓炎治疗，具有植入后使骨缺损区机械强度增高、局部抗生素高浓度的优点。宋先东[1]将50例慢性骨髓炎患者随机分为研究组和对照组，研究组清除病灶后植入庆大霉素骨水泥，对照组清除病灶后用庆大霉素配比生理盐水持续冲洗，两组均使用抗生素静滴。结果发现，研究组手术次数(2.3±1.2)次，治愈率为85.7%，对照组手术次数(2.8±1.4)次，治愈率为55.2%。由此认为，抗生素骨水泥治疗慢性骨髓炎是一个有效并值得推广的方法。潘正刚等[2]用骨水泥抗生素链珠结合骨移植治疗24例胫骨慢性骨髓炎，术后随访6～24个月，仅有1例复发，优良率达95.8%。但骨水泥存在着抗生素释放能力有限，且不具有降解性，需要二次手术将其取出等缺点，逐渐被具有较好生物相容性、可降解的羟基磷灰石、碳酸钙骨水泥、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、壳聚糖、脂质体及海藻酸盐等材料所替代。

2可降解材料

可降解材料在体内可以降解，无需再次手术取出，减少病人二次手术的痛苦。同时，该材料可持续维持局部足够的抗生素浓度，以彻底根除感染和预防复发[3]，作为一类抗生素缓释系统载体材料，引起了广泛关注。

2.1生物陶瓷

生物陶瓷(bioceramic)主要包括硫酸钙、羟基磷灰石和磷酸三钙，因具有与骨相近的结构和化学成分，应用较为广泛[4]。Semdé等[5]证实在庆大霉素油酸甘油酯水制剂中加入20%羟基磷灰石作为骨重建材料能够持续释放硫酸庆大霉素超过4周，且没有明显的爆发性释放效应，可作为一个合适的生物缓释系统载体局部植入治疗慢性骨髓炎。Shirtliff等[6]在处理兔胫骨骨髓炎中发现，载万古霉素的羟基磷灰石治疗效果优于万古霉素-PMMA，认为羟基磷灰石是一种可有效替代PMMA的载体材料。Zhou等[7]的有关头孢他啶阳离子脂质体复合纳米羟基磷灰石/β-磷酸三钙陶瓷在体外释放对金黄色葡萄球菌生物膜的抑制特性的研究，进一步证实脂质体是一个良好的抗生素载体。El-Ghannam等[8]合成的生物活性可吸收的二氧化硅纳米磷酸钙复合材料，可持续释放庆大霉素有效浓度达35 d，并发现该材料不仅可维持有效药物浓度以根除感染，而且还可刺激骨细胞的分化，有利于新骨生成。然而，生物陶瓷仍存在一些不足，如硫酸钙自身降解速度过快、碳酸钙陶瓷具有抗生素突释现象等，有待进一步改良、发展。

2.2高分子聚合物

高分子聚合物(high-molecular polymer)降解速度缓慢，可作为良好的载体材料[9]。其中，聚乙内酯被广泛应用在生物医学领域中，如骨和软骨组织工程支架[10]。吴玉彬等[11]研究发现，PLGA载药微球能持续缓慢释放头孢吡肟超过2个月，并且认为PLGA是药物控缓释体系的一种理想材料。Pillai等[12]利用奈夫西林-PLGA纳米粒有效治疗金黄色葡萄球菌性骨髓炎。PLGA具有可与多种抗菌药物相容的优点，这是PMMA无法比拟的。然而该材料体内降解不完全、生物活性低、易引起炎性及免疫反应等缺点限制其发展[13]。

2.3天然高分子材料

天然高分子材料(natural polymeric material)具有高生物活性、低毒性、可降解性、资源丰富和获取容易等优点[14]，越来越受人们重视。

2.3.1明胶海绵明胶海绵(gelatin sponge)是由动物皮肤明胶制成的一种无抗原性、有韧性的海绵形式的物质[15]。明胶海绵具有止血作用，将本品留置骨创腔内可以在4～6周吸收，并且不产生瘢痕组织和不良纤维反应，同时，慢性骨髓炎治疗通常需要持续4～6周，因此，明胶海绵在慢性骨髓炎的治疗中充当载药物质有其合理性。此外，明胶海绵还具有良好的组织相容性、三维立体结构、无明显免疫排斥反应、容易获得和成本低廉等优点。余建平等[16]实验结果所示，经胶原处理后的明胶海绵作为金葡液载体来治疗骨缺损具有优越性，但因机械强度较差，限制其应用。

2.3.2壳聚糖壳聚糖(chitosan)作为载体材料，具有良好的生物相容性、可降解性、稳定性和低毒性优点[17]。李瑞欣等[18]将40只兔分为全身用药组和局部用药组，局部用药组在骨缺损中植入复合万古霉素海藻酸钠/壳聚糖缓释载体，全身组静脉滴注万古霉素，比较两组不同时间段血液、骨及肌肉组织内的万古霉素浓度，发现全身用药组24 h前血药浓度大于局部用药组，24 h时药物浓度小于局部用药组，且24 h后血药浓度小于最低抑菌浓度；而局部用药组骨及肌肉组织内，各点的药物浓度均大于全身用药组，2周时药物浓度仍然保持高水平。他们认为复合万古霉素海藻酸钠/壳聚糖缓释载体局部使用效果优于全身用药。

