骨科植入物表面抗感染修飾及其骨整合性的研究進(jìn)展

韓 倞， 楊 軼， 張 弛， 姚振均

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科，上海 200032

·綜 述·

骨科植入物表面抗感染修飾及其骨整合性的研究進(jìn)展

韓 倞， 楊 軼， 張 弛*， 姚振均

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科，上海 200032

植入物相關(guān)感染和無(wú)菌性松動(dòng)是導(dǎo)致內(nèi)固定或關(guān)節(jié)假體失效的最主要原因，已然成為了骨科醫(yī)師亟待解決的難題。一個(gè)理想的骨科植入物需要同時(shí)具備良好的抗菌性與骨整合特性，從而取得長(zhǎng)期穩(wěn)定的內(nèi)固定效果。本文從該點(diǎn)出發(fā)，綜合了國(guó)內(nèi)外在植入物表面抗感染修飾研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，著重總結(jié)與闡述了目前植入物表面抗感染修飾的最新策略，同時(shí)對(duì)促進(jìn)植入物表面骨整合的相關(guān)策略進(jìn)行了綜述，為今后的研究提供了新的思路。

骨科植入物；抗感染治療；表面修飾；骨整合

隨著創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)退變、骨腫瘤發(fā)生率的增高，越來(lái)越多的骨科手術(shù)需要應(yīng)用植入物，其在促進(jìn)創(chuàng)傷后骨愈合、恢復(fù)骨與關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、提高骨與關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性方面起到了重要的作用。在美國(guó)，平均每年需進(jìn)行約70萬(wàn)次全膝及30萬(wàn)次全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)[1]。雖然此類(lèi)手術(shù)目前已相對(duì)成熟，但仍有約10%的植入物在術(shù)后最初的10～20年間過(guò)早失效[2]，從而對(duì)患者的生活質(zhì)量造成了巨大的影響。數(shù)據(jù)[3]顯示，約2.5%的全髖、全膝置換術(shù)及高達(dá)20%的關(guān)節(jié)翻修術(shù)后患者并發(fā)關(guān)節(jié)假體周?chē)腥?。此外，致使?nèi)固定失敗還存在著另一大原因，無(wú)菌性松動(dòng)。目前有研究[4]指出，造成內(nèi)固定無(wú)菌性松動(dòng)的因素主要包括在植入過(guò)程中人工關(guān)節(jié)假體相對(duì)于骨組織發(fā)生的微動(dòng)及其產(chǎn)生的磨損顆粒從而導(dǎo)致炎癥、骨吸收以及最重要一點(diǎn)，即骨整合(osseointegration)不良。當(dāng)下，由于感染和無(wú)菌性松動(dòng)而導(dǎo)致的內(nèi)固定失效已然成為了骨科醫(yī)師亟待解決的難題，然而這兩者的關(guān)系又是密不可分的。近年來(lái)，在植入物表面抗感染修飾的研究領(lǐng)域中涌現(xiàn)了大量的優(yōu)秀成果[5-12]。然而筆者發(fā)現(xiàn)，其中很大一部分研究只關(guān)注了材料的抗菌性而忽視了其骨整合性。

一個(gè)理想的骨科植入物需要同時(shí)具備良好的抗菌性與骨整合特性，從而取得長(zhǎng)期穩(wěn)定的內(nèi)固定效果。在這理論基礎(chǔ)上，我們通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)，結(jié)合當(dāng)下骨科植入物表面抗感染修飾及促進(jìn)其骨整合性能的相關(guān)策略，在此做詳細(xì)闡述。

1 植入物表面抗感染及促進(jìn)骨整合的修飾策略

目前，在植入物表面抗感染修飾的研究中，采取的措施主要可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)改變材料表面的物化性質(zhì)(如吸水率、親水性、表面潤(rùn)濕性等)、表面電性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)及形貌等來(lái)抑制細(xì)菌的黏附；另一類(lèi)則是通過(guò)在植入物表面加載抗菌物質(zhì)，使其在局部得到釋放從而產(chǎn)生抗菌作用。此外，一些全新的修飾策略如免疫調(diào)節(jié)、3D打印、“智能”涂層等也逐步走向成熟。同時(shí)，將諸多植入物表面抗感染修飾與促進(jìn)骨整合策略相結(jié)合，為防治植入物相關(guān)感染引起的骨溶解及植入物松動(dòng)提供了新的思路。

1.1 通過(guò)改變植入物表面結(jié)構(gòu)抑制細(xì)菌黏附 細(xì)菌黏附于植入物表面是引發(fā)感染的始動(dòng)因素，也是最主要的步驟之一。因而，細(xì)菌的絕對(duì)零黏附是抗感染研究所追求的終極目標(biāo)[13]。血漿中的各類(lèi)蛋白，如白蛋白、纖維連接蛋白、纖維蛋白原、層粘連蛋白、膠原蛋白等，是最先與植入物表面接觸的宿主物質(zhì)[14-15]。而蛋白與細(xì)菌間的相互作用則是造成細(xì)菌黏附及生物膜形成的重要因素。因此，通過(guò)改變生物材料表面的理化特性或微觀形貌，從而降低植入物表面吸附的蛋白數(shù)量，成為了有效減少細(xì)菌黏附的策略之一[16]。事實(shí)上，已有大量研究[17-20]結(jié)果證實(shí)，通過(guò)構(gòu)建此類(lèi)蛋白抑制表面能有效抑制植入物表面的細(xì)菌黏附。

