醫(yī)用鉭類植入物抗菌性能研究進展

張 一，方 均(綜述)，王 茜，王志強*(審校)

(1.華北理工大學附屬醫(yī)院骨科，河北 唐山 063000；2.河北省唐山市第二醫(yī)院手外科，河北 唐山 063000；3.華北理工大學基礎醫(yī)學院，河北 唐山 063000)

鉭金屬由于其穩(wěn)定的理化性質、優(yōu)良的生物力學性質[1]、無毒性以及良好生物整合能力[2-3]被廣泛應用于組織缺損的替代中。然而，隨著醫(yī)用植入物的廣泛應用，術后感染是不可完全避免的[4-5]。植入物周圍相關感染的發(fā)生不僅意味著手術失敗，而且感染的后果對患者來說可能是致命的。近期，一篇臨床報道再次刷新人們對醫(yī)用鉭植入物性能的認識。Tokarski等[6]發(fā)現(xiàn)在966例接受了全髖置換的患者中，使用醫(yī)用鉭髖臼組件術后發(fā)生感染的風險較低。猜測可能是鉭本身具有抗菌性能所致。醫(yī)用鉭類植入物類型很多，是否都因鉭的存在而具有抗菌性能，其抗菌機制尚不明確。本文首先對目前存在的醫(yī)用鉭類植入物進行分類，并對其特性進行總結，再針對不同類型醫(yī)用鉭類植入物的抗菌性能及抗菌機制進行綜述，為醫(yī)用鉭類植入物的進一步開發(fā)以及臨床應用提供理論指導。

1 醫(yī)用鉭類植入物的分類及特性

隨著人們對鉭金屬性質認識的加深，不同類型的醫(yī)用鉭植入物被制造出來，并逐步走向臨床。根據(jù)醫(yī)用鉭類植入物組分構成形式不同可以將其大致分為純鉭植入物、氧化鉭相關植入物、鉭基植入物、鉭涂層植入物以及鉭相關合金植入物。純鉭植入物，顧名思義，即醫(yī)用植入材料由純鉭構成。根據(jù)表面結構不同又可以分為多孔鉭和無孔鉭。多孔鉭由于其與人體骨骼相似的彈性模量以及組織整合能力被更廣泛的使用[7]。氧化鉭相關植入物指含有氧化鉭成分的醫(yī)用植入物，氧化鉭由于其極為穩(wěn)定的性質越來越多的被用作醫(yī)用植入材料的組分中。鉭基植入物與鉭涂層植入物相對應，前者是以鉭作醫(yī)用植入物基材從而以不同涂層材料賦予其不同的特性，后者則多利用多孔鉭作為其他基材的涂層，從而起到載藥緩釋、促進組織材料一體化等作用。為了使鉭植入物的性質更加完善，更加符合臨床需要，鉭合金的開發(fā)也逐漸趨向常態(tài)化，例如在鉭中合理比例摻入適量金屬銅構成鉭銅合金，此合成材料可以在保證良好生物相容性的同時使鉭植入物具有更強的抗菌性能及更低的摩擦系數(shù)，成為潛力型復合材料。具體分類方式以及不同材料的特點匯總見表1。

2 抗菌性能及抗菌機制研究(表2)

2.1純鉭類抗菌性能 人們對純鉭類醫(yī)用植入物研究較多的是其驚人的組織整合能力，以及優(yōu)良的生物學特性，對其抗菌性能的研究較少。傳統(tǒng)觀點認為鉭金屬不具有與銀、銅等相同的廣譜抗菌性能。原因是鉭化學性質穩(wěn)定，即便在體內也不易于解離出鉭離子，因此認為其不具有抗菌性能。Tokarski等[6]最早發(fā)現(xiàn)純鉭類醫(yī)用植入物可能具有抗菌性能，通過臨床療效分析發(fā)現(xiàn)同樣是多孔結構的髖臼鉭件假體能夠降低術后感染率。這使人們對鉭的性能有了新的認識，抗菌性能也與純鉭植入物相聯(lián)系起來。

