载银氧化锌复合涂层在骨科领域中的应用前景

张 腾，尚 剑

(哈尔滨医科大学附属第一医院骨一科，哈尔滨150001)

骨科内置物周围感染大多与“生物膜”的形成有关[1]，如何抑制细菌在内置物表面黏附定植以及形成生物膜是预防骨科内置物周围感染的关键。纳米银作为无机抗菌剂已被广泛用于医学领域，对细菌[2]、真菌[3]、病毒[4]及癌细胞[5]都具有良好的作用，但其对人类细胞的毒性作用也使纳米银在生产生活以及临床中的应用受到限制[6-7]。此外，银的成本相对较高，纳米银颗粒易发生团聚，且抗菌效果受光和热条件的限制，稳定性不佳，易被氧化，从而降低了纳米银的抗菌活性[8]。

纳米氧化锌具有较好的生物相容性[9]和低细胞毒性[10]，并能促进成骨活动[11]，且具有良好的抗菌特性[12]。此外，纳米氧化锌还具有化学稳定性好、价格低廉、制备简单、形貌丰富、可控性好等优点，已被医学领域广泛认可[13]。综上，纳米氧化锌与纳米银相结合制成复合材料可能在临床中有更广泛的应用前景。现对内置物感染的机制，纳米银在骨科内置物方面的应用以及存在的问题，纳米氧化锌在骨科的应用以及载银氧化锌复合涂层现阶段的研究进展进行综述，以期更好地将载银氧化锌复合涂层应用于骨科领域。

1 骨科内置物细菌感染的机制

研究发现，微生物会黏附在长期存留在体内的内置物表面，从而导致感染，这种感染被称为“生物材料相关感染”[14]。生物膜的形成包含三个阶段:附着、积累、扩散[15]。当体内细菌与植入物接触后在其表面附着定植，随着内置物表面细菌的大量繁殖，细菌不断分泌细胞外基质蛋白，促进生物膜成熟，生物膜又不断地释放细菌，促使其寻找新的定植点，并不断扩散[16]。生物膜的细胞外基质或多糖蛋白可进一步保护细菌，抑制机体免疫系统和抗生素对细菌的破坏，从而引起生物材料相关感染[17]。文献报道，在生物膜存在的状态下，细菌对抗生素的敏感度是同类细菌一般状态下的1/1 000～1/10[18]；耐药性是一般状态的1 000倍[19]。生物膜一旦在内置物表面形成，会引起较为严重且顽固的感染，不仅会增加患者的住院时间和费用，还可能导致二次手术，甚至有截肢和死亡的风险。因此，抑制生物膜的形成是预防内置物术后感染的关键。增加内置物表面的抗菌性以及抑制生物膜形成主要有两种方法，一是在置入物表面负载抗菌药物，二是负载具有抗菌性的无机材料。由于抗生素的不合理应用，导致耐药性菌株大量增加，因而一些学者将无机材料负载到内置物表面以发挥抗菌特性。银作为无机抗菌材料的代表具有较广的抗菌谱、较好的耐热性、较持久的杀菌性能以及较高的耐药性等优点，受到了研究者的广泛关注[20-21]，在预防骨科内置物感染上有广泛的应用前景。

2 纳米银在骨科领域的应用

银具有良好的抗菌性能，已广泛用于医学领域[22]，如载银的医疗设备、伤口敷料以及外用乳膏等。银的有些应用也适用于骨科，其有效的抗菌特性可以降低感染率，从而减轻患者的经济负担，提高生活质量。目前纳米银在伤口敷料、外固定针、假体感染以及骨水泥中都有不同程度的应用，并取得了良好的治疗效果。

载银伤口敷料可用于预防创伤性损伤和假体感染。Keen等[23]对Gustilo/AndersonⅡ型和Ⅲ型开放性骨折患者进行回顾性分析发现，患者均给予冲洗、清创、静脉注射抗生素以及纳米银敷料覆盖切口，并予以负压治疗，结果发现，17例患者中仅有1例有临床感染征象。Jurczak等[24]进行的一项前瞻性临床试验评估了载银敷料与聚维酮碘纱布治疗开放性手术切口的效果，结果显示，载银敷料组在疼痛管理、舒适度以及渗出液方面优于非载银组；在切口愈合方面，载银组也明显高于非载银组。Grosso等[25]对接受全髋或全膝关节置换术并接受载银敷料或普通敷料的患者进行回顾性研究发现，载银敷料能显著降低急性假体感染的发生率。

