生物材料作為治療內(nèi)植物相關(guān)性感染的藥物載體的研究進(jìn)展*

梅家威 張賢祚 朱晨

隨著人口老齡化的加速，骨折、退行性骨關(guān)節(jié)疾病、骨腫瘤的發(fā)病率越來越高，骨科內(nèi)植物的使用量也在逐漸增加。由于自體骨的短缺和同種異體骨的免疫排斥，人工內(nèi)植物的開發(fā)顯得尤為重要[1]。內(nèi)植物治療骨科疾病的常見失敗原因是內(nèi)植物相關(guān)性感染（implant associated infection，IAI）與成骨不良。臨床上IAI 多由細(xì)菌引起，不僅延長了患者的住院時(shí)間，還導(dǎo)致了醫(yī)療資源的極大浪費(fèi)，為社會(huì)及個(gè)人帶來了巨大負(fù)擔(dān)。

在IAI 的病理過程中，細(xì)菌會(huì)形成由多糖、蛋白質(zhì)、糖蛋白、核酸等物質(zhì)組成的生物膜[2]，該膜一旦形成，膜內(nèi)細(xì)菌可以逃避宿主的免疫反應(yīng)或外源性抗生素作用。生物膜的存在，造成了病原菌無法被徹底清除，引起反復(fù)感染，影響骨愈合。大劑量、長期使用抗生素，不僅會(huì)造成藥物副反應(yīng)，而且會(huì)誘導(dǎo)耐藥菌的產(chǎn)生。

IAI 是骨科的災(zāi)難性并發(fā)癥，治療上面臨著巨大的挑戰(zhàn)。諸如聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）等傳統(tǒng)生物材料存在著藥物釋放不徹底、不可降解、二次感染等缺點(diǎn)，新型生物材料的開發(fā)逐漸成為研究熱點(diǎn)。這些新型生物材料作為藥物載體，在清除骨感染、促進(jìn)骨再生等方面起到了積極的作用。在此，本文以鈦金屬、羥基磷灰石、殼聚糖等為代表，綜述了新型生物材料作為治療內(nèi)植物相關(guān)性感染的藥物載體的研究進(jìn)展。

1 鈦

鈦及其合金因?yàn)閮?yōu)良的理化性質(zhì)和生物相容性被廣泛用于制造醫(yī)用內(nèi)植物。常見鈦基內(nèi)植物仍不具備主動(dòng)抵抗細(xì)菌黏附、殺菌和抑制生物膜形成的能力。進(jìn)行內(nèi)植物表面處理是一種減少IAI 的有效途徑，它可以在不破壞材料整體性能的情況下，改變內(nèi)植物的界面屬性[3]，理論上，可將表面處理分為：①表面改性（surface modification）[4-6]；②涂層處理（coating）[7-12]。

1.1 表面改性

表面改性是在分子、原子或物質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺度上改變鈦金屬的結(jié)構(gòu)[3]。常見的表面改性方法包括化學(xué)共價(jià)接枝，改變鈦金屬表面形貌特征或形成納米結(jié)構(gòu)。

化學(xué)共價(jià)接枝分為鈦表面直接引發(fā)的原位聚合（Grafting from，Gf）與利用硅烷、鄰苯二酚、磷酸鹽等錨定分子進(jìn)行的間接接枝（Grafting to，Gt）[3]。Chouirfa 等[6]利用聚苯乙烯磺酸鈉（polyNaSS）比較了Gf 與Gt 兩種化學(xué)共價(jià)接枝方式。結(jié)果表明，二者均對(duì)金葡菌表現(xiàn)出了良好的抑制作用。利用加熱或紫外照射引發(fā)的Gf 技術(shù)獲得的帶有致密廣泛的polyNaSS 側(cè)鏈的鈦表面，可以更早地促進(jìn)Saos2 細(xì)胞的分化或礦化。Gt 技術(shù)可以對(duì)polyNaSS 側(cè)鏈的分子量進(jìn)行精確控制，分子量越高，對(duì)細(xì)菌的抑制作用越強(qiáng)，有利于IAI 的精準(zhǔn)治療。