還有學(xué)者[21]認(rèn)為，具有高度親水性、高度水合、帶負(fù)電荷的材料表面在人體環(huán)境中有利于抑制細(xì)菌與其發(fā)生黏附。然而，該研究[21]同時(shí)發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)材料表面對(duì)宿主細(xì)胞的黏附生長(zhǎng)也帶來(lái)了負(fù)面影響，造成骨整合不良，若應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換的假體表面將導(dǎo)致假體早期的松動(dòng)以至失效。如何在抑制表面細(xì)菌黏附的同時(shí)，又促進(jìn)宿主細(xì)胞的骨整合，成為了學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)研究[22-24]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)鈦植入材料表面納米結(jié)構(gòu)化能有效抑制細(xì)菌的黏附，同時(shí)其納米級(jí)粗糙的表面有利于骨細(xì)胞長(zhǎng)入，促進(jìn)骨整合的發(fā)生。Peng等[25]通過(guò)陽(yáng)極氧化方法生成不同直徑的氧化鈦納米管涂層并檢測(cè)其成骨及抗菌特性，結(jié)果顯示，納米管的直徑越小，成骨細(xì)胞黏附效果越好，而對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制效果也越明顯。Lin等[26]利用類(lèi)似方法在植入物表面構(gòu)建氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)并負(fù)載其他抗菌物質(zhì)，結(jié)果亦顯示，在局部達(dá)到良好抗菌效果的同時(shí)也促進(jìn)了宿主細(xì)胞的骨整合。

1.2 制備裝載抗菌物質(zhì)的表面涂層 通過(guò)制備裝載抗菌物質(zhì)的的表面涂層，將植入物表面修飾成抗菌藥物緩釋系統(tǒng)，從而達(dá)到局部抗菌作用，已經(jīng)成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。相比抑制細(xì)菌表面黏附的策略，該策略的優(yōu)勢(shì)在于可以消滅病原體，從根源上消除感染。雖然現(xiàn)在仍無(wú)法通過(guò)這種方法覆蓋所有的病原微生物并完全避免未來(lái)感染的風(fēng)險(xiǎn)，但這類(lèi)抗感染涂層技術(shù)能確實(shí)有效降低發(fā)生圍術(shù)期及術(shù)后急性感染的風(fēng)險(xiǎn)，滿(mǎn)足絕大部分術(shù)者的預(yù)期要求。目前，抗菌涂層技術(shù)能裝載的抗菌物質(zhì)包括金屬元素(如銀、鋅、銅、鋯等)、非金屬元素(如氫、氯、硒等)、有機(jī)物(如抗生素、抗菌肽、殼聚糖等)以及他們的結(jié)合產(chǎn)物等。

1.2.1 抗感染金屬 大部分的金屬涂層都是以離子或納米結(jié)構(gòu)的形式發(fā)揮其抗菌性能，其中銀離子因其廣譜的抗菌活性及出色的生物相容性，而被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。銀離子從載體中溶出后,依靠庫(kù)侖引力與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜牢固結(jié)合，通過(guò)破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及細(xì)菌合成酶活性，影響細(xì)菌的正常繁殖、生長(zhǎng)、發(fā)育等過(guò)程，從而達(dá)到抗菌目的[27]。然而，另一方面，銀離子的細(xì)胞毒性也是研究者關(guān)注的一大重點(diǎn)，即便在微小劑量水平上發(fā)生變化也會(huì)影響周?chē)拗骷?xì)胞的生長(zhǎng)，并造成毒性物質(zhì)的堆積。因此，如何研制出一種既能維持良好抗菌性能又能降低甚至消除細(xì)胞毒性的銀離子涂層技術(shù)成為了目前研究的焦點(diǎn)。Cao等[28-31]通過(guò)離子注入技術(shù)在純鈦表面注入銀納米微粒(Ag NPs)，成功制備了納米銀表面改性材料(Ag-PⅢ)并進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該涂層不僅有效抑制金葡菌及大腸桿菌的生長(zhǎng)，同時(shí)促進(jìn)了類(lèi)成骨細(xì)胞MG63的增殖，在后續(xù)的動(dòng)物模型中，Ag-PⅢ涂層亦表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性及骨整合特性。研究者通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了銀離子抗菌性與骨整合特性間的相互作用，也證實(shí)了在體內(nèi)存在一個(gè)最佳的銀離子濃度，超過(guò)該濃度將對(duì)宿主細(xì)胞造成危害。

隨著銀抗菌特性的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的研究者[32-33]開(kāi)始關(guān)注未來(lái)細(xì)菌對(duì)銀產(chǎn)生的耐藥性問(wèn)題，于是銀離子的抗菌替代物在近期備受關(guān)注。銅和鋅作為微量金屬元素被發(fā)現(xiàn)也具備潛在的廣譜抗菌活性。有研究[34]發(fā)現(xiàn)，加入了鋅的植入物表面納米管結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)緩慢釋放，消滅大部分金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，并促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。此外，二氧化鈦涂層因其自身的潛在抗菌性也被單獨(dú)或結(jié)合其他物質(zhì)(如鋅等)應(yīng)用于植入物表面，亦取得良好效果[35-36]。Svensson等[37]于鈦表面制備了包含銀、金、鈀的納米結(jié)構(gòu)涂層，發(fā)現(xiàn)其有效抑制了金葡菌在植入物表面的黏附，同時(shí)不影響體內(nèi)骨整合的進(jìn)行。此類(lèi)結(jié)合多種抗菌物質(zhì)的涂層策略不僅具有更廣的抗菌譜及更強(qiáng)的抗感染能力，同時(shí)還能有效減緩細(xì)菌耐藥的進(jìn)程，為獲取長(zhǎng)期的抗菌效果提供了可能。Fielding等[38]于羥基磷灰石涂層中加入銀和鍶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出較高的抗菌性，且植入1周后仍能檢測(cè)到陰離子的釋放，同時(shí)，成骨細(xì)胞的增殖及堿性磷酸酶的增加也提示結(jié)合了抗感染金屬的羥基磷灰石涂層有助于骨整合的發(fā)生。

