抗菌涂层对种植体表面生物学性能影响的研究进展*

王子璇 孟维艳

种植体表面的细菌感染主要是通过细菌在种植体表面形成菌斑生物膜，破坏其周围组织，导致种植体周围炎，甚至种植体的松动、脱落[1]。细菌生物膜是一个具有高度异质性的细菌集合体，细菌常常被嵌入在其自身产生的胞外聚合物基质(extracellular polymeric substances,EPS)中[2]，因此生物膜极大地增加了病原体对抗生素和环境压力的耐受性，是公认的种植体周围炎的始动因素[3]。因此，赋予种植体表面一定的抗菌性能是近年来的研究热点。在种植体表面进行表面抗菌改性，通过物理、化学或生物的方法改变现有种植体材料的表面[4]，来实现种植体表面化学成分及表面结构的改变，从而形成不利于细菌生长以及生物膜形成的表面实现抑制细菌黏附，或破坏细菌生物膜，或引起免疫调节刺激机体产生抗菌作用等，从而达到抗菌的目的[5]。由于种植体的本质作用是代替天然牙行使生理功能，因此，种植体的抗菌涂层要兼顾表面的骨结合及软组织结合性能。本文将围绕种植体表面抗菌设计及抗菌涂层对种植体表面生物学性能的影响作一综述。

1.种植体表面抗菌的设计

生物膜的形成分成四个阶段：(1)初始黏附：细菌黏附在种植体的表面。细菌黏附可分为两个阶段：非特异性可逆的细菌附着与特定的不可逆黏附。最初对非生物表面的黏附通常没有特异性，而对生物表面的黏附则涉及特定的凝集素或黏附素的相互作用，种植体表面会被细胞外基质蛋白和免疫蛋白覆盖[3]。(2)早期生物膜形成：细菌开始分裂增殖并产生EPS。(3)生物膜成熟：EPS 形成三维结构，允许多种细菌在相互作用中共存。(4)生物膜扩散：细菌离开生物膜，进入到浮游阶段，游走扩散，进入下一个循环[6]。

1.1 抗菌涂层的原理 在生物膜形成的每个阶段都可以靶向抑制生物膜的形成：(1)初始阶段可以通过靶向细菌表面相关的凝集素或黏附素来破坏细菌与种植体表面之间的相互作用。(2)通过抑制EPS 的产生，减少细菌的分裂增殖，破坏生物膜形成的早期阶段[6]。(3)成熟的生物膜可以通过物理-机械方法去除，也可以通过降解EPS 进行去除[7]。(4)还可以通过诱导EPS 重构或生物膜主动扩散的方式来去除生物膜[8]。

抗菌涂层依靠负载的抗菌剂发挥作用，常见的抗菌剂包括有机抗菌剂和无机抗菌剂。有机抗菌剂如抗菌肽是通过破坏细胞壁和细胞膜的完整性、与细胞内靶点结合以及抑制其核酸的合成从而达到抗菌效果[9]。无机抗菌剂如Ag、Cu、Zn 等是通过静电相互作用附着在细菌细胞壁上，破坏细胞膜[10]。还可以通过自由基的形成诱导氧化应激，抑制细菌内基质金属蛋白酶的活性，减弱呼吸链中酶的作用，破坏细菌细胞膜的完整性使得细菌结构裂解、胞质外渗,最终导致细菌死亡[5]。

1.2 抗菌涂层的分类 根据抗菌的作用方式不同，可分为种植体表面形貌抗菌和抗菌涂层抗菌。种植体表面形貌抗菌方式可以通过运用纳米表面处理技术，制备具有纳米形貌的种植体表面，进而改变种植体表面的理化性质，通过直接接触杀菌等方式减少细菌黏附进行抗菌[11]。

抗菌涂层又可以分为直接抗菌涂层和缓控释抗菌物质涂层，前者包括抗生素、季铵盐等可以直接抵抗种植体表面细菌的黏附和生物膜的形成，后者是由抗菌物质与载体相结合而形成的，抗菌物质被载体装载，在特定条件下，如炎症状态时释放抗菌物质，从而达到抗菌效果[12]。

