生物材料作为治疗内植物相关性感染的药物载体的研究进展*

梅家威 张贤祚 朱晨

随着人口老龄化的加速，骨折、退行性骨关节疾病、骨肿瘤的发病率越来越高，骨科内植物的使用量也在逐渐增加。由于自体骨的短缺和同种异体骨的免疫排斥，人工内植物的开发显得尤为重要[1]。内植物治疗骨科疾病的常见失败原因是内植物相关性感染（implant associated infection，IAI）与成骨不良。临床上IAI 多由细菌引起，不仅延长了患者的住院时间，还导致了医疗资源的极大浪费，为社会及个人带来了巨大负担。

在IAI 的病理过程中，细菌会形成由多糖、蛋白质、糖蛋白、核酸等物质组成的生物膜[2]，该膜一旦形成，膜内细菌可以逃避宿主的免疫反应或外源性抗生素作用。生物膜的存在，造成了病原菌无法被彻底清除，引起反复感染，影响骨愈合。大剂量、长期使用抗生素，不仅会造成药物副反应，而且会诱导耐药菌的产生。

IAI 是骨科的灾难性并发症，治疗上面临着巨大的挑战。诸如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）等传统生物材料存在着药物释放不彻底、不可降解、二次感染等缺点，新型生物材料的开发逐渐成为研究热点。这些新型生物材料作为药物载体，在清除骨感染、促进骨再生等方面起到了积极的作用。在此，本文以钛金属、羟基磷灰石、壳聚糖等为代表，综述了新型生物材料作为治疗内植物相关性感染的药物载体的研究进展。

1 钛

钛及其合金因为优良的理化性质和生物相容性被广泛用于制造医用内植物。常见钛基内植物仍不具备主动抵抗细菌黏附、杀菌和抑制生物膜形成的能力。进行内植物表面处理是一种减少IAI 的有效途径，它可以在不破坏材料整体性能的情况下，改变内植物的界面属性[3]，理论上，可将表面处理分为：①表面改性（surface modification）[4-6]；②涂层处理（coating）[7-12]。

1.1 表面改性

表面改性是在分子、原子或物质结构的尺度上改变钛金属的结构[3]。常见的表面改性方法包括化学共价接枝，改变钛金属表面形貌特征或形成纳米结构。

化学共价接枝分为钛表面直接引发的原位聚合（Grafting from，Gf）与利用硅烷、邻苯二酚、磷酸盐等锚定分子进行的间接接枝（Grafting to，Gt）[3]。Chouirfa 等[6]利用聚苯乙烯磺酸钠（polyNaSS）比较了Gf 与Gt 两种化学共价接枝方式。结果表明，二者均对金葡菌表现出了良好的抑制作用。利用加热或紫外照射引发的Gf 技术获得的带有致密广泛的polyNaSS 侧链的钛表面，可以更早地促进Saos2 细胞的分化或矿化。Gt 技术可以对polyNaSS 侧链的分子量进行精确控制，分子量越高，对细菌的抑制作用越强，有利于IAI 的精准治疗。

利用机械加工、强酸（碱）蚀刻、氧化、紫外线照射等方法，可以在纳米尺度上对钛表面进行图案化加工，如有序管状结构、凹坑、柱状或正方形，进而改变钛金属表面粗糙度、形貌、表面能量、接触角等参数[3-5]。Lan 等[4]对纯钛进行强酸蚀刻与紫外线照射，结果表明，经处理的钛片，不仅提高了抗菌活性，而且促进骨髓间充质干细胞的黏附、增殖与分化。钛表面形成的纳米凹坑结构，扩大了接触面积；同时接触角减小，表现出更强的亲水性，促进了骨髓间充质干细胞的黏附。

1.2 涂层处理

涂层处理是采取物理吸附或化学共价结合的方式将抗生素、抗菌肽、抗菌金属或非金属元素、其他具有抗菌功能的物质固定在钛金属表面，形成具有生物学功能的附加层[3]。

银基材料，特别是银纳米颗粒具有广泛的抗菌谱和高效的抗菌性能。银纳米颗粒中释放的银离子可以穿透细菌的细胞壁与细胞膜，进而与细菌的酶蛋白相互作用，抑制细菌的氧化呼吸链、DNA 复制，最终导致细菌死亡；银纳米颗粒还可提供大量活性氧基团，通过氧化应激反应起到一定的抗菌作用[10]。基于这种机制，大量银离子也会对正常组织细胞产生毒性[7]。