利用機(jī)械加工、強(qiáng)酸（堿）蝕刻、氧化、紫外線照射等方法，可以在納米尺度上對(duì)鈦表面進(jìn)行圖案化加工，如有序管狀結(jié)構(gòu)、凹坑、柱狀或正方形，進(jìn)而改變鈦金屬表面粗糙度、形貌、表面能量、接觸角等參數(shù)[3-5]。Lan 等[4]對(duì)純鈦進(jìn)行強(qiáng)酸蝕刻與紫外線照射，結(jié)果表明，經(jīng)處理的鈦片，不僅提高了抗菌活性，而且促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖與分化。鈦表面形成的納米凹坑結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了接觸面積；同時(shí)接觸角減小，表現(xiàn)出更強(qiáng)的親水性，促進(jìn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附。

1.2 涂層處理

涂層處理是采取物理吸附或化學(xué)共價(jià)結(jié)合的方式將抗生素、抗菌肽、抗菌金屬或非金屬元素、其他具有抗菌功能的物質(zhì)固定在鈦金屬表面，形成具有生物學(xué)功能的附加層[3]。

銀基材料，特別是銀納米顆粒具有廣泛的抗菌譜和高效的抗菌性能。銀納米顆粒中釋放的銀離子可以穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁與細(xì)胞膜，進(jìn)而與細(xì)菌的酶蛋白相互作用，抑制細(xì)菌的氧化呼吸鏈、DNA 復(fù)制，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡；銀納米顆粒還可提供大量活性氧基團(tuán)，通過氧化應(yīng)激反應(yīng)起到一定的抗菌作用[10]。基于這種機(jī)制，大量銀離子也會(huì)對(duì)正常組織細(xì)胞產(chǎn)生毒性[7]。

層層自組裝技術(shù)通過層疊不同的聚合物涂層至鈦表面，使鈦表面被相應(yīng)的功能化，展現(xiàn)出新的生物學(xué)特性[3]。Ding等[12]利用層層自組裝技術(shù)將銀納米顆粒、聚L 谷氨酸等沉積在鈦表面。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，該涂層表現(xiàn)出了良好的抗菌活性與促新骨生成的能力。聚L 谷氨酸可被金葡菌分泌的谷氨酰內(nèi)切酶降解，使銀離子的釋放具有酶響應(yīng)性，避免了銀離子的突釋，降低了細(xì)胞毒性。在Croes 等[8]的研究中，他們假設(shè)銀離子的抗菌活性會(huì)降低中性粒細(xì)胞的活性。通過中性粒細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明，銀離子可以降低中性粒細(xì)胞的活性與吞噬作用。

抗菌肽（anti-microbial peptide，AMPs）代表了一類天然未開發(fā)的抗菌分子儲(chǔ)藏庫。AMPs 多為小分子量、帶正電荷的兩性分子。AMPs 以改變膜通透性為作用基礎(chǔ)，不易產(chǎn)生耐藥性，具有廣譜抗菌性，對(duì)生物膜內(nèi)的細(xì)菌亦有良好的效果[11]。同時(shí)，部分AMPs 具有促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附與增殖的能力。Boix-Lemonche等[11]將-螺旋陽離子抗菌肽BMAP27固定在了鈦金屬的表面。這種固定化的抗菌多肽，對(duì)表葡菌具有良好的接觸殺菌效果，對(duì)成骨細(xì)胞沒有細(xì)胞毒性。細(xì)菌與成骨細(xì)胞的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明，這種抗菌肽涂層利于成骨細(xì)胞贏得“表面競賽（race for surface）”。這種競賽發(fā)生在內(nèi)植物植入后，宿主組織細(xì)胞與細(xì)菌競爭內(nèi)植物表面。當(dāng)宿主組織細(xì)胞優(yōu)先定植于內(nèi)植物表面時(shí)，有利于組織長入，避免細(xì)菌定植。為了促進(jìn)宿主細(xì)胞的優(yōu)先定植，Hoyos-Nogues等[9]將LF1-11 抗菌肽與RGD 細(xì)胞黏附序列，共同整合至鈦金屬表面，形成了抗菌與促進(jìn)宿主細(xì)胞黏附的多功能涂層。

2 羥基磷灰石

羥基磷灰石[Hydroxyapatite，HAp，Ca10(PO4)6(OH)2]的化學(xué)組成與人類骨骼相似，具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)性。當(dāng)HAp 作為藥物載體時(shí)，藥物的抗菌活性不僅未受影響，而且具有局部持續(xù)釋放藥物、降低藥物毒性、避免耐藥菌形成與反復(fù)感染等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。HAp 降解釋放的鈣、磷等元素，可促進(jìn)骨組織再生[15]?；谶@些特性，HAp 被廣泛用于內(nèi)植物材料、藥物載體、骨缺損填充物等。