根据抗菌涂层的抗菌作用物质分类，可将抗菌涂层分为生物大分子涂层、聚合物涂层、金属离子涂层、二氧化钛纳米管涂层等。聚合物涂层及生物大分子涂层通过共价键或层层自组装等方式负载到种植体表面，通过其自身结构及负载的相关因子进行抗菌，从而实现种植体骨结合的长期稳定[12]。金属离子抗菌涂层通过微弧氧化法、阳极氧化法、等离子喷涂等方式负载到种植体表面进行抗菌。二氧化钛纳米管涂层通过阳极氧化法将纳米管负载在种植体表面上，抑制细菌初始黏附以及杀灭细菌进行抗菌[13]。

2.抗菌涂层对种植体表面生物学性能产生的影响

种植体周围组织主要包括种植体颈部周围软组织和种植体周围骨组织等。种植体周围软组织与天然牙龈组织相类似，主要有上皮层和结缔组织层，当软组织附着于种植体表面时，首先发生的是黏附蛋白、胶原蛋白的吸附，之后诱导细胞的黏附和增殖，最终形成上皮层和结缔组织层，这是确保种植体免受病原体侵入和维持下方骨组织长期稳定的生物屏障。而骨结合是种植体行使功能的基础。因此抗菌设计对种植体表面与软组织及骨组织结合生物学性能的影响具有重要意义。理想的抗菌涂层应当可通过“接触诱导”方式促进上皮细胞、胶原纤维以及骨组织嵌入种植体表面生长[14]。

2.1 对上皮组织的影响 种植体周围上皮(periimplant epithelium,PIE)与天然牙周围的结合上皮宽度不同，约1.6～2.35mm，主要通过基底板与半桥粒附着于种植体表面，该结构在实现种植体边缘封闭阻止细菌入侵中起到重要作用，但其胶原纤维区别于天然牙表面的垂直插入牙骨质中的纤维，而是平行或环绕于种植体表面，这就使得上皮层容易向种植体根方迁移而破坏边缘封闭的效果。因此，种植体的表面设计应促进结合上皮与表面的锚定作用，抗菌涂层的设计也应遵循这一原则。

Zhang 等[15]构建了层黏连蛋白α3 功能化的壳聚糖/ 透明质酸/ 胶原多涂层钛种植体表面，发现该涂层可促进层黏连蛋白α3 在上皮细胞中的表达，有效促进种植体周围上皮的形成，可以在种植体表面建立牢固的生物上皮封闭防止细菌入侵的同时，在早期改善上皮细胞附着和细胞扩散。Maeno等[16]在钛种植体表面用蛋白酶激活受体4 激活肽(protease activated receptor 4-activating peptide,PAR4-AP)进行表面修饰，诱导血小板活化和聚集，发现该涂层可以促进牙龈上皮细胞进行上皮附着形成上皮屏障，并且可以减少细菌的附着、渗透和侵袭。Masa 等[17]发现二氧化钛/ 银-二氧化钛纳米杂化膜抗细菌黏附的同时可以促进上皮细胞附着。

2.2 对结缔组织的影响 结缔组织层位于上皮层根方至牙槽嵴顶之间宽约1～1.5mm 的区域，胶原纤维来自牙槽骨嵴顶的骨膜，方向与基台表面平行，因此这种结合强度弱于天然牙。当支撑强度不足时，上皮层将向根方迁移，形成牙周袋，同时将有利于细菌入侵，破坏骨质。

