具有抗菌性能骨组织修复材料研究进展

朱苏迪,魏晓博,闫 凛,樊晓霞,李宝莉

(延安大学医学院,陕西 延安 716000)

骨缺损或功能障碍主要是由损伤、骨肉瘤(Osteosarcoma,OS)、先天性疾病、运动事故、骨质疏松(Osteoporosis,OP)和关节炎(Osteoarthritis,OA)等引起。骨组织的生长速度缓慢,通过自我修复来治疗骨缺损和其他相关疾病具有挑战性。骨损伤细菌感染的风险高达15%～55%[1],而骨关节植入的感染率可达4.9%[2],严重的骨感染甚至需要截肢。因此,骨修复材料自身具有抗菌性能是解决这个问题的有效途径。目前,国内外抗菌骨修复材料的设计思路是在保持材料生物相容性和成骨能力的前提下通过改性和复合的手段赋予其抗菌能力,且主要通过无机抗菌剂复合、有机抗菌剂复合和仿生纳米结构表面抗菌三种抗菌途径来获得自身具有抗菌能力的骨修复材料。

1 无机抗菌剂复合骨修复材料

无机抗菌剂复合骨修复材料主要是以骨修复材料为载体,与无机抗菌剂通过一定的技术手段复合,制备出具有抗菌性能的多功能骨修复材料。无机抗菌剂可简单分为金属元素、具有光催化性质的金属氧化物和非金属元素三类。因无机抗菌剂对细菌具有长效、广谱抗菌且不产生耐药,同时兼具优异的耐热性能,使其能承受骨修复材料制备和改性过程中的高温而不变性,从而受到科学家的广泛关注。

1.1 金属元素复合 银、锌、镁和铜等金属离子都是人体微量元素,在体内承担重要生理功能。不同于抗生素的是,金属离子对细菌不产生耐药性且抗菌范围广。Wilcock等[3]制备了一种可注射的银掺杂纳米磷灰石膏体,对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌均有很好的抗菌活性。Huang等[4]制备了负载铜的钛基骨修复材料,增强了对金黄色葡萄球菌的杀菌能力,同时还可以激活巨噬细胞以促进成骨细胞成熟。Kazimierczak等[5]制备了锌掺杂的新型大孔壳聚糖/琼脂糖/纳米羟基磷灰石支架,具有很强的抗菌和抗生物膜的性能,并显示对人成骨细胞的生物相容性。Andrés等[6]制备了镁掺杂的羟基磷灰石骨修复材料,除Mg2+抗菌外,还可能通过材料表面结构和电活性途径实现抗菌功能,并有促进伤口愈合的功能。

很多金属离子除了具有抗菌功能,同时在成骨过程中还可发挥其他生物学效应,如镓具有抗癌功能,镁和锌具有抗炎功能,铜具有促进血管生成的作用,多金属离子掺杂已经成为制备具有多种生物学效应的骨修复材料的重要途径。Li等[7]制备了锶和铜双掺杂空心羟基磷灰石骨修复材料,不仅具有优异的抗菌性能,还具有良好的生物相容性和骨组织的整合能力。Deliormanll等[8]制备了含氧化铈和氧化镓的硼酸盐生物活性玻璃支架,在氧化铈和氧化镓含量为5 wt%时表现出了优异的抗菌性、耐腐蚀性和生物相容性。掺杂铜/锶的仿生骨修复材料除具有抗菌能力外,还可通过刺激巨噬细胞来诱导形成骨免疫微环境,骨免疫微环境通过刺激抑瘤素M(OSM)信号通路来促进成骨基因表达。

虽然离子的掺杂赋予了骨修复材料抗菌的能力,但目前还无法克服金属离子在体内的突释效应,即短时间内大量释放的金属离子具有剂量毒性效应。此外,金属离子在体内的最适作用浓度还不明确,寻找离子的最适作用浓度及合适的离子缓释策略具有重要的现实意义。随着研究的不断深入,此类抗菌骨修复材料有望率先应用于临床。