表1 醫(yī)用鉭類植入物的分類及特點

人們大膽猜測術后感染率降低的原因可能有以下幾點：首先，眾所周知鉭具有良好的骨整合能力，正是因為其強大的整合能力使植入物周圍骨組織迅速整合至鉭表面，形成密封層，從而使細菌不易黏附。其次，查閱相關資料可知，細菌的黏附作用于接觸面的粗糙程度以及親水性等因素密切相關，多孔鉭表面的三維多孔結構以及鉭表面理化性質可能是影響其抗菌性能的另一個因素。再者，鉭作為一種元素是否本身就具有抗菌性能仍不清楚?；趲追N猜想，人們展開了對純鉭植入物抗菌性能的實驗。Harrison等[28]將金黃色葡萄球菌與表皮葡萄球菌分別接種到等量髖臼鉭件與髖臼鈦件上，通過培養(yǎng)后細菌涂板計數(shù)的方式比較細菌黏附差異，結果發(fā)現(xiàn)，鉭件并未表現(xiàn)出顯著的抗細菌黏附的能力。Schildhauer等[29]同樣通過體外抗菌實驗比較了純鈦與其他醫(yī)用植入物之間細菌黏附率差異，結果發(fā)現(xiàn)雖然純鈦和噴砂不銹鋼的金黃色葡萄球菌黏附率高于純鉭，但差異無統(tǒng)計學意義。通過體外實驗的探究可以得出大致的結論，即純鉭醫(yī)用植入物在體外無明顯抗菌性能。那么可以大致認為其體內降低臨床感染率的原因依舊與其良好的骨整合作用密切相關。

2.2氧化鉭相關類抗菌性能 純鉭金屬幾乎不溶于所有有機酸，其優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好生物相容性均與其表面形成的氧化鉭薄膜有密不可分的關系?？梢哉J為氧化鉭擁有比純鉭更全面的性能。隨著人們對光催化劑的認識，某些金屬氧化物也因其光催化性而具備了一定的抗菌作用，其中最具代表性的是TiO2[30]。據(jù)有關報導稱氧化鉭作為一種帶隙為3.9 eV,介電常數(shù)為25的氧化物同樣具有一定的光催化性能[31]。此類氧化物在一定光譜光的激發(fā)下會促使電子躍遷，產(chǎn)生的空穴與水發(fā)生氧化反應生成氫氧自由基，躍遷的電子與氧氣發(fā)生還原反應生成超氧陰離子，而超氧陰離子繼續(xù)與水反應產(chǎn)生單線態(tài)氧。所產(chǎn)生的三種新生物質被叫做活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),正是由于ROS的產(chǎn)生導致細菌發(fā)生氧化應激反應，破壞細菌的細胞壁及細胞膜使細菌失活[32-33]。正是由于氧化鉭穩(wěn)定的理化性質以及一定的光催化作用，其逐漸被作為各種醫(yī)用植入物的組分廣泛應用。Ding等[10]為了改善Ti6Al4V合金的疏水性、抗腐蝕性及抗菌性能，在基材表面附上摻銅的氧化鉭復合涂層，實驗發(fā)現(xiàn)氧化鉭改善了原材料的抗腐蝕性，而且此復合涂層可在24 h內殺死超過97%的金黃色葡萄球菌。Alhalawani等[13]通過實驗探究了摻入氧化鉭對玻璃聚鏈烯酸酯水泥的理化性質和生物學特性的影響，結果發(fā)現(xiàn)氧化鉭的摻入不僅可以延長玻璃聚鏈烯酸酯水泥的固化時間，而且增加了材料的輻射不透明度和機械穩(wěn)定性。此外復合材料還顯示出對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和表皮鏈球菌等的抗菌活性。盡管如此，在無光激發(fā)的情況下氧化鉭的抗菌性能較差[9]。正因如此，其經(jīng)常與銀、銅、氧化鋅等抗菌活性較強的金屬離子搭配提高材料的抗菌性能。由此可見，氧化鉭在光激發(fā)下具有一定的抗菌活性，但抗菌活性不強，其抗菌活性完全得益于其光催化作用。