在HAp 的晶格中進(jìn)行離子的引入取代或是結(jié)合其他物質(zhì)，可為自身提供額外生物學(xué)活性。陽離子晶格中的鈣離子可被鈉離子、鎂離子、鋅離子等取代；陰離子晶格中的羥基、磷酸根離子可被碳酸根離子、硅酸根離子、氟離子等取代[16]。

鋅是一種人體必需的微量元素，對(duì)機(jī)體的生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。鋅的缺乏會(huì)導(dǎo)致多種病理反應(yīng)，特別是對(duì)免疫系統(tǒng)有著明顯的影響[16]。氧化鋅通過在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中沉積鈣離子，促進(jìn)成骨細(xì)胞標(biāo)志基因的表達(dá)，刺激成骨細(xì)胞礦化。氧化鋅納米顆粒與銀納米顆粒均可釋放相應(yīng)離子，產(chǎn)生活性氧基團(tuán)，發(fā)揮抗菌作用。Zhang 等[1]將氧化鋅與銀納米顆粒共同整合至HAp 中，賦予其良好的抗菌活性、優(yōu)異的成骨與快速的骨整合能力。由于鋅離子與銀離子的協(xié)同抗菌作用，降低了銀納米顆粒的初始濃度，對(duì)抗菌效果無影響的同時(shí)，降低了銀離子的細(xì)胞毒性。鈰是一種稀土元素，雖然生理作用機(jī)制尚不明確，但是氧化鈰可以促進(jìn)新陳代謝，作為抗氧化劑保護(hù)組織[17]。Pandey 等[17]將氧化鈰、銀納米顆粒共同整合至HAp 中。在不影響HAp 細(xì)胞相容性的同時(shí)，表現(xiàn)出了良好的抗菌活性與抗氧化性。

3 殼聚糖與透明質(zhì)酸

殼聚糖（Chitosan，CHI）是一種由甲殼素脫乙酰而來的帶正電荷的多糖，其骨架與細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分糖胺聚糖相似[18]。CHI 免疫原性低，具有良好的生物相容性、抗菌特性，被廣泛用于骨組織工程中。CHI 的晶體結(jié)構(gòu)還可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞[19]。CHI 自身具有抗菌活性，但具體機(jī)制不明確。有學(xué)者認(rèn)為，CHI 是通過其氨基與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞壁相互作用，裂解細(xì)胞壁，抑制生物合成，殺滅細(xì)菌[20]。CHI 與銀、HAp、透明質(zhì)酸、抗生素等物質(zhì)結(jié)合，不僅可以提高抗菌活性，而且能改善殼聚糖機(jī)械強(qiáng)度較低、降解速率過快的缺點(diǎn)[18,20-21]。零維碳點(diǎn)（zerodimensional carbon dots）是一種成本低廉的碳基納米材料，可與鈣化的骨骼特異性結(jié)合，具有良好的成骨能力。在近紅外的照射下，零維碳點(diǎn)可表現(xiàn)出光熱效應(yīng)[19]。Lu 等[19]制備了CHI/零維碳點(diǎn)/納米HAp 支架。零維碳點(diǎn)的加入增強(qiáng)了CHI 與HAp 的抗菌活性與機(jī)械強(qiáng)度，促進(jìn)了血管化骨組織的生成。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，在近紅外的照射下，該支架可以發(fā)揮光熱效應(yīng)，有效地抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖。

透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）是一種黏多糖，作為細(xì)胞基質(zhì)的重要組成部分，HA 降解產(chǎn)物對(duì)人體無害，不需二次手術(shù)取出，具有良好的生物相容性。HA 及其鹽都具有良好的抗菌黏附性與抑菌作用，能與包括CD44 在內(nèi)的細(xì)胞表面受體相互作用，影響有關(guān)于細(xì)胞黏附、增殖、分化、遷移和存活的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)[20-21]。以HA 及其衍生物為基礎(chǔ)的載體，可攜帶抗菌物質(zhì)，直接注入復(fù)雜傷口，發(fā)生原位凝膠化，避免HA 快速降解與藥物毒副反應(yīng)，提高局部藥物濃度與抗菌效率[22]。細(xì)菌常利用酶作為侵襲性因子，如金葡菌分泌的透明質(zhì)酸酶。在透明質(zhì)酸酶的協(xié)助下，金葡菌滲透至深部組織中，造成深部組織感染?；谶@種特性，Sutrisno 等[21]將月桂酸整合至透明質(zhì)酸中，實(shí)現(xiàn)了透明質(zhì)酸藥物遞送系統(tǒng)對(duì)金葡菌感染的酶響應(yīng)性，控釋藥物，降低了細(xì)胞毒性。

