纳米银粒子改性种植体的研究进展*

卿云安 李瑞延 刘贯聪 梁豪君 张彦博 秦彦国*

纳米银粒子改性种植体的研究进展*

卿云安 李瑞延 刘贯聪 梁豪君 张彦博 秦彦国*

关节置换术是治疗终末期关节疾病和老年股骨颈骨折最常用的有效手段，在临床研究中，无菌性松动和假体周围感染是造成假体植入失败的主要原因。而良好的骨整合性是使假体保持长期稳定的关键，因此如何提高骨整合能力是骨组织工程研究关注的热点。纳米银粒子（Silvernanoparticles）的抗菌能力备受推崇，它可以有效减少假体周围感染；同时有研究指出它还具备一定的促成骨能力，这将对无菌性松动有改善作用。以上优点使纳米银改性种植体受到广泛关注，本文就纳米银改性种植体的应用作一综述。

纳米银；骨整合；种植体；表面改性

“骨整合”是Branemark提出用于描述钛合金固定到骨组织的术语[1]，良好的骨整合性能是假体能够长期稳定植入的关键，所以如何提高骨整合能力一直是我们研究的热点。研究发现，种植体表面的理化性能是骨整合的关键，有效的表面改性方法可提高种植体的骨整合能力[2]。目前表面改性的方法[3]大致分为两类：物理改性和化学改性。物理改性包括：物理气相沉积、离子注入和光刻技术；化学改性法包括：酸蚀、过氧化、碱处理、阳极氧化、功能分子通过共价交联、化学气相沉积和水热改性等。随着纳米技术的发展，金属银可以被制成纳米级的颗粒。研究表明纳米银具有极大的比表面积、小尺寸效应和量子尺寸效应，同时具有广谱抗菌性和细菌对其无耐药性的优点[4]。其抗菌作用主要是通过释放银离子实现，与银离子相比，同等程度的纳米银颗粒对细胞毒性更小，并且能长时间稳定释放低浓度银离子抗菌，这些优势使纳米银在种植体中具有很好的应用前景[5]。本文就纳米银改性种植体表面的应用作一综述。

1 纳米银的合成

纳米银的合成有很多方法，目前主要包括物理、化学、生物等三大类方法[6]。物理方法主要为电解和热解，具有快速、不涉及危险化学品的优点，但产量低，能耗高，易造成溶剂污染[7,8]。化学方法主要是使用有机溶剂制备纳米银，这种方法生产容易，成本低，产量高，但容易引入有害化学物质[9]。目前备受关注的是简单、经济、高效、安全、环保的生物方法制备纳米银[10]。Shankar等[11]利用酪氨酸和色氨酸作为还原和封端剂合成了纳米银；Murugan[12]通过仿生途径利用药用植物相思白皮的树皮提取物作为生物还原剂应用于硝酸银溶液，这种方法能合成大小和形状都均匀的纳米银颗粒，并加强了抗菌能力，能够满足各种应用的需要。Elsupikhe[13]在超声辐射条件下，用卡帕卡拉胶作为稳定剂和还原剂制备了分布均匀的纳米银颗粒，并且随着卡帕卡拉胶浓度的增加，纳米银颗粒的数量也增加。

2 纳米银的生物活性

强大的抗菌作用是银离子的主要生物特点，而纳米银能稳定缓释出低浓度的银离子，并且由于其极大的表面接触面积，使纳米银的抗菌能力增强。除了抗菌特点外，最新的研究表明合适浓度的纳米银不仅无细胞毒性，而且有良好的生物相容性，具备一定的促成骨能力，但其具体的机制还存在争议。

2.1 纳米银的抗菌机制

银抗菌的作用在几千年前就被发现，并且有很长的应用历史[14]。而据目前的研究，纳米银能稳定缓释银离子，产生广谱、强效、持久的抗菌作用[5]。虽然关于纳米银抗菌的作用机制被广泛研究，但至今没有形成完整的体系。现有的机制有[15,16]：纳米银与细菌接触的表面积大，吸附在细菌表面的纳米银释放的银离子很容易进入菌体与含巯基的酶蛋白结合，降低酶活性，导致细菌死亡；纳米银直接损伤细菌的细胞膜和细胞壁，造成菌体内细胞质的流失，导致细菌死亡；纳米银抑制了呼吸链，导致三磷酸腺苷（ATP）无法合成，从而影响细菌的代谢和DNA复制。纳米银在菌体内产生氧化应激反应，产生大量的活性氧自由基和反应性氮中间物，这些产物能导致细菌死亡[17]。