Blunn 等[18]在多孔钛合金上涂覆纤连蛋白功能化的羟基磷灰石和银涂层，不仅有抗菌作用，还促进了成纤维细胞的生长，提示该涂层能够同时实现增强软组织整合以及对抗感染。在选择性激光熔融钛支架上涂覆纳米金刚石涂层可以抑制金黄色葡萄球菌的定植，还可以促进成纤维细胞的生长[19]。在钛种植体表面的槲皮素纳米涂层降低了初始细菌黏附的同时增加了牙龈成纤维细胞的附着，可以增强软组织的整合并提高种植牙的成功率[20]。由聚多巴胺、羟基磷灰石和羧甲基壳聚糖改性的种植体表面涂层除了具有优良的抗菌活性，还能促进牙龈成纤维细胞黏附、扩散和增殖，从而实现优异的软组织整合[21]。

2.3 对骨组织的影响 骨结合是种植体行使生理功能的基础，多种表面改性已被证实可促进骨结合，但是亦有部分涂层在远期时发生涂层剥脱，造成骨结合的丧失，因此在种植体体部的抗菌涂层应确保骨结合的长期稳定。

2.3.1 生物大分子涂层 将磷酸钙和不同浓度的乳铁蛋白修饰在多孔钛上，发现可以有效抑制血链球菌和金黄色葡萄球菌的黏附和增殖，并促进成骨分化[22]。Huang 等[23]在钛合金Ti6Al4V(TC4 titanium alloy,TC4)种植体表面制备含有骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP2)和降钙素(calcitonin,CT)的层层自组装(layerby-layer,LBL)壳聚糖／明胶多层膜结构(TC4／LBL／CT／BMP2)，用细胞因子诱导RAW264.7 分化为破骨细胞。研究发现TC4／LBL／CT／BMP2涂层可以显著提高骨髓基质细胞成骨分化，抑制巨噬细胞向破骨细胞分化，显著提高骨结合效率，并促进巨噬细胞向M2 型进行分化，促进分泌大量的炎症抑制因子，抑制种植体周围炎的发生。此外，Zhou 等[24]制备了负载丝素蛋白的抗微生物剂复合材料，该复合涂层抑制了大肠杆菌的定植，促进了成骨细胞增殖，并明显改善成骨分化趋势。此外，负载穿心莲内酯的纳米管可以抑制种植体表面细菌黏附和生物膜形成，还可以显著促进骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)的附着、增殖和成骨分化[25]。二氧化钛(titanium dioxide,TiO2)纳米管不仅可以促进成骨细胞的黏附和增殖，并表现出减少细菌初始黏附与定植的能力[13]。

2.3.2 聚合物涂层 Yang 等[26]将超支化聚L-赖氨酸聚合物共价固定在钛种植体上，该涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌具有出色的抗菌活性。该涂层还显著促进了鼠胚胎成骨细胞前体细胞MC3T3-E1 的黏附、增殖和成骨分化，具有更好的骨整合性。此外，由于聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)具有生物惰性，将有抗菌性能的生物活性材料与PEEK 结合在一起能够有效促进细胞在PEEK 上的黏附和增殖并有效抗菌[27]。将抗菌肽KR-12 固定在聚多巴胺(polydopamine,PDA)修饰之后的聚醚醚酮种植体表面，可以抑制金黄色葡萄球菌生长并促进BMSCs 的黏附，增殖和成骨分化[28]。