1.2.2 非金屬類(lèi)元素 非金屬元素如氫、氯、碘、氧等因具備抗感染特性而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但由于其一定的柔軟性及脆性，很少被應(yīng)用于骨科植入物表面抗感染涂層的制備中。硒能催化超氧陰離子自由基的形成，從而抑制細(xì)菌的黏附及活性。Yue等[39]將硒通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合在鈦或鈦合金植入物表面并探究其抗菌特性，結(jié)果表明該涂層能有效防止金黃葡菌及表皮葡菌的黏附，且不影響成骨細(xì)胞的活性。此外，其他關(guān)于應(yīng)用碳物質(zhì)如石墨烯或碳納米管制備抗菌涂層的相關(guān)研究[40]仍在進(jìn)行中。

1.2.3 有機(jī)物 在制備植入物抗菌涂層的眾多策略中，最常見(jiàn)的即在植入物表面將抗生素通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合或是載體負(fù)載的形式構(gòu)建局部的抗生素釋放系統(tǒng)[41-43]，不僅提高了手術(shù)部位的抗生素濃度，降低了感染風(fēng)險(xiǎn)，且大大避免了全身應(yīng)用抗生素所帶來(lái)的毒副作用。Lin等[26]制備并對(duì)負(fù)載慶大霉素的氧化鈦納米管表面涂層進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示出其具有較強(qiáng)抗菌性能，同時(shí)與未涂層鈦板相比，它還顯著促進(jìn)了成骨細(xì)胞的增殖、分化及黏附。然而，應(yīng)用此類(lèi)涂層亦存在一定的限制，即植入物所負(fù)載的抗生素往往只針對(duì)某種特定的菌群，而且如共價(jià)鍵這類(lèi)牢固的結(jié)合力通常對(duì)外部刺激不夠敏感，從而影響抗生素的釋放[44]。為解決這一問(wèn)題，抗菌肽、殼聚糖等分子及復(fù)合物開(kāi)始被應(yīng)用于抗菌涂層的制備中。

與抗生素類(lèi)似，抗菌肽通過(guò)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜及抑制蛋白的合成發(fā)揮其抗菌作用，而其抗菌譜卻遠(yuǎn)廣于單一抗生素。Kazemzadeh-Narbat等[45-46]將抗菌肽與具備骨傳導(dǎo)特性的磷酸鈣相結(jié)合制備成表面抗菌涂層，并構(gòu)建兔脛骨骨折模型進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)磷酸鈣涂層釋放的Tet213與HHC36抗菌肽對(duì)金黃葡菌及銅綠假單胞菌有顯著的抗菌作用，在幾小時(shí)內(nèi)幾乎消滅了所有細(xì)菌。此外，磷酸鈣抗菌肽涂層顯著促進(jìn)了植入物表面與骨界面的結(jié)合，與空白組相比，涂層組兔成骨細(xì)胞的黏附效果更好，為證實(shí)其良好的骨整合特性提供了有力證據(jù)。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，抗菌肽又通過(guò)磷脂覆蓋劑與二氧化鈦納米管磷酸鈣涂層結(jié)合，將釋放時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)日，達(dá)到了藥物緩釋的效果。研究[47]還發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌對(duì)抗菌肽產(chǎn)生耐藥的頻率要顯著低于一般抗生素，極大程度上彌補(bǔ)了單一抗生素易出現(xiàn)耐藥的缺陷。

殼聚糖是一種兼具殺菌和成骨作用增強(qiáng)雙重特性[48-49]的多聚陽(yáng)離子多糖。殼聚糖通常與成骨誘導(dǎo)劑如RGD配體相結(jié)合，制備成復(fù)合涂層并應(yīng)用于骨科的植入物中。Chua等[50]將RGD修飾后的殼聚糖逐層沉積于鈦基表面制成涂層，并評(píng)價(jià)其成骨功能及細(xì)菌吸附情況，發(fā)現(xiàn)殼聚糖涂層可使鈦金屬表面的細(xì)菌黏附減少67%～85%，有較好的抗菌能力，同時(shí)RGD配體亦提高了成骨細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)。Lin等[51]在先前研究基礎(chǔ)上，將季銨化的殼聚糖負(fù)載于植入物表面的氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)中，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果亦表現(xiàn)出顯著的抗菌性及良好的成骨細(xì)胞生物相容性。此外，殼聚糖還能與其他抗菌物質(zhì)結(jié)合，提升其抗感染性。例如將殼聚糖制備成負(fù)載萬(wàn)古霉素的載藥涂層[52]，或者殼聚糖的納米顆粒用作負(fù)載環(huán)丙沙星[53]等。生物活性玻璃是一種骨科常用的、合成可降解的陶瓷材料，在體能溶解后能提供表面磷灰石層，從而促進(jìn)成骨[54-55]。然而其本身的抗菌性十分有限。Ordikhani等[56]將負(fù)載抗生素的殼聚糖與生物活性玻璃結(jié)合，制備成植入物表面抗菌涂層，結(jié)果顯示，釋放的抗生素有效抑制了金黃色葡萄球菌且維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4周，同時(shí)生物活性玻璃又促進(jìn)了磷酸鈣礦物沉積及成骨細(xì)胞黏附，骨整合良好。總的來(lái)說(shuō)，殼聚糖載體既能抑制細(xì)菌黏附，又能結(jié)合其他抗菌或誘導(dǎo)成骨物質(zhì)作為藥物載體，是一種較為理想的植入物涂層材料。