2.2 纳米银促成骨机制

纳米银除了具备抗菌特点外，合适剂量的纳米银还有一定的促成骨能力。Levy[18]发现纳米银对细胞活性的影响存在剂量依赖性，在的浓度下有细胞毒性，但在g/mL的浓度下可诱导骨髓干细胞分化。Pauksch[19]同样发现纳米银对细胞的影响存在剂量和作用时间依赖性，纳米银在浓度高于时有细胞毒性，而在无细胞毒性的浓度下，纳米银能够诱导成骨细胞增殖及细胞因子释放。Zhang等[20]研究发现纳米银在浓度时能够促进骨髓间充质干细胞的增值，在浓度时明显促进成骨分化，但在大于浓度时，骨髓干细胞的活性受到抑制。并在进一步的动物模型试验中证明了其对骨折模型小鼠有促进骨愈合的作用。Qin等[21]研究了纳米银对尿源性干细胞成骨分化的影响，结果显示纳米银在，的浓度下能够促进该细胞的成骨分化，但硝酸银对照组没有促进成骨分化的效果，所以得出结论认为纳米银本身促进细胞成骨分化而不是其释放的银离子产生的作用，而当纳米银浓度大于4 g/mL时有明显的细胞毒性。可以看出纳米银在合适的浓度下具有提高细胞活性、促进成骨的作用，一旦超过安全剂量就会产生细胞毒性，但关于纳米银的安全剂量还未达成共识，还需更多的研究证据。

3 纳米银改性种植体表面的应用

目前，关于纳米银在改性种植体表面的应用有很多研究，其负载到种植体表面的方法很多。有直接将纳米银负载到种植体表面的，也有为了获得更多功能，将纳米银与生物活性涂层或其它大分子整合后联合改性种植体表面的。总之，目的都是让种植体具备更好的生物相容性。

3.1 纳米银单独注入种植体表面

Qin等[22]通过等离子体浸没离子注入法将纳米银负载到钛合金表面，通过实验证明，该载银表面无明显的细胞毒性，并通过抑制细菌的粘附和icaAD转录，有效的减少了表皮葡萄球菌生物膜的形成。Qin等[23]通过同样的方法对不锈钢的表面进行改性，研究结果表明，含银粒子的不锈钢表面在体外实验中能抑制细菌粘附和生物膜的形成，减少了植入物相关感染，并且无细胞毒性。通过提高细胞扩散、启动细胞外调节蛋白激酶（ERK1/2）信号、上调成骨相关基因的表达等机制促进骨髓干细胞的成骨分化。研究发现种植体表面的纳米结构有较好的生物相容性，有利于细胞的粘附和增殖[24]，这为纳米银与表面纳米结构复合达到更好的生物相容性的可能提供了依据。Wang[25]通过水热法在钛表面构建一层钛纳米管，然后将纳米银负载到纳米管上，结果表明该载银纳米管层结构在实验中稳定释放的低浓度的纳米银对大肠杆菌有高达99.99%的抑制率，同时该结构还可以促进成骨。他认为纳米银稳定释放的银离子是抗菌的关键，而促成骨主要是表面钛纳米管存在大量的氢氧根（OH–）所起的作用。在Gao[26]的实验中，他通过磁控溅射和氧化的方法，得到了载氧化银纳米管的表面结构，结果显示：该结构有97%的抑菌率，载银二氧化钛阵列与非载银阵列对成骨细胞的增值、分化的影响无明显差异，这也印证了Wang[25]的观点。Zheng等[27]用等离子体浸没离子注入法将的银粒子引入经H2O2处理产生的纳米结构的钛表面，观察其抗菌和成骨性能。研究发现，该复合材料展现了强大的抗菌的能力，能够杀死其表面93.99%的变形链球菌、93.57%的牙龈卟啉单胞菌、89.78%的白色念珠菌，而且通过增加细胞的活力、粘附、及成骨基因的表达等机制促进成骨。