1.2 光催化金属氧化物复合 二氧化钛、氧化锆和氧化锌等金属氧化物具有光催化抗菌的性质,在体内可通过释放金属离子和生成活性氧两条途径协同抗菌。Zhao等[9]合成了掺杂氧化锶和氧化锌的生物活性玻璃支架,具有显著的抑制大肠杆菌的作用和促进小鼠骨样细胞(MLO-Y4)增殖的作用,氧化锶主要起促进细胞增殖作用,氧化锌主要起抗菌作用。Wang等[10]制备了负载氧化镓和氧化钽的钛基骨修复材料,表现出优异的抗菌功能、成骨生物活性、细胞相容性和耐腐蚀性,抗菌功能可归因于氧化镓,而氧化钽为该材料提供了优异的耐腐蚀性能。Wiedmer等[11]用二氧化钛对多孔陶瓷骨支架进行表面修饰,与未改性表面相比,在改性表面上形成的表皮葡萄球菌生物膜显示出很低的活力,此外这种表面修饰对成骨细胞(MC3T3)无细胞毒性。

光催化金属氧化物除有突释效应和剂量不明的问题外,其光催化性质赋予了骨修复材料更强的抗菌能力,同时对人体的综合作用机制更加复杂。目前,关于金属氧化物复合的骨修复材料的研究多集中在物理化学和表浅的生物学方面,下一步需要揭示金属氧化物在分子水平的抗菌和其他生物学效应的机制,为进一步开发具有抗菌性能的骨修复材料提供理论支持。

1.3 非金属元素复合 非金属元素的抗菌性能在骨修复材料方面的作用同样受到科学家的聚焦。氟、碘和硒等具有抗菌性能的非金属元素在骨修复抗菌方面的应用已经展开。Kagami等[12]将氟负载在丙烯酸树脂上,氟的注入减少了细菌的附着和聚集。Teng等[13]先将碘与沸石咪唑酸骨架-8结合后负载在金属有机骨架材料上,在近红外光下实现响应性碘释放和细胞内活性氧氧化,达到协同抗菌效果,这种复合涂层还促进骨髓基质细胞的成骨分化和骨整合能力。Hou等[14]制备了负载硒纳米颗粒的植入材料,当硒纳米颗粒浓度超过4 ppm时,牙髓卟啉单胞菌的生长受到显著抑制;当浓度为2～16 ppm时,硒纳米颗粒通过促进Runt相关转录因子2的表达促进成骨细胞分化。

非金属元素复合同样受到释放过快和浓度不明的困扰。除此之外,非金属元素复合制备较为困难,目前主要通过骨修复材料表面改性的方式进行抗菌,这限制了非金属抗菌元素在骨修复抗感染方面的应用。未来通过负载技术的改进、作用机制的明确以及与金属元素的多元掺杂等途径,该类抗菌骨修复材料有望从基础研究走向临床应用。

2 有机抗菌剂复合骨修复材料

应用于骨修复抗感染的有机抗菌剂按照来源可分为天然来源和人工合成两种。天然有机抗菌剂主要来源于植物和动物,如植物中的槲皮素和牡蛎壳中提炼的壳聚糖。在我国,天然有机抗菌剂还是一个尚未完全开发利用的资源宝库。人工合成的有机抗菌剂众多,如醛类化合物、季铵盐类和卤化物等,具有能大规模制备和易通过改性而增强抗菌性能的优点,因此在抗菌骨修复材料方面的应用潜力巨大。

2.1 天然有机抗菌剂复合 一些中草药和其他天然有机物质具有抗菌、来源广和成本低等优点而备受青睐。ε-聚-L-赖氨酸具有广谱抗菌性能,复合ε-聚-L-赖氨酸的骨修复材料在体外对多种细菌表现出很强的抑制作用,且抑菌持续时间长[15]。Unalan等[16]制备了含有肉桂精油的45S5生物活性玻璃/大豆蛋白支架,琼脂扩散和菌落计数结果表明肉桂精油的掺入提高了支架对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。Li等[17]将溶菌酶、氧化石墨烯和单宁酸集成在一起,制备了具有抗菌和成骨作用的多层涂层,涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出很强的抗菌作用,并增强了牙髓干细胞的成骨作用。Honda等[18]制备了负载抗菌物质鱼精蛋白的羟基磷灰石骨修复材料,当鱼精蛋白负载浓度不超过1000 μg/ml时,负载鱼精蛋白的羟基磷灰石骨修复材料兼具抗菌活性和生物相容性。