1.3 免疫調(diào)節(jié)治療 免疫調(diào)節(jié)治療是一種不同于傳統(tǒng)抗菌涂層的治療策略，植入材料進(jìn)入體內(nèi)后通過(guò)激活一系列持續(xù)可控的免疫應(yīng)答反應(yīng)，從而加速組織再生[57]，并間接起到抗感染的作用。這種方法與傳統(tǒng)抗菌涂層直接作用于病原微生物相比，能產(chǎn)生更長(zhǎng)期、廣譜的抗菌效果，從而大大降低感染所導(dǎo)致的骨溶解及植入物松動(dòng)的發(fā)生概率。然而，對(duì)自身免疫系統(tǒng)的長(zhǎng)期慢性刺激易導(dǎo)致宿主膿毒血癥的發(fā)生[58]。因此，對(duì)免疫應(yīng)答的精細(xì)調(diào)控并使之維持在局部顯得尤為關(guān)鍵。LL-37是一種抗菌肽，其本身對(duì)金黃色葡萄球菌沒(méi)有特定的抗菌性，但當(dāng)其進(jìn)入體內(nèi)后卻能通過(guò)激活Toll樣受體調(diào)節(jié)自身免疫反應(yīng)，同時(shí)控制炎性反應(yīng)的發(fā)生，從而防止金黃色葡萄球菌和沙門(mén)菌的感染[59-60]。如今，除去抗菌肽本身所具備的抗菌特性，學(xué)者[61]開(kāi)始關(guān)注其在參與免疫調(diào)節(jié)中所起到的調(diào)控作用，免疫調(diào)節(jié)治療也為骨科植入物的抗感染修飾提供了新的思路。

1.4 “智能”涂層 在許多制備裝載抗生素的涂層過(guò)程中，都存在一個(gè)棘手的問(wèn)題，即藥物的突然釋放現(xiàn)象，局部突然升高的藥物濃度不僅對(duì)宿主細(xì)胞造成毒性，還大大縮短了抗菌涂層的作用時(shí)效。所謂“智能”涂層是指涂層裝載的抗菌藥物因?qū)δ承┬盘?hào)如細(xì)菌的出現(xiàn)敏感而產(chǎn)生生物應(yīng)答，隨后觸發(fā)釋放[45,62-63]。由于抗菌藥物只有特定情況下才會(huì)被激活釋放，因此這種治療策略能有效延緩細(xì)菌產(chǎn)生耐藥的進(jìn)程，且顯著增加了抗菌涂層的作用時(shí)間。Pornpattananangkul等[64]對(duì)脂質(zhì)體進(jìn)行修飾后，發(fā)現(xiàn)其在“感應(yīng)”到金黃色葡萄球菌分泌的毒素后能釋放出有效載荷的抗生素，從而達(dá)到抗菌的效果。在制備“智能”涂層過(guò)程中，最重要的就是對(duì)微生物相關(guān)信號(hào)高度敏感的傳感器，其接受的信號(hào)包括pH值、溫度、電荷變化及機(jī)械化學(xué)變化等。因此，如何制備一個(gè)高敏感性、大負(fù)載容量、生物相容性良好的“智能”涂層成為目前最大的挑戰(zhàn)[65]。同時(shí)，若能將“智能”涂層與其他抗菌涂層相結(jié)合，制備成一種復(fù)合涂層，則其既能通過(guò)抗生素的突然釋放應(yīng)對(duì)突發(fā)的急性感染，又能通過(guò)緩慢的觸發(fā)釋放治療局部的慢性感染，無(wú)疑將為日后的相關(guān)研究提供新的策略。

1.5 3D打印涂層 近些年，隨著3D打印技術(shù)的日益成熟及其工藝在靈活性與精度方面的不斷完善，研究者[66]開(kāi)始嘗試用3D打印技術(shù)定制具有促進(jìn)骨整合特性的骨科植入物涂層。Regis等[67]通過(guò)電子束熔融技術(shù)制備了3D打印的具有六邊形介孔骨小梁結(jié)構(gòu)鈦涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該涂層顯著增強(qiáng)了體外人體脂肪干細(xì)胞及成骨細(xì)胞的成骨活性，且涂層后的髖臼杯在臨床研究中表現(xiàn)出較強(qiáng)的骨整合能力。Inzana等[68]則將利福平與萬(wàn)古霉素負(fù)載于3D打印的表面磷酸鈣支架上制成涂層，用于治療小鼠模型中的植入物相關(guān)骨髓炎，結(jié)果顯示出良好的抗感染性，顯著改善了植入物相關(guān)骨髓炎的病情進(jìn)展。3D打印涂層因其可“私人訂制”的特點(diǎn)，優(yōu)良的骨整合特性及生物相容性，在骨科植入物表面抗感染修飾領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的前景。