层层自组装技术通过层叠不同的聚合物涂层至钛表面，使钛表面被相应的功能化，展现出新的生物学特性[3]。Ding等[12]利用层层自组装技术将银纳米颗粒、聚L 谷氨酸等沉积在钛表面。体内外实验表明，该涂层表现出了良好的抗菌活性与促新骨生成的能力。聚L 谷氨酸可被金葡菌分泌的谷氨酰内切酶降解，使银离子的释放具有酶响应性，避免了银离子的突释，降低了细胞毒性。在Croes 等[8]的研究中，他们假设银离子的抗菌活性会降低中性粒细胞的活性。通过中性粒细胞培养实验证明，银离子可以降低中性粒细胞的活性与吞噬作用。

抗菌肽（anti-microbial peptide，AMPs）代表了一类天然未开发的抗菌分子储藏库。AMPs 多为小分子量、带正电荷的两性分子。AMPs 以改变膜通透性为作用基础，不易产生耐药性，具有广谱抗菌性，对生物膜内的细菌亦有良好的效果[11]。同时，部分AMPs 具有促进成骨细胞黏附与增殖的能力。Boix-Lemonche等[11]将-螺旋阳离子抗菌肽BMAP27固定在了钛金属的表面。这种固定化的抗菌多肽，对表葡菌具有良好的接触杀菌效果，对成骨细胞没有细胞毒性。细菌与成骨细胞的共培养实验证明，这种抗菌肽涂层利于成骨细胞赢得“表面竞赛（race for surface）”。这种竞赛发生在内植物植入后，宿主组织细胞与细菌竞争内植物表面。当宿主组织细胞优先定植于内植物表面时，有利于组织长入，避免细菌定植。为了促进宿主细胞的优先定植，Hoyos-Nogues等[9]将LF1-11 抗菌肽与RGD 细胞黏附序列，共同整合至钛金属表面，形成了抗菌与促进宿主细胞黏附的多功能涂层。

2 羟基磷灰石

羟基磷灰石[Hydroxyapatite，HAp，Ca10(PO4)6(OH)2]的化学组成与人类骨骼相似，具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性。当HAp 作为药物载体时，药物的抗菌活性不仅未受影响，而且具有局部持续释放药物、降低药物毒性、避免耐药菌形成与反复感染等优点[13-14]。HAp 降解释放的钙、磷等元素，可促进骨组织再生[15]。基于这些特性，HAp 被广泛用于内植物材料、药物载体、骨缺损填充物等。

在HAp 的晶格中进行离子的引入取代或是结合其他物质，可为自身提供额外生物学活性。阳离子晶格中的钙离子可被钠离子、镁离子、锌离子等取代；阴离子晶格中的羟基、磷酸根离子可被碳酸根离子、硅酸根离子、氟离子等取代[16]。

锌是一种人体必需的微量元素，对机体的生长发育起着至关重要的作用。锌的缺乏会导致多种病理反应，特别是对免疫系统有着明显的影响[16]。氧化锌通过在骨髓间充质干细胞中沉积钙离子，促进成骨细胞标志基因的表达，刺激成骨细胞矿化。氧化锌纳米颗粒与银纳米颗粒均可释放相应离子，产生活性氧基团，发挥抗菌作用。Zhang 等[1]将氧化锌与银纳米颗粒共同整合至HAp 中，赋予其良好的抗菌活性、优异的成骨与快速的骨整合能力。由于锌离子与银离子的协同抗菌作用，降低了银纳米颗粒的初始浓度，对抗菌效果无影响的同时，降低了银离子的细胞毒性。铈是一种稀土元素，虽然生理作用机制尚不明确，但是氧化铈可以促进新陈代谢，作为抗氧化剂保护组织[17]。Pandey 等[17]将氧化铈、银纳米颗粒共同整合至HAp 中。在不影响HAp 细胞相容性的同时，表现出了良好的抗菌活性与抗氧化性。

3 壳聚糖与透明质酸

壳聚糖（Chitosan，CHI）是一种由甲壳素脱乙酰而来的带正电荷的多糖，其骨架与细胞外基质的主要成分糖胺聚糖相似[18]。CHI 免疫原性低，具有良好的生物相容性、抗菌特性，被广泛用于骨组织工程中。CHI 的晶体结构还可促进间充质干细胞分化为成骨细胞[19]。CHI 自身具有抗菌活性，但具体机制不明确。有学者认为，CHI 是通过其氨基与带负电荷的细菌细胞壁相互作用，裂解细胞壁，抑制生物合成，杀灭细菌[20]。CHI 与银、HAp、透明质酸、抗生素等物质结合，不仅可以提高抗菌活性，而且能改善壳聚糖机械强度较低、降解速率过快的缺点[18,20-21]。零维碳点（zerodimensional carbon dots）是一种成本低廉的碳基纳米材料，可与钙化的骨骼特异性结合，具有良好的成骨能力。在近红外的照射下，零维碳点可表现出光热效应[19]。Lu 等[19]制备了CHI/零维碳点/纳米HAp 支架。零维碳点的加入增强了CHI 与HAp 的抗菌活性与机械强度，促进了血管化骨组织的生成。体内外实验表明，在近红外的照射下，该支架可以发挥光热效应，有效地抑制骨肉瘤细胞的增殖。