外固定常用于治疗严重粉碎性或开放性骨折，由于外固定针建立了一个穿过外层皮肤经软组织到骨内的通道，因此钉道感染的发生率较高。Parameswaran等[26]对285例行外固定治疗的患者进行4年的随访发现，有32例发生感染，感染率为11.2%。钉道感染可导致外固定松动、骨折不愈合、软组织坏死以及骨髓炎[27]。Collinge等[28]在羊的髂嵴内插入载银和非载银的不锈钢针，并接种金黄色葡萄球菌，20 d后检测进针点的感染情况发现，载银组外固定针的感染率[62%(22/36)]明显低于非载银组[84%(10/12)]，用扫描电子显微镜观察外固定针生物膜的生长情况发现，载银外固定针较非载银外固定针有更少的生物膜菌落。

假体通常用于骨组织肿瘤切除、严重创伤、终末期关节翻修形成骨缺损后的重建[29]。假体植入后最严重的并发症是假体感染。根据假体置换的部位感染的发生率为11%～23%[30]。Wafa等[31]评估了接受骨肿瘤假体置换的患者假体感染的发生率。结果表明，载银假体组有85%(17/20)的患者未发生感染，而非载银假体组有57.1%(12/21)未发生感染，说明载银假体在降低术后感染率方面是有效的，因而在假体上使用银涂层在控制感染方面更为有效。Hardes等[32]对51例接受了银涂层假体置入术的骨肉瘤患者进行5年的随访，并对74例未接受银涂层假体置入术的骨肉瘤患者进行回顾性研究，结果显示，接受银涂层假体的患者的感染率明显低于未接受银涂层假体的感染率(5.9%比17.6%)。

在骨科手术中，骨水泥广泛用于关节置换术固定植入物和骨空间填充物。骨水泥中含有各种添加剂，包括稳定剂、对比剂和抗菌剂，其中抗菌剂要求抗菌谱广、耐热、植入后能长期保持抗菌性且不影响骨水泥的力学性能。Prokopovich等[33]将硫普罗宁添加到骨水泥中，同时将纳米银负载在骨水泥上，硫普罗宁的存在使纳米银的稳定性提高，负重后具有良好的抗菌效果，且不影响骨水泥的力学性能。Oei等[34]比较了银纳米颗粒-聚甲基丙烯酸甲酯(载银骨水泥)与普通骨水泥的抑菌效果，结果发现，银纳米颗粒-聚甲基丙烯酸甲酯对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌以及奇异变形杆菌的抑制作用达到99.9%。

3 纳米银在骨科中应用时存在的问题

许多研究已经对纳米银的抗菌活性进行了讨论，但载银涂层植入物用于骨科领域尚存在一些争议，这主要是基于纳米银潜在的副作用和生物相容性。有研究表明，纳米银可以剂量依赖的方式引起细胞毒性作用[35]。Massè等[36]评估了银涂层螺钉预防外固定钉道感染的作用，结果发现，术后血液中银的含量较术前显著升高。提示银可以在血液中积聚，当达到某个量时可引起毒性反应。Pauksch等[37]发现，当纳米银的水平达到10 μg/g或更高时，对人类间充质干细胞和成骨细胞有一定的毒性。过量的纳米银可以抑制人体免疫系统[38]，还可诱导产生细胞毒素，损伤人类肺纤维组织[39]。纳米银修饰的植入物的生物相容性也非常重要。Lu等[40]将不同浓度的纳米银(0.5、1、1.5、2 mmol/L)与钛板结合，然后与成骨细胞共同培养。经过7 d培养，成骨细胞能够黏附于涂层上,并生长良好，1周后，浓度为1 mmol/L的纳米银对细胞的增殖有明显的抑制作用。该研究认为低浓度的纳米银涂层有利于成骨细胞生长。因此，提高纳米银抗菌效率的同时又要保持较好的生物相容性是当前面临的重要问题。将纳米银与其他金属氧化物结合形成复合物是解决该问题的有效方法。纳米氧化锌不仅具有抗菌特性，还具有良好的生物相容性、安全性和长效性，已经成为抗菌材料研究的热点。

4 纳米氧化锌在骨科领域的应用

氧化锌作为无机抗菌剂几乎对所有细胞菌株都有较好的抗菌效果[41]。虽然抗菌活性不如银，但氧化锌更低的细胞毒性和更好的生物相容性受到研究者的青睐。纳米氧化锌凭借小尺寸和表面效应可以更好地发挥生物效应。Seil和Webster[13]在传统气管插管中加入纳米氧化锌，提高了抗菌活性，同时抑制生物膜的形成，此外纳米氧化锌在骨科术后的引流中也具有较好的抗菌作用。Akhtar等[42]研究显示，纳米氧化锌可成功杀死部分癌细胞，对人体正常细胞无明显损伤。张利等[43]将氧化锌加入复合骨水泥中，既提高了骨水泥的固化强度，又加快了骨水泥的固化时间，同时氧化锌的抗菌特性又可避免术后感染。纳米氧化锌除了具有优良的抗菌活性外，还具有良好的成骨活性。Jin等[11]将锌注入钛表面，在钛表面以氧化锌的形式存在，锌离子的注入显著刺激了成骨细胞的增殖，增加了大鼠骨髓间充质干细胞的黏附和扩散活性、胶原活性以及细胞外基质矿化作用；同时锌的注入也对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌有一定的抗菌作用，且抗菌作用随着锌含量的增加而提高。Huo等[9]将纳米氧化锌负载到钛置入物表面，体外实验发现，纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌在第1、3、7天的抑菌率分别为100%、91.47%和86.7%。说明纳米氧化锌在体外表现出较长久的抗菌特性，可以预防术后感染，在缺乏外源性骨补充剂的情况下纳米氧化锌也显示出良好的成骨诱导能力。