2 促進(jìn)植入物表面骨整合的其他相關(guān)策略

在對(duì)植入物表面進(jìn)行修飾預(yù)防感染的同時(shí)，為防止由于骨長(zhǎng)入不良、植入物微動(dòng)或磨損顆粒的形成等因素所導(dǎo)致后期植入物松動(dòng)的發(fā)生，研究者們經(jīng)過(guò)不斷嘗試與探索，亦取得了較大進(jìn)展。如上文中所提到的，通過(guò)將具有良好骨傳導(dǎo)性的磷酸鈣與其他抗菌物質(zhì)相結(jié)合所制備而成的表面涂層，或是在植入物表面構(gòu)建如氧化鈦納米管等多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加植入物-骨界面的接觸面積及摩擦系數(shù)，從而促進(jìn)骨整合的發(fā)生。

對(duì)于關(guān)節(jié)置換而言，植入物與骨界面間存在間隙是造成假體微動(dòng)并最終導(dǎo)致無(wú)菌性松動(dòng)的重要原因。針對(duì)這一影響因素，一種由可變形彈性金屬等構(gòu)成的、可以根據(jù)植入物周?chē)g隙做出擴(kuò)張伸展變化從而產(chǎn)生更多植入物-骨界面直接接觸的“間隙橋接涂層”應(yīng)運(yùn)而生。 Fournier等[69]將鎳鈦合金鋼絲編織成多孔彈性結(jié)構(gòu)，通過(guò)釬焊法將其附著在植入物表面從而制成“間隙橋接涂層”。當(dāng)其擴(kuò)張時(shí)，涂層厚度可達(dá)750 μm，足以橋接植入物周?chē)拈g隙。與普通鈦合金涂層對(duì)比顯示，其在相同的炎性反應(yīng)及纖維組織形成條件下表現(xiàn)出更多更顯著的骨長(zhǎng)入。Fournier等[69]推測(cè)可能是該涂層持續(xù)作用在周?chē)巧舷蛲獾淖饔昧Υ偈沽斯侵亟?，從而促進(jìn)了植入物的骨整合。

理想的骨科植入物不僅應(yīng)具備良好的骨長(zhǎng)入能力，同時(shí)也需要?jiǎng)訂T新骨(骨誘導(dǎo))沉積于假體表面從而形成無(wú)縫的骨-植入物界面以加速并牢固其固定過(guò)程。因此越來(lái)越多的生物活性分子也開(kāi)始被添加應(yīng)用到植入物表面涂層中，使之具備骨誘導(dǎo)的能力。目前，應(yīng)用最廣泛的是骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，其作為一種有效的成骨生長(zhǎng)因子，可嫁接于其他抗菌涂層如殼聚糖等從而起到骨誘導(dǎo)作用[70]。Lee等[71]人以生物分子肝素為載體，制備了可緩慢釋放BMP-2的抗菌涂層，在取得良好抗菌性的同時(shí)，較長(zhǎng)效地促進(jìn)了礦物質(zhì)沉積及ALP活性。此外，在骨誘導(dǎo)研究領(lǐng)域，一些全新的策略也被逐漸運(yùn)用到制備植入物表面涂層的過(guò)程之中，如通過(guò)結(jié)合并釋放特定的信號(hào)因子(如SDF-1)從而起到募集成骨細(xì)胞的作用[72]，為增強(qiáng)植入物的骨整合性提供了新的思路。

3 小 結(jié)

隨著骨科疾病發(fā)病率的逐年遞增，骨科植入物的應(yīng)用也越發(fā)廣泛，而感染與無(wú)菌性松動(dòng)則是導(dǎo)致內(nèi)固定或假體松動(dòng)失效，需行清創(chuàng)翻修手術(shù)的最主要原因。筆者認(rèn)為，未來(lái)理想的植入物表面涂層，應(yīng)該是一種結(jié)合多種不同技術(shù)或策略的多功能涂層，例如在氧化鈦納米管上負(fù)載抗菌或免疫調(diào)節(jié)物質(zhì)，或是負(fù)載成骨誘導(dǎo)物質(zhì)及其他抗菌劑的“智能復(fù)合涂層”等，從而在達(dá)到長(zhǎng)期、短期抗感染效果的同時(shí)，起到促進(jìn)周?chē)钦系淖饔谩?/p>

盡管目前各類(lèi)相關(guān)研究較多并取得了初步成果，但絕大多數(shù)仍集中于體外試驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段。植入物表面的抗感染修飾是一個(gè)需聯(lián)合材料學(xué)、藥學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容，其轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)也涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)、法醫(yī)學(xué)及生物技術(shù)等多方面問(wèn)題，唯有通過(guò)政府、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、醫(yī)療保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等多方面的協(xié)同努力，才能使患者真正受益于此[73]。相信在不久的將來(lái)，骨科植入物表面的抗感染修飾能為臨床預(yù)防或治療植入物相關(guān)感染做出巨大的貢獻(xiàn)。

[ 1 ] CDC.National hospital discharge survey[EB/OL].[2015-8].http://www.cdc.gov/ nchs/fastats/inpatient-surgery.htm.

[ 2 ] KURTZ S, MOWAT F, ONG K, et al.Prevalence of primary and revision total hip and knee arthroplasty in the United States from 1990 through 2002 [J].J Bone Joint Surg Am, 2005, 87(7): 1487-1497.

