抗生素復合骨水泥洗脫特性的實驗研究

宋夏楠,周大鵬,劉欣偉,劉 兵,紀振鋼,韓天宇

(北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽 110016)

隨著社會及科技的不斷進步，高能量損傷造成的骨缺損、骨感染等不斷增加，因其花費高、治療周期長、療效不確切等問題，增加了患者及醫(yī)護工作者的負擔?？股毓撬嗟膯柺?，改善了骨缺損、骨感染的治療問題。抗生素骨水泥可根據(jù)不同需求以不同的形式廣泛應用于骨科的各個領域，如預防及治療假體周圍感染、慢性骨髓炎等。雖然骨水泥中可以加入不同種類抗生素，但需要根據(jù)細菌培養(yǎng)及藥敏結果來選擇最佳抗生素。目前開放性損傷、骨髓炎等多不是由單一細菌引起，可能是革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌或者這兩者共同作用導致。葉志軍等[1]經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計得出，創(chuàng)傷骨科常見細菌為銅綠假單胞菌、大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌、鮑曼不動桿菌、腸球菌屬。張文明[2]的研究顯示，骨科常見細菌除了上述細菌外，還有表皮葡萄球菌、克雷伯菌屬，且革蘭氏陰性菌的比例高于革蘭氏陽性菌。因此，單一抗生素已無法完全滿足臨床對抗菌的需要，故應考慮將2種或2種以上抗生素引入骨水泥中。目前臨床上針對革蘭氏陽性菌主要應用萬古霉素，但其對抗革蘭氏陰性菌的作用有限，故需要再加入針對革蘭氏陰性菌的抗生素，如頭孢他啶，且萬古霉素與頭孢他啶均已被證實可在骨水泥中有效釋放[3-4]。但加入2種抗生素后是否會影響各自的釋放特性，還需進一步研究。故本研究主要探討萬古霉素聯(lián)合頭孢他啶的復合抗生素骨水泥在體外環(huán)境下的釋放特性，以期為臨床上骨感染的預防及治療提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

骨水泥PMMA(Palacos Lv Heraeus，德國)、萬古霉素(Eli Lilly，日本)、頭孢他啶(齊魯制藥有限公司)、島津10A高效液相色譜儀、自動計時裝置、自制骨水泥模具。

1.2 方法

1.2.1 樣本制作 將骨水泥樣品分為單一萬古霉素組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g萬古霉素)、聯(lián)合組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g萬古霉素+2 g頭孢他啶)和單一頭孢他啶組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g頭孢他啶)。利用自制骨水泥模具，每組制作成6個直徑(10±1)mm、高(20±1)mm的骨水泥圓柱體。

1.2.2 PBS緩沖液配制 將2.958 g磷酸二氫鉀溶于含130 mL甲醇的870 mL純化水中，經(jīng)過混勻、超濾、排氣泡，制備成pH為7.30的PBS緩沖液。

1.2.3 洗脫實驗 將各組骨水泥圓柱體放入無菌玻璃瓶內(nèi)，分別加入5 mL的PBS緩沖液完全浸泡圓柱體，并置于37 ℃恒溫下，每24 h更換PBS緩沖液1次。各組取4 h、8 h、16 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、2周、3周、4周、6周試樣液2份，應用高效液相色譜儀在236 nm波長下測定2種抗生素洗脫濃度。頭孢他啶出現(xiàn)洗脫峰的時間約為5 min，萬古霉素出現(xiàn)洗脫峰的時間約為16 min。

1.3 統(tǒng)計學方法

2 結果

聯(lián)合組各時間點萬古霉素的洗脫濃度均較單一萬古霉素組高(P<0.05)，頭孢他啶的洗脫濃度也均較單一頭孢他啶組高(P<0.05)，見表1、2。

表1 不同時間點單一萬古霉素組和聯(lián)合組萬古霉素洗脫濃度

表2 不同時間點聯(lián)合組和單一頭孢他啶組頭孢他啶洗脫濃度

3 討論

骨感染對于骨科醫(yī)生而言一直是棘手的問題，反復無法控制的感染最終會導致患者截肢?？股毓撬喑霈F(xiàn)已有幾十年，并以不同形式用于骨感染的預防及治療中。自抗生素載體被引入臨床以來，已有大量的科研及臨床報道對抗生素骨水泥的各個方面(如釋放特性、抗壓強度等)進行了研究，因其可局部釋放，故抗生素在骨水泥中的用量較傳統(tǒng)全身靜脈用藥少，濃度更低，毒性隨之更小。目前，抗生素骨水泥已廣泛用于骨科各領域。