5 载银氧化锌在骨科领域的前景

纳米银和纳米氧化锌均展现出良好的抗菌特性，而锌是人体必需的微量元素，可调控成骨细胞生成。因此，载银氧化锌复合抗菌涂层集合了银和锌的特性，显示出抗菌和成骨两种活性，这样的属性对于骨科内置物表面涂层是非常有益的。载银氧化锌复合纳米结构不仅制备过程简单多样，且两者结合后产生协同抗菌作用[44]。Agnihotri等[45]将银纳米颗粒沉积到氧化锌纳米棒上，合成的复合物对大肠埃希菌和枯草芽孢杆菌表现出较强的抗菌能力，在各种实验条件下均达到100%的杀菌效果；与银纳米颗粒和氧化锌纳米棒相比，显示出优越的抗菌活性，表明两者结合发挥了协同抗菌作用。此外，载银氧化锌复合纳米结构不诱导人类细胞系的细胞毒性作用[45]。吕中等[46]研究发现，纳米银和纳米氧化锌两者结合后对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性明显高于纯纳米银和纯纳米氧化锌；当混合物中银的浓度减半时，其抗菌性能仍高于纯纳米银或纯纳米氧化锌，说明两者的结合发挥了协同抗菌作用。有研究报道，纳米银对革兰阳性菌和革兰阴性菌均有抗菌作用，但对革兰阴性菌的作用更为明显[47]；而纳米氧化锌对革兰阳性菌的抗菌效果更好[48]，因此将两者结合会对两种类型的细菌起协同抗菌作用，扩大了抗菌范围。

Chen等[49]通过水热法和光还原法将载银氧化锌纳米棒沉积到聚二甲基硅氧烷上，选用金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌作为实验菌进行抗菌实验，结果表明，载银氧化锌纳米棒的抗菌效果相对于纯氧化锌纳米棒有明显的增强；与此同时，氧化锌纳米棒的存在使银纳米颗粒分布得更加均匀，增加了银纳米颗粒与细菌接触的机会。纳米银和纳米氧化锌的结合，既减少了银的用量，协同抗菌效应又提高了抗菌效果，大大降低了过量银引起的细胞毒性作用；同时，纳米氧化锌因其丰富的表面形貌，使银的稳定性更好，减少了银纳米颗粒的团聚，使银的分散性更好，极大地提高了银的抗菌效率。生物相容性也是较为重要的属性。Jin等[50]将锌和银共同负载到钛表面，在表面形成具有较宽尺寸分布的银纳米颗粒的含锌膜，提高了钛表面的耐腐蚀性。体外实验发现，在银和锌负载钛中观察到骨髓间充质干细胞的初始黏附、扩散、增殖和成骨分化，且对细菌具有抗菌作用。由于锌离子和银纳米颗粒相互作用产生的协同效应使得银和锌负载钛的复合体表现出良好的抗菌能力和成骨活性，在骨科内置物中具有良好的应用前景[50]。

6 问题与展望

载银氧化锌复合涂层结合了银和氧化锌的优点，两者协同抗菌效应进一步提高了无机抗菌材料的抗菌性能，可大幅度降低骨科手术后感染的发生率。纳米氧化锌的存在一方面在保持抗菌活性的同时也减少了银的使用量，从而降低过量银引起的细胞毒性作用和成本；另一方面，纳米氧化锌丰富的形貌可以提高银纳米颗粒的稳定性和分散性，使分布更加均匀，更好地发挥银的抗菌作用。除此之外，纳米氧化锌良好的生物相容性以及促成骨作用可以为骨折术后提供一个良好的愈合环境，有效预防骨折术后延迟愈合或不愈合引起的骨不连。现阶段对载银氧化锌复合涂层的研究还仅限于体外或动物实验，还有很多问题需要解决，如抗菌机制，两者制备过程中的用量比例，在人体中的分布、代谢等。随着研究的深入，相信载银氧化锌复合抗菌涂层在骨科领域必将有广阔的应用前景，使广大患者从中受益。