种植体表面抗菌技术的分类与研究进展

张晨秋，王柏翔，王慧明

种植体周围炎是导致种植失败的重要原因，而种植体表面菌斑与生物膜的附着与种植体周围炎密切相关。在种植体植入初期的6 h内若是细菌粘附先于种植体周围组织的结合，细菌将逐渐形成生物膜[1]。生物膜的形成有助于细菌更好地摄取营养并且逃避宿主免疫系统的攻击及抗菌药物的作用[2]。因而传统的抗生素使用常常对生物膜无能为力，而对于无法控制的种植体周围炎，去除种植体成为唯一的选择，这不仅给患者造成一定的经济损失，更给患者带来了巨大的精神痛苦。

种植体表面抗菌技术多种多样。制备抗菌涂层是一种防止微生物聚集与粘附的有效途径，其可以通过表面分子的抗菌性，或通过释放离子与抗菌素等途径达到目的[1,3]。另外种植体表面改性也是一种重要的手段。本文拟对种植体表面抗菌技术的研究进展作一综述。

1 微量元素类

1.1 银抗菌涂层

银与银化合物可以通过损伤细胞内酶的功能，干扰微生物的呼吸作用，破坏细胞膜等方式起到抑制微生物繁殖的作用；亦可通过光催化反应起到杀菌效果[4]。

制备银抗菌涂层的方法有多种，包括离子动态混合法、物理气相沉积、热喷涂技术、磁控溅射技术、溶胶凝胶技术、微弧氧化技术等[5-7]。

目前随着纳米技术的发展，纳米银作为一种新材料，具有极大的比表面积、小尺寸效应与量子尺寸效应，同时具有广谱抗菌性与细菌对其无耐药性等优点[7]，具有广泛的临床应用前景。马千里等[8]通过阳极氧化与电沉积法将纳米银颗粒结合于TiO2纳米管阵列中，取得了良好的生物活性与抗菌性能。

1.2 锌与氧化锌抗菌涂层

锌作为人体重要的微量元素之一，在合成DNA，提高酶与核酸代谢活性方面都发挥着重要的作用，同时具有一定的抗菌作用[9-10]。其抗菌的作用机制有不同假说，包括溶出抗菌学说、接触抗菌学说、光催化抗菌学说。其中光催化抗菌学说认为锌的氧化物受紫外线或可见光激活可释放出大量自由基，从而发挥灭菌作用[11]。因而锌的氧化物也表现出了良好的生物相容性与抑制革兰阳性菌和革兰阴性菌的能力[12]。

封伟等[13]用电解氧化技术在纯钛表面制备含Zn的活性涂层，结果显示随着涂层锌含量的增加粘附的细菌逐渐减少。Memarzadeh等[14]的研究表明纳米氧化锌涂层显示出了优秀的抗菌性与生物相容性，是种植体理想的涂层材料。郝宇等[9]在纯钛表面制备了含有微量锌元素的形貌均一的微纳米网络拓扑结构，较之传统的大颗粒喷砂酸蚀处理(sand-blasted large grit acid-etched，SLA)拥有更高的抗菌率。

1.3 铜抗菌涂层

铜有独特的生物、化学、物理性质，具备一定的抗菌活性，而且价格低廉。适量的铜无细胞毒性，并且有一定的抗菌性能。抗菌涂层释放的铜离子通过直接或间接作用以及超氧化物的形成，导致细菌呼吸作用的停止以及DNA的分解[15]。但是铜在空气中被快速氧化的特性限制了其应用。

李慕勤等[16]的实验表明在50 ℃的环境下镀铜3 min，形成较为适宜的铜元素含量与较强的涂层结合力，涂层的抗菌率达到98.3%，具有理想的抗菌效果。

1.4 氟与氟化物抗菌涂层

许多研究证实，氟影响骨形态发生蛋白的生物活性，使成骨细胞的活性得到增强，破骨细胞功能受到抑制，氟化物具有一定的抗菌性能[10]。氟与氟化物的抗菌机理可能是氟元素降低了细菌在种植体表面的粘附，氟元素协同抗菌活性基团向材料表面迁移作用的结果[17]。

Yoshinari等[18]通过离子注入的方式将氟离子导入纯钛表面，该涂层显示了对牙龈卟啉单胞菌与放线杆菌良好的抗菌性。该研究推测抗菌作用的原理为表面氟与金属的结合使细菌的活性降低。

2 有机抗菌剂与具有抗菌作用的载体

2.1 洗必泰纳米抗菌涂层

洗必泰作为一种广谱的抗菌药物在临床上应用广泛，在口腔领域里主要的用途是外科手术前的含漱与局部清洁，但是由于其溶解度高，所以抗菌的持久性差，在口腔内通常只能发挥短期的抗菌功效。

Wood等[19]利用洗必泰六偏磷酸盐纳米材料作为涂层，实验显示其具有持久的缓释效应，洗必泰的释放时间可以长达99 d，对链球菌属具有良好的抑菌效应，并且在获得性薄膜中可以更好的发挥功效。

2.2 抗菌肽(antimicrobial peptide，AMP)涂层

AMP是一类广泛存在于自然界生物体中的小肽物质，作为机体先天免疫系统的重要组成部分，抗菌肽在对细菌、真菌、寄生虫、肿瘤细胞等具有广泛的抑制作用。随着越来越多的对抗生素具有耐药性微生物的出现，AMP在医疗领域的应用也越来越广阔。抗菌肽的作用机制复杂，目前提出的假说包括抗菌肽与细胞膜相互作用、抗菌肽有干扰靶标的能力，但这些假说都是针对部分抗菌肽作用作出的解释，其抗菌作用机理有待更深一步的研究[20]。