2.3鉭基類抗菌性能 近年來，由于鉭植入物的緩釋作用，較強的生物相容性，越來越多具有抗菌作用的鉭基類抗菌材料應運而生，鉭基類醫(yī)用植入物的抗菌作用多得益于其表面的抗菌涂層的作用。最為常見的抗菌涂層是抗生素涂層，借助鉭基材料的緩釋作用，將抗生素涂布于鉭基材料表面增加抗生素在體內的作用時間。Sautet等[16]通過比較載有萬古霉素的多孔鉭和摻有抗生素的骨水泥對甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌的抑制時間發(fā)現(xiàn)，載藥多孔鉭具有更強的緩釋作用。除了抗生素類鉭基抗菌涂層外，為了減少細菌耐藥的發(fā)生，一些新的抗菌涂層逐漸被應用到鉭基材料涂層中。Rodríguez-Contreras等[15]將聚羥基鏈烷酸酯作為抗菌涂層涂布于Ta盤上，獲得了具有良好生物整合性能的均質生物聚合物涂層，此涂層賦予了鉭一定的抗菌性能。此外類金剛石碳薄膜、銀離子涂層、納米氧化鋅涂層也同樣可以使鉭基類植入物材料具有良好的抗菌性能。毫無疑問抗菌涂層的存在賦予了鉭基材料較強的抗菌能力。

2.4鉭涂層類抗菌性能 由于純鉭材料昂貴，為了使醫(yī)用植入物在具有鉭植入物性質同時具有更高的性價比，鉭涂層材料逐漸被人所接受。此外，越來越多的報道證實鉭在以涂層形式存在是具有可靠的抗菌能力，這進一步加速了鉭涂層的推廣和開發(fā)。Yang等[21]在骨髓炎模型中觀察到有Ta納米膜沉積的鈦基底材料可以緩解骨髓炎患者骨的進一步溶解，這充分證明了鉭納米膜作為涂層時在體內環(huán)境下的抗菌作用。Zhu等[20]同樣證明Ta修飾的納米結構表面將選擇性地促進細胞在材料表面的黏附，正向促進表面競爭的正向作用即細胞黏附作用。根據(jù)“表面競賽”理論[34-35]，異物的存在會引發(fā)組織和細菌之間的競爭，如果組織細胞優(yōu)先定植，細菌將不容易在材料表面形成生物膜。相反，如果細菌在表面競爭中更勝一籌，種植體表面最終將被生物膜覆蓋，從而誘發(fā)植入物周圍炎損傷正常的組織結構導致手術失敗。鉭納米膜涂層具有抗菌性能的機制可以歸功于其對表面競爭的選擇性作用，具體機制有兩點：首先，Ta納米膜可以增強多形核中性粒細胞的吞噬作用，減少中性粒細胞的溶解并增強巨噬細胞促進炎癥細胞因子的釋放，從而形成局部的宿主防御作用。此外，此抗菌作用還很大程度上得意于納米鉭對組織細胞黏附相關基因的上調和黏著斑激酶的激活，促使組織細胞更快的黏附于植入材料表面，減少細菌生物膜對植入物覆蓋的可能性。此外，另有研究表明鉭涂層的抗菌作用還與鉭金屬跟基材金屬之間的微電流作用有關。Zhang等[18]通過實驗發(fā)現(xiàn)鉭涂層與鈦基材之間可能會形成微電流，從而消耗質子導致植入物周圍環(huán)境中ROS生成增加以及細菌ATP合成減少，從而起到抗菌作用?？傊?，鉭涂層類材料的體內抗菌性能是值得肯定的，通過多種方式誘導宿主機體本身的免疫防御反應的發(fā)生。此類材料的性能及性價比決定了其廣闊的臨床應用潛能。

2.5鉭相關合金類抗菌性能 鉭相關合金類醫(yī)用植入物有很多，將鉭與其他金屬相結合從而完善合金材料的性質。為了改善鉭金屬抗菌性能，Cui等[24]通過特定方法將銅與鉭結合按一定比例制造出銅鉭合金，實驗證明該合金具有與鉭相當?shù)目垢g性，而且其具有良好抗菌性能。Alhussein等[23]開發(fā)的銀離子增強β型Ti-28Nb-11Ta-8Zr合金表現(xiàn)出了骨替代材料所需的彈性模量和優(yōu)異的細胞相容性、耐腐蝕性及抗菌能力。此類醫(yī)用植入物的抗菌性能則多依賴于具有抗菌性能的金屬成分，靠帶正電的金屬陽離子誘發(fā)的氧化應激反應對細菌細胞壁及細胞膜造成破壞以此發(fā)揮抗菌作用。