3.2 纳米银与生物涂层整合共同负载到种植体表面

通过对种植体表面进行生物活性涂层改性能增加生物材料的相容性、提高细胞活性[28]。如羟基磷灰石（HA）能促进骨整合，种植体表面的HA涂层能促进细胞的粘附、分化，和骨再生[29]。此外HA还能与多种微量元素结合，提高骨整合的效率。Tian等[30]通过溶胶-凝胶法和银镜反应，在钛表面获得载银羟磷灰石抗菌涂层。结果表明，载银羟磷灰石抗菌涂层的钛合金不仅对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的抵抗能力，同时还能促进骨髓干细胞的增殖、粘附以及骨诱导，使材料的生物相容性和骨传导性得到提高。Massa等[31]利用组合溶胶-凝胶和蒸发诱导自组装法，在钛合金表面制备了载纳米银多孔二氧化硅涂层。溶胶-凝胶方法使纳米粒高度有序的分布在钛表面，并能精确的控制银的含量。实验发现该复合涂层不仅能杀死粘附在其表面的细菌，还能通过抑制细菌生物膜的形成来抑制细菌粘附，对伴放线菌放线杆菌能达到60%的抑制率。壳聚糖（CS）也称甲壳胺，是至今为止发现的唯一一种天然碱性多糖，是一种具有良好生物容性和可降解的生物大分子多糖，对人体无毒且具有广谱抗菌性[32]。蒋卫娟等[33]在壳聚糖微球上负载纳米银颗粒，发现纳米银颗粒的加入显著提高了壳聚糖微球的抗菌性能，并且壳聚糖微球对纳米银颗粒有很好的缓释作用，提高了载银壳聚糖微球的生物安全性。骨形态蛋白2（BMP-2）是一种重要的生长因子，可以促进骨髓间充质干细胞迁移和向成骨细胞分化来诱导骨形成[34]。Xie等[35]利用电化学沉积和静电固定的方法将纳米银、（BMP-2）、壳聚糖（CS）与HA结合，并将它们负载到钛表面。实验中各涂层释放的银离子浓度在0.13～0.12 mg/L之间，具有一定的细胞毒性。但和对照组相比，壳聚糖的加入减轻了细胞毒性，并且在体内、体外实验中发现BMP/CS/Ag/HA涂层具有良好的骨传导性和抗菌能力，并能促进骨髓干细胞分化。Zhong等[36]利用逐层自组装的方法，通过电荷差异，在钛表面制备了相变溶菌酶-透明质酸-壳聚糖/纳米银复合涂层。这种新型的涂层制备方法具有环保、快速、简单的特点。结果显示在开始的4天内对葡萄球菌的抑菌率接近100%，两周后的抑菌率也在65%～90%之间，这说明该涂层能够使植入物长期保持强效稳定的抗菌能力，并且低浓度的纳米银还展示出了较好的生物相容性。

4 总结和展望

银离子有良好的抗菌作用，而纳米银能稳定缓释银离子维持抗菌能力。大量的研究证明，纳米银在与生物涂层结合后，纳米银的抗菌效果能长期稳定存在，可以有效减少假体周围感染。同时合适浓度的纳米银与种植体结合还可促进细胞增殖和诱导成骨，并增加其生物相容性，提高种植体的骨整合能力。此外纳米银与生物大分子、不同涂层复合后所得的多功能涂层能够在一定程度上减缓纳米银的细胞毒性，同时提高骨整合能力和生物相容性。因此纳米银改性种植体有很好的应用前景。但关于纳米银的安全有效剂量并未达成共识，而且目前大部分实验都是在体外或动物体内进行测试，纳米银改性的植入物在人体微环境中的作用效果还需要研究。所以未来的研究方向主要是通过制备功能涂层，使纳米银改性的种植体能在人体微环境中长期、稳定、安全的应用。

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Research progress of silver nanoparticles modified implants

Qing Yunan,Li Ruiyan,LiuGuancong,et al.The Second HospitalofJilinUniversity,ChangchunJilin,130000,China

Arthroplasty is the most common and effective method for the treatment of end stage joint disease and femoral neck fracture in the elderly.In the clinical study,aseptic loosening and infection were the main reasons for failure of prosthesis implantation.Excellent bone integration is the key to maintain long-term stability of the prosthesis,so how to improve the ability of bone integration is a hot topic in the research of bone tissue engineering.The antibacterial ability of silver nanoparticles is highly respected and it can effectively reduce the infection around the prosthesis.At the same time,it also has a certain ability to contribute to bone formation,which will reduce the aseptic loosening.These advantages make silver nanoparticles modified implants have been widely concerned.This is a review of the application of silver nanoparticles modified implants.

Silver nanoparticles;Osseointegration;Implant;Surface modification

R318.08

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.04.017

swgk2016-11-00273

卿云安（1992-）男，硕士。研究方向：骨关节外科。

*[通讯作者]秦彦国（1976-）男，博士，主任医师。研究方向：骨关节外科。

2016-11-25）

1吉林省科技发展计划项目（20150414006GH）；2吉林省省级产业创业专项资金项目（2016C037）

吉林大学第二医院，吉林长春130000