Yazici等[21]设计出一种具有形成坚固表面涂层与抗菌性的双功能的AMP，并对其抗菌性能作出评价，纳入评价的微生物包括变异链球菌、葡萄球菌属及大肠埃希菌，实验结果显示该种钛表面的抗菌性能显著提升。

2.3 二氧化钛与其作为载体的应用

二氧化钛已经被证明具有良好的弯曲强度及生物相容性，而且与其他促进成骨的材料，例如氧化铝等相比，二氧化钛还具有一定的抗菌性能[22]。其抗菌性能主要表现在两个方面：一是在紫外光的激发下，二氧化钛产生光生电子与光生空穴，与细胞直接发生反应；第二是间接反应，光生电子和光生空穴与水反应产生的活性氧具有一定的细胞杀伤作用[23]。

另外，随着药物缓释技术的发展，二氧化钛纳米管作为良好的药物加载材料，拥有广阔的临床应用前景。Tang等[24]应用冻干法与真空干燥法将庆大霉素加载于二氧化钛纳米涂层当中，实验结果显示载有庆大霉素的二氧化钛纳米涂层的抗菌活性显著高于对照组中二氧化钛涂层。

2.4 可降解类抗菌涂层及其作为载体的应用

许多学者将可降解材料作为种植体表面抗菌涂层的理想材料，原因是其在生物体内的可降解性，并且理论上随着可降解材料的分解与所结合抗菌物质的释放，种植体周围的微生物可被有效抑制，保证了种植体的骨结合。相关的可降解材料包括聚乳酸、硅溶胶凝胶、壳聚糖等[25]。

壳聚糖作为典型的可降解材料，属于多糖的一种，广泛地存在于各种生物当中，显示出广谱抗菌活性，良好的生物相容性，以及在生理环境中的可降解性。因而壳聚糖可以作为敷料、骨组织替代材料、组织工程支架等广泛应用于临床当中。Shi等[26]利用壳聚糖与RGD肽段结合制成抗菌涂层，实验显示该涂层可以抑制金黄色葡萄球菌的粘附，促进成骨细胞的增殖与粘附。

聚乳酸是理想的绿色高分子材料，可以生物降解。Kalicke等[27]利用聚左旋乳酸作为载体，结合抗生素(利福平3%，富西酸7%)或者防腐剂(奥替尼啶2%，氯苯酚8%)，结果显示该涂层对于金黄色葡萄球菌有良好的抗菌性，且生物毒性较低。

2.5 羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)作为载体的应用

HA由于具有良好的生物相容性及生物活性，在种植体涂层中有着广泛的应用，其本身不具有抗菌性，但是可以作为抗菌成分的良好载体。

Memarzadeh等[28]将妥布霉素与HA结合，取得了良好的抗菌性，但其局限性是妥布霉素释放的速度过快。此外，HA还可以作为洗必泰、银、万古霉素等多种抗菌成分的载体[29-30]。

3 表面改性

种植体表面的性质，例如粗糙度、化学性质、亲水性、表面能、传导性、表面电势等，对于细菌初期的粘附、聚集有着重要的影响，通过改变种植体表面特性对于降低细菌的粘附与聚集有着重要的意义。

3.1 紫外线处理

紫外线处理可以改变纯钛表面活性。de Avila等[31]实验研究表明经过紫外线照射处理后的钛表面由疏水性变为超亲水性，虽然整体的细菌活性并没有受到影响，但是处理后钛表面粘附的细菌显著少于未处理组。此外紫外线处理后的表面成骨性能也有显著地提高。Kim等[32]利用比格犬制作临界一壁骨缺损模型，紫外线处理的种植体表面结合植骨表现出了良好的成骨效果。综上，紫外线处理是一种经济而有效的种植体表面改性途径。

3.2 种植体表面粗糙度的改变

种植体表面微观上的粗糙程度影响着蛋白质与细菌的附着。种植体表面粗化可以分为宏观的表面粗化与微观的表面粗化。宏观的表面粗化以毫米级别衡量，例如螺纹形态等。微观表面粗化以微米、亚微米甚至纳米级别衡量[33]。

微米层面上，以SLA为例，SLA采用喷砂技术形成表面20～40 μm不规则的起伏，后采用酸蚀技术，使表面形成直径为2 μm的微孔，这样的结构有利于蛋白质的粘附[34]。

纳米层面上，种植体表面纳米级的粗糙结构可以促进骨结合，减少种植体初期的微动。Singh等[35]利用超音速沉积相关技术精确控制表面纳米结构的厚度，数据显示在表面的纳米结构超过20 nm后，随着粗糙程度的增加，蛋白质吸附水平随之增加，而细菌粘附与生物膜的粘附水平则随之下降。另外，纳米结构的形貌也影响着种植体的抗菌效果，Cao等[36]的研究表明种植体表面纳米级的“袋形”结构可以有效杀灭细菌单体，延迟细菌生物膜的形成。

综上所述，种植体表面抗菌技术的最终目的是：诱导自然的骨结合进而增强种植体的稳定性；改善种植体周围环境加强软组织的结合；通过破坏细菌在种植体表面的粘附减少种植体周围炎。种植体表面抗菌技术只是在种植体结合不理想与种植体抗菌性较差的情况下作为辅助手段，所以不能过分强调种植体的抗菌性能而忽视了其生物相容性与诱导成骨的性能。目前种植体表面的抗菌技术也存在许多问题，以种植体表面抗菌涂层为例，其与种植体的结合不够稳定，远期效果有待观察，制备过程复杂等等，并且大多数研究尚处于体外实验阶段，临床实验的数据比较缺乏，此外对于许多抗菌物质的作用机理目前尚不明确。虽然种植体表面抗菌技术的研究尚处于初级阶段，但其发展迅速，具有广阔的临床应用前景。