2.3.3脂质体脂质体(liposomal)可有效包裹抗生素,改变药物在体内药代动力学，且脂质体的生物膜靶向作用可负载抗生素作用于生物膜，从而使抗生素活性增强[19]。游离的带正电荷氨基糖苷类抗生素与带负电荷的生物膜相结合，重复给药使抗生素结合位点饱和，从而降低抗生素渗透性[20]，而脂质体对细菌生物膜有吸附作用，因此，以脂质体负载氨基糖苷类抗生素可使抗生素穿过细胞膜，从而起到持久杀菌的作用。陈海东等[21]认为脂质体抗生素符合可生物降解型缓释系统的治疗方法，在未来有望获得广泛应用。然而，脂质体存在化学稳定性差、封包率低和不耐热等缺点[22]，必须对其进行化学修饰和制备工艺的改进。

2.3.4海藻酸盐海藻酸钠(sodium alginate)是一种无毒、生物相容性好且成本低廉的天然高分子材料，其作为药物缓释载体材料和组织工程修复材料具有广阔的应用前景[23]。Hou等[24]将含有骨髓间充质干细胞的万古霉素纤维蛋白凝胶海藻珠运载系统，用于治疗骨感染和修复骨缺损的实验中发现，其不仅能够维持抗生素的有效浓度，而且能有效促进骨愈合。于涛[25]将48只慢性骨髓炎模型兔随机分成单纯海藻酸钙组、万古霉素骨水泥组和万古霉素海藻酸钙组，通过X线片、兔体质量变化、抑菌环实验和细菌培养等观察指标的比较发现，万古霉素海藻酸钙组各指标优于其他两组，由此认为，万古霉素海藻酸钙万古霉素骨水泥具有更稳定和持久的抗生素释放能力，且万古霉素海藻酸钙在治疗前期可起到填充死腔的作用，随着海藻酸钙的分解吸收，后期可发挥支架诱导骨形成作用。方涛林[26]认为PCL涂层的海藻酸钙-TCP/万古霉素微球具有良好的生物相容性及抗生素缓释效果，对于预防骨科相关感染而言，是一种良好的候选材料。

2.3.5生物活性玻璃生物活性玻璃(Bioglass)具有骨传导、促骨生长、与骨和软组织结合度良好的作用[13]，且本身具有一定抗菌性能及可塑性[27]，因此越来越受到关注。Romanò等[28]在1项回顾性研究中，分别使用生物活性玻璃S53P4+全身使用抗生素治疗27例长骨骨髓炎，羟基磷灰石和硫酸钙化合物或磷酸三钙加载抗生素+抗生素全身治疗27例长骨骨髓炎，抗生素加载脱矿质骨基质+抗生素全身治疗22例长骨骨髓炎。将治疗结果进行比较发现，3组有类似感染控制能力，而生物活性玻璃S53P4组降低了伤口并发症发生率，达到类似感染根除的效果。此外，生物活性玻璃S53P4组较其他两组伤口渗液更少。Liu等[29]采用硼酸盐生物玻璃为载体负载万古霉素的缓释系统来治疗兔的骨髓炎，发现该缓释系统可作为药物输送系统和骨修复支架使用，能支持新的骨骼形成和血管的生长，并认为生物活性硼酸玻璃是一种很有前途的可生物降解和具有生物活性的材料。

尽管天然高分子材料具有高生物相容性、无抗原性、可降解性和低毒性等优点，但其作为载体最大缺陷在于机械强度不足。

3复合材料

为弥补单一的抗生素缓释系统载体材料的局限性，复合材料应运而生。卢旻鹏[30]将兔胫骨近段慢性骨髓炎模型随机分成载银纳米抗菌复合骨填充材料组、载万古霉素骨水泥填充材料组、纳米羟基磷灰石/聚酰胺复合骨填充材料组及空白对照组，观察材料局部抗菌效果、成骨能力和毒副作用发现，载银纳米抗菌复合骨填充材料具有一定的抗菌效果和成骨能力，短期实验中兔体内未发现明显毒副作用。廖红胜等[31]将纳米羟基磷灰石/胶原材料复合硫酸庆大霉素缓释系统植入48只健康大鼠的左侧股四头肌下，并于术后1、3、5、7、9、12、18、24 d，处死大鼠，采取股四头肌标本，进行硫酸庆大霉素体内释放试验的观察，发现术后第1天肌肉中的硫酸庆大霉素浓度为(130.35±9.25) mg/L，随着时间的延长其浓度下降。到术后第24天，肌肉组织中的硫酸庆大霉素浓度为(5.25±1.01) mg/L，其浓度仍然大于金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(2 mg/L)，认为纳米羟基磷灰石/胶原材料复合硫酸庆大霉素缓释系统具有良好的体内缓释作用，是一种良好的能较长时间维持有效浓度的抗生素缓释系统载体。

抗生素缓释系统负载药物直接作用于局部病灶，减少抗生素全身用药的副作用，提高病灶药物浓度，增强抗菌效果，通过缓慢释放药物并保持有效药物杀菌浓度，持续作用于病灶，是一种理想的靶向治疗慢性骨髓炎的方法，而载体在其中起到决定性作用。良好的载体必须最大程度的负载抗生素，缓释时间与慢性骨髓炎的治疗周期相适，可缓慢降解；此外，载体还需具有一定的强度。寻找能将骨诱导、骨传导、可塑性、抗菌性、缓释性和力学强度完美结合的抗生素载体是不断研究的方向。单一的抗生素缓释系统载体材料都具有一定的局限性，复合材料通常显示出强度和韧性间的平衡性优异[32]。越来越多研究者为获得更为理想的材料，开始研究复合材料，其中，以天然高分子材料为基础的复合材料日益受到青睐。在众多种类的高分子复合材料中何种材料具有最优的性能，以及每一种材料的最适抗生素负载量，仍需大量研究。

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doi:10.3969/j.issn.1674-2257.2016.01.033

通信作者：△孙鸿涛，E-mail:1197347460 @qq.com

【中图分类号】R681.2

【文献标志码】A

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