透明质酸（hyaluronic acid，HA）是一种黏多糖，作为细胞基质的重要组成部分，HA 降解产物对人体无害，不需二次手术取出，具有良好的生物相容性。HA 及其盐都具有良好的抗菌黏附性与抑菌作用，能与包括CD44 在内的细胞表面受体相互作用，影响有关于细胞黏附、增殖、分化、迁移和存活的细胞内信号[20-21]。以HA 及其衍生物为基础的载体，可携带抗菌物质，直接注入复杂伤口，发生原位凝胶化，避免HA 快速降解与药物毒副反应，提高局部药物浓度与抗菌效率[22]。细菌常利用酶作为侵袭性因子，如金葡菌分泌的透明质酸酶。在透明质酸酶的协助下，金葡菌渗透至深部组织中，造成深部组织感染。基于这种特性，Sutrisno 等[21]将月桂酸整合至透明质酸中，实现了透明质酸药物递送系统对金葡菌感染的酶响应性，控释药物，降低了细胞毒性。

4 合成聚合物与生物活性玻璃

合成聚合物由于其药物释放动力学、降解速率、质量和机械性能具有可控性，逐渐成为研究热点[23]。

聚酯是最常见的合成聚合物，由多元醇和多元酸缩聚而成，降解产物无毒无害，不需二次手术取出，其制备的微球、支架，可作为药物载体用于骨感染的治疗、靶向缓释给药、促进骨再生等多个领域[24-26]。常见的聚乳酸、聚己内酯和聚乳酸-羟基乙酸已被FDA 批准，可用于人体组织修复[24,26]。通过聚合材料中单体比例组成与自身结构的改变，可实现载体的力学性能、降解性、释药速率的可控性[24-25]。聚酯过快降解形成的酸性环境，可能引发炎症反应，并降低递送药物的功效[23]。Li 等[24]采用3D打印技术制备了聚己内酯支架，这种支架具有大孔隙率和互连的微观结构，利于药物装载，也可为组织生长提供大量空间。利用这种支架负载聚多巴胺与银纳米颗粒，表现出了良好的抗菌活性与成骨活性。

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所形成的半结晶聚合物，具有良好的生物相容性，已被用于多个领域的IAI 缺损修复。PEEK自身没有生物学活性且骨传导性较差，将其当作载体，搭载金属离子、抗生素或其他聚合物，可以赋予其相应的生物学活性[27-29]。Liu 等[29]在磺化PEEK 的多孔微结构表面负载纳米铜离子，对耐甲氧西林金葡菌起到良好的直接抗菌作用，同时可以提高附着在PEEK 表面的巨噬细胞的吞噬能力，发挥间接免疫调节抗菌作用。

生物活性玻璃（bioactive glasses，BGs）属于无晶体结构的生物陶瓷，具有良好的生物相容性、骨传导性、降解性，还可以促进血管化组织的长入与修复，发挥协同抗菌的作用[30-32]。改性的BGs 在接触体液后可以发生降解，其产物能刺激多种生化反应的发生，如为组织长入提供界面的HAp 的形成。BGs 的具体抗菌机制仍无定论，目前一种理论认为，BGs 的离子降解产物可提高周围环境pH，对浮游细菌起到抗菌作用，抗菌能力可随细菌类型、自身成分与浓度的不同而变化[30-32]。若降解产物过多，形成高渗环境，同样不利于宿主细胞存活[33]。

5 总结

本文综述了不同生物材料作为治疗IAI药物载体的研究进展。经过表面改性的金属、HAp、CHI、HA、合成聚合物、生物活性玻璃等生物材料载体，可实现药物的局部持续释放、抗菌活性的提高与药物不良反应的降低。但单一生物材料受多种因素影响，也暴露出了机械强度差、降解过快或不可降解、二次感染、细胞毒性等不足。而且，大部分研究的抗菌活性针对的是浮游细菌，与临床上形成生物膜的情况仍有一定的差别。

因此，在今后的研究中，应更多地关注复合材料的制备，发挥不同材料的协同作用，同时开展对生物膜内细菌的抗菌性能研究。这可能是解决IAI 的最有前途的方向。