[ 3 ] LENTINO J R.Prosthetic joint infections: bane of orthopedists, challenge for infectious disease specialists [J].Clin Infect Dis, 2003, 36(9): 1157-1161.

[ 4 ] SUNDFELDT M, CARLSSON L V, JOHANSSON C B, et al.Aseptic loosening, not only a question of wear: a review of different theories [J].Acta Orthop, 2006, 77(2): 177-197.

[ 5 ] ZHAO L, CHU P K, ZHANG Y, et al.Antibacterial coatings on titanium implants [J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2009, 91(1): 470-480.

[ 6 ] CAMPOCCIA D, MONTANARO L, ARCIOLA C R.A review of the biomaterials technologies for infection-resistant surfaces [J].Biomaterials, 2013, 34(34): 8533-8554.

[ 7 ] COSTA F, CARVALHO I F, MONTELARO R C, et al.Covalent immobilization of antimicrobial peptides (AMPs) onto biomaterial surfaces [J].Acta Biomater, 2011, 7(4): 1431-1440.

[ 8 ] KNETSCH M L W, KOOLE L H.New strategies in the development of antimicrobial coatings: the example of increasing usage of silver and silver nanoparticles [J].Polymers, 2011, 3(4): 340-366.

[ 9 ] SIMCHI A, TAMJID E, PISHBIN F, et al.Recent progress in inorganic and composite coatings with bactericidal capability for orthopaedic applications [J].Nanomedicine, 2011, 7(1): 22-39.

[10] 曹 聰,李寶娥,劉宣勇,等.骨科植入物表面抗感染修飾研究進(jìn)展[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2009,29(3):353-357.

[11] GOODMAN S B, YAO Z, KEENEY M, et al.The future of biologic coatings for orthopaedic implants [J].Biomaterials, 2013, 34(13): 3174-3183.

[12] WENNERBERG A, ALBREKTSSON T.Effects of titanium surface topography on bone integration: a systematic review [J].Clin Oral Implants Res, 2009, 20 Suppl 4:172-184.

[13] VON EIFF C, KOHNEN W, BECKER K, et al.Modern strategies in the prevention of implant-associated infections [J].Int J Artif Organs, 2005, 28(11): 1146-1156.

[14] WAGNER C, AYTAC S, HANSCH G M.Biofilm growth on implants: bacteria prefer plasma coats [J].Int J Artif Organs, 2011, 34(9): 811-817.

[15] VADILLO-RODRGUEZ V, PACHA-OLIVENZA M A, GNZALEZ-MART N M, et al.Adsorption behavior of human plasma fibronectin on hydrophobic and hydrophilic Ti6Al4V substrata and its influence on bacterial adhesion and detachment [J].J Biomed Mater Res A, 2013, 101(5): 1397-1404.

[16] YEO I S, KIM H Y, LIM K S, et al.Implant surface factors and bacterial adhesion: a review of the literature [J].Int J Artif Organs, 2012, 35(10): 762-772.

[17] RIBEIRO M, MONTEIRO F J, FERRAZ M P.Infection of orthopedic implants with emphasis on bacterial adhesion process and techniques used in studying bacterial-material interactions [J].Biomatter, 2012, 2(4): 176-194.

[18] HARVEY A G, HILL E W, BAYAT A.Designing implant surface topography for improved biocompatibility [J].Expert Rev Med Devices, 2013, 10(2): 257-267.

[19] LU T, QIAO Y, LIU X.Surface modification of biomaterials using plasma immersion ion implantation and deposition [J].Interface Focus, 2012, 2(3): 325-336.

[20] BACAKOVA L, FILOVA E, PARIZEK M, et al.Modulation of cell adhesion, proliferation and differentiation on materials designed for body implants [J].Biotechnol Adv, 2011, 29(6): 739-767.

[21] ROJO L, BARCENILLA J M, VZQUEZ B, et al.Intrinsically antibacterial materials based on polymeric derivatives of eugenol for biomedical applications [J].Biomacromolecules, 2008, 9(9): 2530-2535.

[22] ANSELME K, DAVIDSON P, POPA A M, et al.The interaction of cells and bacteria with surfaces structured at the nanometre scale [J].Acta Biomater, 2010, 6(10): 3824-3846.

[23] FOKA A, KATSIKOGIANNI M G, ANASTASSIOU E D, et al.The combined effect of surface chemistry and flow conditions on Staphylococcus epidermidis adhesion and ica operon expression [J].Eur Cell Mater, 2012, 24:386-402.

[24] NORMAN T M, LORD N D, PAULSSON J, et al.Memory and modularity in cell-fate decision making [J].Nature, 2013, 503(7477): 481-486.

[25] PENG Z, NI J, ZHENG K, et al.Dual effects and mechanism of TiO2 nanotube arrays in reducing bacterial colonization and enhancing C3H10T1/2 cell adhesion [J].Int J Nanomedicine, 2013, 8:3093-3105.

[26] LIN W T, TAN H L, DUAN Z L, et al.Inhibited bacterial biofilm formation and improved osteogenic activity on gentamicin-loaded titania nanotubes with various diameters [J].Int J Nanomedicine, 2014, 9:1215-1230.

[27] CHERNOUSOVA S, EPPLE M.Silver as antibacterial agent: ion, nanoparticle, and metal [J].Angew Chem Int Ed Engl, 2013, 52(6): 1636-1653.