2.3.3 金属离子抗菌物质涂层 Chen 等[29]开发了载有抗菌纳米银的TiO2纳米管(Ag@TiO2-NTs)，发现可控释超低剂量Ag+的Ag@TiO2-NTs具有诱导巨噬细胞向M2 表型极化的能力，因此在有效抑菌的同时可调节骨免疫微环境促进成骨。Zhang 等[30]在种植体表面构建了载有纳米银/ 庆大霉素的丝素蛋白涂层，该涂层可实现对纳米银的pH 响应性释放，可以通过释放大量的活性氧自由基来有效抑制细菌黏附并杀死浮游细菌起到抗菌效果，并且具有高效的成骨作用。Huang 等[31]制备了含铜的微/ 纳米形生物陶瓷表面(Cu-Hier-Ti)，发现Cu2+直接添加到培养基中或从Cu-Hier-Ti表面释放可以激活巨噬细胞中的铜转运信号CTR1(Copper transporter 1)和ATP7A(ATPase Copper Transporting Alpha)使巨噬细胞极化为促炎性M1表型，增强对金黄色葡萄球菌的杀伤能力。巨噬细胞产生的炎性微环境可以增强人成骨肉瘤细胞SaOS-2 细胞的增殖和分化。此外，Zhang 等[32]研究了Mg-2 wt%Zn-0.5 wt%Ca 合金(ZC21)和Mg-4 wt%Zn-1 wt%Sr 合金(ZSr41)的特性，发现ZC21 可促进BMSCs 的黏附，ZC21 比ZSr41 更能显著降低耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus aureus,MRSA)在其表面的黏附，且ZC21 更能促进成骨和骨愈合,表明ZC21 合金在提供抗菌活性的同时有望用于骨修复。

2.4 对免疫调节的影响 种植体表面抗菌改性通过免疫调节，可以阻止信号转导通路并刺激机体产生一定的抗菌作用，还可以调节组织中单核巨噬细胞的类型[33]，起到抗菌以及组织修复的双重作用。在细菌感染的早期阶段,细菌及其代谢产物作为病原体相关模式分子(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)被机体巨噬细胞等细胞表面的模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR)识别，巨噬细胞被激活并极化为M1 型，即促炎表型，产生大量促炎介质包括TNF-α、IL-1 和NO等促进PAMPs 的清除，但是M1 型巨噬细胞的过度表达可引起炎症的持续，不利于组织的修复[33]。TiO2纳米管可通过降低丝裂原活化蛋白激酶信号分子p38、ERK1/ 2、JNK 磷酸化表达水平，抑制MAPK 和NF-κB 通路来减弱巨噬细胞的炎症反应，进而促进巨噬细胞向M2 型极化以促进组织修复[34]。

Luu 等[35]在钛表面构建了纳米结构表面，发现巨噬细胞在其表面呈现长梭形，沿凹槽生长，并向M2 型分化。这说明纳米结构表面不仅具有抗菌作用，还可以通过改变巨噬细胞形态来影响巨噬细胞极化，从而影响组织的修复。Lee 等[36]在钛种植体表面构建了TiO2纳米管结构，并掺入二价阳离子Ca2+和Sr2+。研究发现，二价阳离子改变了巨噬细胞的形状，上调M2 巨噬细胞表型的表达。这提示该材料具有通过作用于巨噬细胞对种植体周微环境进行免疫调节的潜力。

3.总结与展望

综上所述，菌斑生物膜与种植体周围炎密切相关，抑制种植体表面微生物的黏附和生物膜的形成是防治种植体周围炎的主要策略。但是表面的抗菌改性往往又会引起表面的其他生物学性能改变，如软组织结合、骨结合以及免疫功能等。因此，目前大多数的表面抗菌改性以多功能性为主，即在实现有效抑菌或生物膜的同时，达到促进软硬组织结合或免疫调节功能。

尽管目前抗菌涂层对种植体表面生物学性能影响的研究日益增多，但是仍有一些方面亟需更深入的探索：①口腔是多菌种的复杂环境，而介导种植体周围炎发生的主要为机会致病菌，目前抗菌改性多以广谱抗菌为主，提高抗菌涂层对机会致病菌的靶向性有待进一步研究；②由于涂层材料以多功能性为主，其与表面的结合强度、自身降解导致的剥脱等对种植体与软硬组织结合均会产生影响，需要更长期的观察与数据；③临床上种植体周围炎属于机会感染，改性表面植入体内后将与周围组织产生结合，并维持长期稳定，在远期遭遇感染时，涂层中抗菌成分仍能否具有活性以及能够按需释放仍待进一步研究。因此，关于种植体表面的抗菌设计仍需更多的研究与探索，提高种植体表面的抗菌性能，并促进表面的组织结合性能，以期提高种植义齿的远期临床效果。