抗生素骨水泥是將抗生素混入骨水泥中，目前大多選用PMMA骨水泥，抗生素的選擇則需根據(jù)細菌培養(yǎng)結果確定，但并不是所有敏感抗生素均滿足放入骨水泥中的條件。PMMA骨水泥在其聚合過程中會產(chǎn)生熱量，核心溫度為60～80 ℃[5]，目前認為可加入骨水泥的抗生素需滿足以下條件：抗菌譜廣、天然耐藥菌株較少、與蛋白質(zhì)結合較少、過敏反應輕、耐熱、水溶性好等[6]。臨床上以萬古霉素、慶大霉素、妥布霉素的應用較廣泛，其中歐洲主要以萬古霉素及慶大霉素為主，美國以萬古霉素為主[7-8]。據(jù)大量文獻報道，其他可用于PMMA骨水泥的抗生素還包括頭孢菌素、替考拉寧、亞胺培南、哌拉西林、達托霉素、莫西沙星、利福平、氨芐青霉素、美羅培南、厄他培南等[3,9-11]。因抗生素的加入，PMMA骨水泥的機械強度會有所下降，故加入抗生素的劑量需慎重考慮。通常認為在PMMA骨水泥中加入的抗生素越多，其洗脫出來的抗生素就會越多，但Slane等[12]將0～3 g妥布霉素和0～3 g萬古霉素按照不同比例混合加入到PMMA骨水泥中進行為期28 d的洗脫研究，結果顯示3 g妥布霉素和2 g萬古霉素組合累計釋放的濃度高于劑量最大的3 g妥布霉素和3 g萬古霉素組合。Paz等[13]的研究也得出類似結果，并不是PMMA骨水泥中抗生素含量越多釋放越多。低含量抗生素可能產(chǎn)生與高含量抗生素相同水平的抗菌作用(即高于最小抑菌濃度)，同時可以減少成本。本研究考慮到實用性及經(jīng)濟效益，選擇2 g萬古霉素與2 g頭孢他啶混合。

抗生素從PMMA骨水泥中的釋放過程其實是一種表面彌散，液體進入骨水泥后將抗生素進行溶解再析出。骨水泥中的抗生素通過孔隙內(nèi)濃度梯度彌散而釋放，抗生素的釋放從外部開始，當液體滲入到內(nèi)部時，深部的藥物才得以繼續(xù)向外擴散。深部的抗生素釋放緩慢，一般在幾小時內(nèi)釋放較高，達到高峰，幾天內(nèi)釋放明顯下降。故得出骨水泥中抗生素釋放的曲線，抗生素的釋放可以分為3個階段：第1階段為初始階段，也可稱為爆發(fā)階段，即抗生素在最初時間里(24 h內(nèi))大量且快速釋放，并迅速達到高峰；第2階段為中間階段，經(jīng)過了抗生素的爆發(fā)式釋放，抗生素在此階段(幾天內(nèi))的釋放逐漸變?yōu)榫徛?；?階段，即終末階段，此階段抗生素的釋放更為平緩，趨于平直。本研究中抗生素的釋放規(guī)律與李濤等[11]研究中抗生素的釋放規(guī)律相符，萬古霉素、頭孢他啶均符合3階段的釋放，甚至二者混合之后各自的洗脫濃度亦滿足先爆發(fā)釋放、再降速、再平緩的規(guī)律。

隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)口、感染處所培養(yǎng)出的細菌并不只有1種，可能是2種及2種以上的混合細菌，單一抗生素無法覆蓋所有細菌，故可在骨水泥中加入2種甚至多種抗生素。但在PMMA骨水泥中加入2種抗生素，因抗生素釋放特性的不同可能相互影響。目前針對2種抗生素的釋放研究較多為萬古霉素和妥布霉素、萬古霉素和慶大霉素[4,14]。Penner等[4]將2.4 g妥布霉素和1 g萬古霉素混合加入到骨水泥中進行洗脫實驗，得出混合組中妥布霉素累計釋放量較對照組(僅含妥布霉素)增加了68%，萬古霉素的釋放量則增加了103%，其認為在骨水泥中加入2種抗生素可改善抗生素在體外的洗脫，呈協(xié)同作用。本研究將萬古霉素與頭孢他啶混入骨水泥中，結果提示聯(lián)合組抗生素釋放濃度較單一組增加，這可能是由于聯(lián)合組將2種抗生素以粉末狀形式混入骨水泥中，因單位骨水泥中的粉末狀抗生素較單一組多，第2種作為可溶性的添加劑，而添加劑的溶解會在骨水泥中留下更多的空隙，進一步增加骨水泥中的孔隙率[4]，使抗生素能進一步析出，2種抗生素互相作為可溶性的添加劑，故析出均增加。然而，并不是抗生素混合后均能產(chǎn)生協(xié)同效果，Li等[15]將慶大霉素與萬古霉素混合進行洗脫實驗，結果發(fā)現(xiàn)，與單一萬古霉素相比，聯(lián)合慶大霉素后萬古霉素的釋放量大大減少，而對慶大霉素的釋放影響則不大。Bertazzoni等[16]的研究也得到了類似的結果，他們研究2.5%慶大霉素和5%萬古霉素在Cemex骨水泥的洗脫濃度，結果顯示，萬古霉素對慶大霉素洗脫的影響不大，但慶大霉素負載后萬古霉素的洗脫濃度降低。Boelch等[17]在Palacos骨水泥中分別手工混合加入0.5 g慶大霉素、0.5 g慶大霉素+2 g萬古霉素，結果表明，萬古霉素的加入對于慶大霉素的洗脫沒有明顯影響。不同抗生素之間的釋放可能仍有不同，包括抗生素的添加方式也會引起釋放的不同，手工混合比預混合抗生素釋放量更高[5]。還有一些其他方法，如添加木糖醇、使用超聲波等均可促進抗生素釋放[18-19]。

綜上，萬古霉素和頭孢他啶聯(lián)合混入骨水泥中可相互促進釋放，效果較單獨使用更好。臨床中可根據(jù)不同抗生素在骨水泥中的洗脫特性以及抗菌譜的需要，選擇2種抗生素添加于適當?shù)墓撬噍d體中，以增加抗生素的釋放量，更好地發(fā)揮其預防及治療骨缺損、骨感染等疾病的作用。