[28] CAO H, LIU X, MENG F, et al.Biological actions of silver nanoparticles embedded in titanium controlled by micro-galvanic effects [J].Biomaterials, 2011, 32(3): 693-705.

[29] CAO H, CUI T, JIN G, et al.Cellular responses to titanium successively treated by magnesium and silver PⅢ&D [J].Surf Coat Tech, 2014, 256: 9-14.

[30] CAO H, QIAO Y, LIU X, et al.Electron storage mediated dark antibacterial action of bound silver nanoparticles: smaller is not always better [J].Acta Biomater, 2013, 9(2): 5100-5110.

[31] QIAO S, CAO H, ZHAO X, et al.Ag-plasma modification enhances bone apposition around titanium dental implants: an animal study in Labrador dogs [J].Int J Nanomedicine, 2015, 10:653-664.

[32] LEMIRE J A, HARRISON J J, TURNER R J.Antimicrobial activity of metals: mechanisms, molecular targets and applications [J].Nat Rev Microbiol, 2013, 11(6): 371-384.

[33] GRASS G, RENSING C, SOLIOZ M.Metallic copper as an antimicrobial surface [J].Appl Environ Microbiol, 2011, 77(5): 1541-1547.

[34] HU H, ZHANG W, QIAO Y, et al.Antibacterial activity and increased bone marrow stem cell functions of Zn-incorporated TiO2coatings on titanium [J].Acta Biomater, 2012, 8(2): 904-915.

[35] ARENAS M A, PéREZ-JORGE C, CONDE A, et al.Doped TiO2anodic layers of enhanced antibacterial properties [J].Colloids Surf B Biointerfaces, 2013, 105:106-112.

[36] XIA W, GRANDFIELD K, HOESS A, et al.Mesoporous titanium dioxide coating for metallic implants [J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2012, 100(1): 82-93.

[37] SVENSSON S, SUSKA F, EMANUELSSON L, et al.Osseointegration of titanium with an antimicrobial nanostructured noble metal coating [J].Nanomedicine, 2013, 9(7): 1048-1056.

[38] FIELDING G A, ROY M, BANDYOPADHYAY A, et al.Antibacterial and biological characteristics of silver containing and strontium doped plasma sprayed hydroxyapatite coatings [J].Acta Biomater, 2012, 8(8):3144-3152.

[39] YUE C, KUIJER R, KAPER H J, et al.Simultaneous interaction of bacteria and tissue cells with photocatalytically activated, anodized titanium surfaces [J].Biomaterials, 2014, 35(9): 2580-2587.

[41] SCHMIDMAIER G, LUCKE M, WILDEMANN B, et al.Prophylaxis and treatment of implant-related infections by antibiotic-coated implants: a review [J].Injury, 2006, 37 Suppl 2:S105-S112.

[42] FEI J, LIU G D, PAN C J, et al.Preparation, release profiles and antibacterial properties of vancomycin-loaded Ca-P coating titanium alloy plate [J].J Mater Sci Mater Med, 2011, 22(4): 989-995.

[43] NEUT D, DIJKSTRA R J, THOMPSON J I, et al.A gentamicin-releasing coating for cementless hip prostheses-Longitudinal evaluation of efficacy usinginvitrobio-optical imaging and its wide-spectrum antibacterial efficacy [J].J Biomed Mater Res A, 2012, 100(12): 3220-3226.

[44] SHCHUKIN D, M?HWALD H.Materials science.A coat of many functions [J].Science, 2013, 341(6153): 1458-1459.

[45] KAZEMZADEH-NARBAT M, NOORDIN S, MASRI B A, et al.Drug release and bone growth studies of antimicrobial peptide-loaded calcium phosphate coating on titanium [J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2012, 100(5): 1344-1352.

[46] KAZEMZADEH-NARBAT M, KINDRACHUK J, DUAN K, et al.Antimicrobial peptides on calcium phosphate-coated titanium for the prevention of implant-associated infections [J].Biomaterials, 2010, 31(36): 9519-9526.

[47] DOBSON A J, PURVES J, KAMYSZ W, et al.Comparing selection on S.aureus between antimicrobial peptides and common antibiotics [J].PloS one, 2013, 8(10): e76521.

[48] RAAFAT D, VON BARGEN K, HAAS A, et al.Insights into the mode of action of chitosan as an antibacterial compound [J].Appl Environ Microbiol, 2008, 74(12): 3764-3773.

[49] RABEA E I, BADAWY M E, STEVENS C V, et al.Chitosan as antimicrobial agent: applications and mode of action [J].Biomacromolecules, 2003, 4(6): 1457-1465.

[50] CHUA P H, NEOH K G, KANG E T, et al.Surface functionalization of titanium with hyaluronic acid/chitosan polyelectrolyte multilayers and RGD for promoting osteoblast functions and inhibiting bacterial adhesion [J].Biomaterials, 2008, 29(10): 1412-1421.

[51] LIN W T, ZHANG Y Y, TAN H L, et al.Inhibited bacterial adhesion and biofilm formation on quaternized chitosan-loaded titania nanotubes with various diameters [J].Materials, 2016, 9(3):155.

[52] ORDIKHANI F, TAMJID E, SIMCHI A.Characterization and antibacterial performance of electrodeposited chitosan-vancomycin composite coatings for prevention of implant-associated infections [J].Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2014, 41:240-248.