当前,很多动植物来源的有机抗菌物质如重楼[19]、巴戟天[20]、当归[21]、槲皮素、番石榴叶提取物[22]和抗菌肽等在抗菌骨修复材料上具有较好的应用潜力,但天然有机抗菌物质多是有机物的混合体,其抗菌作用和其他生物效应可能是通过多种途径综合作用的结果,甚至会出现不良反应,这就需要进一步阐明天然有机抗菌物质的综合作用机制,并提纯及明确在骨修复抗菌方面的作用成分。通过学者们的深入发掘,此类抗菌途径的骨修复材料已经显示出巨大的研究价值。

2.2 人工合成有机抗菌剂复合 人工合成有机抗菌剂如季铵盐因具有较好的抗菌、低毒和低腐蚀性而广泛应用于口腔修复领域,石墨烯具有抗菌、生物相容性、骨传导等特性而在骨修复领域倍受重视。Sun等[23]将聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGED)、季铵化聚乙烯亚胺(QPEI)和阿仑膦酸盐(ALN)共价结合到钛基材料上,在早期可抑制细菌感染,在晚期能增强种植体与骨组织间的骨结合和生物力学性能,其中QPEI组分赋予了材料抗菌能力,ALN组分可以平衡阳离子抗菌剂的细胞毒性,提高成骨细胞的生物相容性。Pant等[24]使用S-亚硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)作为抗菌物质制备3D骨支架,可抑制99%的金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌,起抗菌作用的是SNAP,其促进一氧化氮(NO)的释放,同时还发现NO能促进成骨分化。Zhang等[25]将硫化铜纳米颗粒和还原氧化石墨烯负载在植入物表面,协同耦合光催化抗菌与促成骨能力,硫化铜和还原氧化石墨烯的偶联协同作用使植入物的抗菌功效提高了40倍,此外硫化铜/还原氧化石墨烯修饰的表面显著改善了骨髓基质细胞的黏附、增殖以及成骨细胞的分化。

随着对人工合成有机抗菌剂的深入研究,已发现季铵盐的抗菌性能与烷基链的长度有关,在4～18碳链时抗菌性能随着烷基链的增长而增强。但人工合成的有机抗菌剂还面临溶解性差、不易加工和抗菌时效不足的问题。随着生物材料技术的发展,该类材料在感染性骨修复的治疗方面将具有很大的应用前景。

3 仿生纳米结构表面抗菌骨修复材料

自然界有些生物的表面结构能阻止细菌黏附和杀伤细菌,如莲花表面和某些昆虫翅膀的特殊结构能抑制细菌的迁移和黏附,具有较好的抑菌作用。目前,仿生纳米结构表面具有持久抑菌和对细菌不耐药的优点而被尝试应用于抗菌骨修复材料上。Bhadra等[26]通过水热蚀刻工艺在基材料表面上制备了仿蜻蜓翅膀的抗菌纳米阵列,这些钛表面纳米阵列被证明具有选择性杀菌活性,消除了50%的铜绿假单胞菌和20%的金黄色葡萄球菌,同时还可以促进人成纤维细胞的附着和增殖。Ye等[27]在聚醚-醚-酮骨修复材料表面制备了蝉和猫科双仿生结构,体内外评估表明这种双重仿生结构可以长时间显著降低多种细菌的黏附,同时还可保持很好的生物相容性。

现阶段,仿生纳米结构表面抗菌的机制还不十分清楚,可能与纳米表面结构的形状、密度和大小等物理特性有关,细菌的细胞壁特性和运动特性亦对抗菌效果有很大影响,现在还无法做到广谱抗菌。但这类骨修复材料的降解性能和生物相容性不足,未来通过对技术的改进和整合,有望开发出具有较高临床应用价值的抗菌骨修复材料。

4 结 语

自身具有抗菌性能的骨修复材料国内外几乎都处于实验研究阶段,目前距离临床应用还有一段距离。未来,通过对不同抗菌途径和不同材料制作技术的联合应用,有望获得具有可控、长效抗菌、生物相容性和成骨性能的复合型多功能实用骨修复材料。