4 合成聚合物與生物活性玻璃

合成聚合物由于其藥物釋放動(dòng)力學(xué)、降解速率、質(zhì)量和機(jī)械性能具有可控性，逐漸成為研究熱點(diǎn)[23]。

聚酯是最常見的合成聚合物，由多元醇和多元酸縮聚而成，降解產(chǎn)物無毒無害，不需二次手術(shù)取出，其制備的微球、支架，可作為藥物載體用于骨感染的治療、靶向緩釋給藥、促進(jìn)骨再生等多個(gè)領(lǐng)域[24-26]。常見的聚乳酸、聚己內(nèi)酯和聚乳酸-羥基乙酸已被FDA 批準(zhǔn)，可用于人體組織修復(fù)[24,26]。通過聚合材料中單體比例組成與自身結(jié)構(gòu)的改變，可實(shí)現(xiàn)載體的力學(xué)性能、降解性、釋藥速率的可控性[24-25]。聚酯過快降解形成的酸性環(huán)境，可能引發(fā)炎癥反應(yīng)，并降低遞送藥物的功效[23]。Li 等[24]采用3D打印技術(shù)制備了聚己內(nèi)酯支架，這種支架具有大孔隙率和互連的微觀結(jié)構(gòu)，利于藥物裝載，也可為組織生長提供大量空間。利用這種支架負(fù)載聚多巴胺與銀納米顆粒，表現(xiàn)出了良好的抗菌活性與成骨活性。

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是主鏈結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)酮鍵和兩個(gè)醚鍵的重復(fù)單元所形成的半結(jié)晶聚合物，具有良好的生物相容性，已被用于多個(gè)領(lǐng)域的IAI 缺損修復(fù)。PEEK自身沒有生物學(xué)活性且骨傳導(dǎo)性較差，將其當(dāng)作載體，搭載金屬離子、抗生素或其他聚合物，可以賦予其相應(yīng)的生物學(xué)活性[27-29]。Liu 等[29]在磺化PEEK 的多孔微結(jié)構(gòu)表面負(fù)載納米銅離子，對(duì)耐甲氧西林金葡菌起到良好的直接抗菌作用，同時(shí)可以提高附著在PEEK 表面的巨噬細(xì)胞的吞噬能力，發(fā)揮間接免疫調(diào)節(jié)抗菌作用。

生物活性玻璃（bioactive glasses，BGs）屬于無晶體結(jié)構(gòu)的生物陶瓷，具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、降解性，還可以促進(jìn)血管化組織的長入與修復(fù)，發(fā)揮協(xié)同抗菌的作用[30-32]。改性的BGs 在接觸體液后可以發(fā)生降解，其產(chǎn)物能刺激多種生化反應(yīng)的發(fā)生，如為組織長入提供界面的HAp 的形成。BGs 的具體抗菌機(jī)制仍無定論，目前一種理論認(rèn)為，BGs 的離子降解產(chǎn)物可提高周圍環(huán)境pH，對(duì)浮游細(xì)菌起到抗菌作用，抗菌能力可隨細(xì)菌類型、自身成分與濃度的不同而變化[30-32]。若降解產(chǎn)物過多，形成高滲環(huán)境，同樣不利于宿主細(xì)胞存活[33]。

5 總結(jié)

本文綜述了不同生物材料作為治療IAI藥物載體的研究進(jìn)展。經(jīng)過表面改性的金屬、HAp、CHI、HA、合成聚合物、生物活性玻璃等生物材料載體，可實(shí)現(xiàn)藥物的局部持續(xù)釋放、抗菌活性的提高與藥物不良反應(yīng)的降低。但單一生物材料受多種因素影響，也暴露出了機(jī)械強(qiáng)度差、降解過快或不可降解、二次感染、細(xì)胞毒性等不足。而且，大部分研究的抗菌活性針對(duì)的是浮游細(xì)菌，與臨床上形成生物膜的情況仍有一定的差別。

因此，在今后的研究中，應(yīng)更多地關(guān)注復(fù)合材料的制備，發(fā)揮不同材料的協(xié)同作用，同時(shí)開展對(duì)生物膜內(nèi)細(xì)菌的抗菌性能研究。這可能是解決IAI 的最有前途的方向。