[53] MATTIOLI-BELMONTE M, COMETA S, FERRETTI C, et al.Characterization and cytocompatibility of an antibiotic/chitosan/cyclodextrins nanocoating on titanium implants [J].Carbohydr Polym, 2014, 110:173-182.

[54] JONES J R.Reprint of: Review of bioactive glass: From Hench to hybrids [J].Acta Biomater, 2015, 23 Suppl: S53-S82.

[55] HENCH L L.The story of Bioglass [J].J Mater Sci Mater Med, 2006, 17(11): 967-978.

[56] ORDIKHANI F, SIMCHI A.Long-term antibiotic delivery by chitosan-based composite coatings with bone regenerative potential [J].Appl Sur Sci, 2014, 317:56-66.

[57] FRANZ S, RAMMELT S, SCHARNWEBER D, et al.Immune responses to implants - a review of the implications for the design of immunomodulatory biomaterials [J].Biomaterials, 2011, 32(28): 6692-6709.

[58] OBERHOLZER A, OBERHOLZER C, MOLDAWER L L.Sepsis syndromes: understanding the role of innate and acquired immunity [J].Shock, 2001, 16(2): 83-96.

[59] BOWDISH D M, DAVIDSON D J, LAU Y E, et al.Impact of LL-37 on anti-infective immunity [J].J Leukoc Biol, 2005, 77(4): 451-459.

[60] SCOTT M G, DULLAGHAN E, MOOKHERJEE N, et al.An anti-infective peptide that selectively modulates the innate immune response [J].Nat Biotechnol, 2007, 25(4): 465-472.

[61] HILCHIE A L, WUERTH K, HANCOCK R E.Immune modulation by multifaceted cationic host defense (antimicrobial) peptides [J].Nat Chem Biol, 2013, 9(12): 761-768.

[62] YU Q, CHO J, SHIVAPOOJA P, et al.Nanopatterned smart polymer surfaces for controlled attachment, killing, and release of bacteria [J].ACS Appl Mater Interfaces, 2013, 5(19): 9295-9304.

[63] PARVIZI J, ANTOCI V J R, HICKOK N J, et al.Selfprotective smart orthopedic implants [J].Expert Rev Med Devices, 2007, 4(1): 55-64.

[64] PORNPATTANANANGKUL D, ZHANG L, OLSON S, et al.Bacterial toxin-triggered drug release from gold nanoparticle-stabilized liposomes for the treatment of bacterial infection [J].J Am Chem Soc, 2011, 133(11): 4132-4139.

[65] ZHAO X, MENG G, HAN F, et al.Nanocontainers made of various materials with tunable shape and size [J].Sci Rep, 2013, 3:2238.

[66] BANDYOPADHYAY A, BOSE S, DAS S, et al.3D printing of biomaterials [J].MRS Bull, 2015, 40(2): 108-115.

[67] REGIS M, MARIN E, FEDRIZZI L.Additive manufacturing of Trabecular Titanium orthopedic implants [J].Mrs Bulletin, 2015, 40(2): 137-144.

[68] INZANA J A, TROMBETTA R P, SCHWARZ E M, et al.3D printed bioceramics for dual antibiotic delivery to treat implant-associated bone infection [J].Eur Cell Mater, 2015, 30:232-247.

[69] FOURNIER E, DEVANEY R.Superelastic Orthopedic Implant Coatings [J].J Mater Eng Perform, 2014, 23(7):2464-2470.

[70] SHI Z, NEOH K G, KANG E T, et al.Surface Functionalization of Titanium with Carboxymethyl Chitosan and Immobilized Bone Morphogenetic Protein-2 for Enhanced Osseointegration [J].Biomacromolecules, 2009, 10(6):1603-1611.

[71] LEE D W, YUN Y P, PARK K, et al.Gentamicin and bone morphogenic protein-2 (BMP-2)-delivering heparinized-titanium implant with enhanced antibacterial activity and osteointegration [J].Bone, 2012, 50(4):974-982.

[72] ZWINGENBERGER S, YAO Z, JACOBI A, et al.Enhancement of BMP-2 induced bone regeneration by SDF-1a mediated stem cell recruitment [J].Tissue Eng Part A, 2014, 20(3-4):810-818.

[73] GRAINGER D W, VAN DER MEI H C, JUTTE P C, et al.Critical factors in the translation of improved antimicrobial strategies for medical implants and devices [J].Biomaterials, 2013, 34(37): 9237-9243.

[本文編輯] 葉 婷， 曉 路

Advances in surface modification of orthopaedic implants for anti-infection and osseointegration

HAN Jing， YANG Yi， ZHANG Chi*， YAO Zhen-jun

Department of Orthopedics， Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

The two leading causes of failure for joint arthroplasty prostheses or internal fixation are implant-associated infection and aseptic loosening, which have been great challenges for orthopaedic surgeons.Since strong osseointegration and prevention of infection are both required to achieve long-term success of the implant, in this review we discuss recent progress in surface modification of orthopaedic implants that can inhibit microbial cells, as well as related strategies of promoting osseointegration, and provide innovation for future researches.

orthopaedic implants; antimicrobial treatments; surface modification; osseointegration

2016-07-26 [接受日期] 2016-12-13

韓 倞，碩士生.E-mail: hanjing0325@163.com

*通信作者(Corresponding author).Tel: 021-64041990, E-mail: zhang.chi@aliyun.com

10.12025/j.issn.1008-6358.2017.20160763

R 628

A