2.6新型鉭植入材料的抗菌性能 隨著科技的進步各種新型材料的發(fā)現(xiàn)，新型鉭植入材料也越來越多，其性能也隨材料的改造而逐漸完善。某些鉭的化合物也被發(fā)現(xiàn)有良好的抗菌性能，如氮氧化鉭和氮化鉭。Zhang等[25]通過磁控濺射將氮化鉭沉積在鈦表面，從而開發(fā)出具有更強的耐生物腐蝕性和機械性能的材料，而且實驗證明用TaN裝飾的Ti樣品具有良好的抗菌性能。Cristea等[26]將鉭與混合氣體(85%N2+15%O2)反應后在金屬鉭表面生成一氮氧化鉭薄膜，從不同角度分析了制得的薄膜的特性，其中抗生物膜實驗發(fā)現(xiàn)以較高的反應性氣體混合物分壓沉積的涂層表現(xiàn)出更好的抗生物膜能力。由此可見，雖然純鉭的抗菌性能一般，但其相關化合物的抗菌能并非如此。此外，一些新技術被應用到材料的制作上，Garcia等[27]利用咪唑離子液體(1-正癸基-3-甲基咪唑六氯鉭酸鹽)為前體合成鉭氧化物量子點，并將其作為抗菌劑添加至口腔科膠黏劑中，抗菌實驗發(fā)現(xiàn)添加有Ta2O5QDs的膠黏劑具有抗變形鏈球菌生物膜形成的抗菌活性。新型鉭植入材料的構思更加新穎，材料的抗菌性能也更加完善其抗菌作用的機制也有待發(fā)現(xiàn)?？傊?，鉭金屬衍生材料的開發(fā)與性質的探究空間還很廣闊，其性能還有待開發(fā)，依舊具有較高的研究價值。

表2 不同醫(yī)用鉭類植入物抗菌特點及機制總結

3 總結與展望

鉭金屬由于其優(yōu)越的性能而被廣泛應用于臨床，隨著制作工藝的提高，人們對其衍生物了解的增加以及臨床應用對其性能的進一步要求，越來越多鉭類醫(yī)用植入物被發(fā)現(xiàn)并應用。為了滿足植入物本身的抗菌性能，多種具有抗菌性能的鉭類醫(yī)用植入物被發(fā)現(xiàn)。具有納米結構的多孔鉭憑借其多孔結構以及鉭金屬良好的組織整合能力而促使表面競爭的正向作用使植入物具有良好的體內抗菌能力；氧化鉭則憑借其光催化作用催生活性氧對細菌造成傷害；鉭基醫(yī)用植入物在抗菌涂層的加持下對細菌造成致命打擊；鉭涂層則借助與基材金屬之間的微電流發(fā)揮抗菌作用。

盡管如此，依舊有許多方面需要進一步研究和明確，對于不同的醫(yī)用鉭類植入材料，需要進一步研究的方向也不盡相同。對于純鉭類醫(yī)用植入物而言，進一步優(yōu)化其表面結構增強其組織整合能力需要進一步探究，多孔鉭的孔隙率是否會通過影響材料表面的物理性質進一步影響細菌和細胞的黏附值得明確；對于氧化鉭相關類醫(yī)用植入物，如何放大其光催化作用最大程度發(fā)揮材料抗菌性能值得深思；對于鉭基類醫(yī)用植入材料，開發(fā)適合醫(yī)用鉭的新型抗菌涂層顯得十分必要，本身就具有抗菌性能同時能充分調動自身免疫防御反應起到雙重抗菌作用的新型抗菌涂層可能是未來研發(fā)的方向；對于鉭涂層類醫(yī)用植入物，微電流作用的產(chǎn)生機制需要進一步明確，是否所有醫(yī)用金屬基材與鉭涂層之間均存在微電流，微電流的產(chǎn)生條件與影響因素尚不明確；對于鉭相關合金類醫(yī)用植入材料，具有抗菌作用的金屬較多，多具有廣譜的抗菌作用，選擇何種金屬與鉭結合才能得到細胞毒性最低、抗菌作用最強、組織整合能力最佳的鉭相關合金仍需進一步探究；對于新型鉭植入材料，進一步探究其抗菌機制較為必要。

然而，值得相信隨著鉭類醫(yī)用植入物的進一步開發(fā)和探究，其性能必將趨向完善，抗菌性在未來必將成為其標配性能，骨缺損修復的術后感染率也必定會隨著新型抗菌鉭類材料的應用而逐漸降低。