摻鍶半水硫酸鈣的制備及其抗菌性能

張 峰,汪 麟,周明明,楊賢燕,茍中入

(1.浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院 口腔科/國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學研究中心,浙江 杭州 310003；2.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院 口腔科,浙江 杭州 310009；3.浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院 實驗檢驗中心、國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學研究中心,浙江 杭州 310003；4.浙江大學 浙江加州國際納米技術研究院,浙江 杭州 310058)

1 前 言

骨髓炎是由金黃色葡萄球菌感染導致骨組織的進行性吸收和破壞的疾病[1-2]。骨髓炎的根治措施包含清除細菌,清理感染壞死組織,骨和軟組織重建[3]。但由于致病微生物耐藥性差異,治療具有挑戰(zhàn)性。而且,越來越多的耐藥細菌菌株、植入物相關感染以及免疫系統(tǒng)受損等均會加劇骨髓炎癥狀[4]。此外,通過手術清除感染和壞死組織后常常留下較大的死腔。為了防止骨髓炎復發(fā)和可能導致嚴重骨丟失,常使用抗生素復合于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)充填骨腔隙。由于抗生素釋放劑量受到這種高分子骨水泥包埋的限制或者抗生素降解,以及PMMA 需再次手術等原因,預后仍有較大的不可預知性。因此,持續(xù)有效地控制骨感染和骨創(chuàng)傷修復仍然是難以協(xié)同解決的問題。

硫酸鈣(calcium sulfate,CS)作為人工骨充填材料最早應用于人體的報道始于1892年[5]。CS擁有理想骨植入材料的諸多優(yōu)點,譬如能促進骨組織形成,減少術區(qū)炎癥反應[6]；CS和細胞外間質(zhì)在骨愈合早期可以協(xié)同促進血管生成和骨重建[7]。但在生物活性方面,純CS材料只能提供成骨細胞生長所需鈣離子,并不能顯著提升骨再生能力[8]。近年來,隨著生物材料科學的發(fā)展,有學者利用微量元素的摻雜改善了人工骨修復材料的生物學性能。

鍶(strontium,Sr)作為人體骨代謝必需的微量元素和細胞代謝過程的調(diào)節(jié)因子,在許多包括細胞信號傳導、核酸合成、骨重建等生物過程中起到重要作用。Sr能夠調(diào)節(jié)骨骼內(nèi)鈣濃度和骨代謝,促進骨再生,以及增強骨密度并降低骨質(zhì)疏松病人骨折發(fā)生率。體外實驗也證實,Sr具有促進成骨細胞增殖和抑制破骨細胞活性的作用[9-11]。Sr摻雜的羥基磷灰石已被證明能顯著抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長的功效[12]。同時,Sr摻雜還抑制了其他離子的釋放,能夠降低材料的降解速率[13-14]。

據(jù)此,圍繞CS自固化生物材料的研究現(xiàn)狀及臨床應用中的不足,本實驗提出通過Sr摻雜來調(diào)控CS晶體的形態(tài),并以不同Sr摻雜劑量水平優(yōu)化CS材料的降解性及其生物學效應。本研究將改進CS材料的綜合性能,并拓展該材料在骨感染再生修復領域的應用前景。

2 實 驗

本研究通過共沉淀法合成了摻雜不同比例微量元素Sr的半水CS植入材料,探索了不同摻Sr含量水平半水CS水化后力學強度、可塑性、體外降解性能和誘導磷灰石礦化活性,進而系統(tǒng)分析了不同摻Sr水平CS對金黃色葡萄球菌模型的抑制能力,旨在優(yōu)化設計并構(gòu)建一類具有優(yōu)良綜合性能的新型促進感染骨再生修復摻Sr半水CS生物活性材料。

2.1 摻Sr半水CS粉體的制備

通過化學共沉淀法制備摻Sr半水CS(CS-xSr；x=0,2.5,5,10)[15]。按Sr/(Ca+Sr)摩爾比分別為0,2.5%,5%,10%將Ca O 和Sr(NO3)2配置成復合物,利用超聲振蕩器將該復合物均勻分散在去離子水中。按(Ca+Sr)/S摩爾比1∶1將(NH4)2SO4配置成水溶液,用恒流泵將(NH4)2SO4水溶液滴定到CaO和Sr(NO3)2的混合溶液物中,25 ℃恒溫下連續(xù)攪拌,直到反應完成(圖1)。對反應溶液中的沉淀物進行抽濾,用去離子水和無水乙醇洗滌3次,去除雜質(zhì)離子,在80 ℃干燥24 h,將該粉體在行星式球磨機中以250 r/min轉(zhuǎn)速球磨6 h,135 ℃恒煅燒12 h,80 ℃干燥4 h,最后將粉末研磨和篩分。

圖1 四種不同Sr摻雜半水CS的制備方法示意圖Fig.1 Schematic illustration of the preparation method of strontium-doped calcium sulfate hemihydrate

2.2 測試與表征

對粉體樣品采用掃描電子顯微鏡(SEM,Ultra 55)觀察其微結(jié)構(gòu),采用X 射線衍射(XRD,Max RC)分析測試樣品粉體的物相組成,采用電感-火焰等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES,iCAP 6000 series)測試粉體中Sr、Ca的含量。

2.3 體外降解實驗

以0.8 m L/g的液固比將去離子水和適量粉體樣品均勻混合,調(diào)和成糊狀物,以2 MPa的壓強將糊狀物壓制成尺寸為?8 mm×15 mm 的圓柱體,常溫下初步固化1 h制備出自固化圓柱體樣品。然后將該樣品放入37 ℃恒溫箱中靜置,24 h后稱其初始質(zhì)量Wo。再將該自固化圓柱體樣品密閉浸泡在37 ℃的Tris緩沖液中,待分別靜置1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d后取出,60 ℃恒溫箱靜置4 h徹底干燥后分別稱其質(zhì)量Wt。計算圓柱體固化物樣品的失重=[(WoˉWt)/Wo]×100%,每個樣品重復測量3次。

2.4 機械性能分析

按第2.3節(jié)方法制備圓柱體樣品,將其在37 ℃恒溫箱中靜置24 h后,轉(zhuǎn)移到37 ℃的Tris緩沖液中密閉浸泡7 d,然后將其干燥,使用1 mm/min運行速率的萬能測試機(Instron)測量浸泡前后四種樣品的抗壓強度,每個樣品重復測量3次。

2.5 模擬體液浸泡實驗

按第2.3節(jié)方法制備尺度為?8 mm×2 mm 的圓片狀樣品,在37 ℃恒溫箱中靜置24 h,再將樣品密閉浸泡在37 ℃的SBF溶液中,待分別浸泡1 d、3 d、7 d后進行乙醇漂洗脫水和90 ℃恒溫箱中靜置6 h干燥,采用SEM 觀察樣品表面的微結(jié)構(gòu)特征。

2.6 抑菌實驗

選用金黃色葡萄球菌(ATCC25923,購自美國菌種收藏中心),通過最低抑菌濃度實驗和直接接觸實驗來測試四種樣品的抑菌性能。將ATCC25923培養(yǎng)過夜至對數(shù)生長期,然后用無菌Mueller-Hinton(MH)肉湯調(diào)整至0.5 MCF左右。

2.6.1 最低抑菌濃度 (minimum inhibitory concentration,MIC) 按照CLSI M07-A9 微量稀釋肉湯法測定四種不同粉體樣品的最低抑菌濃度。首先,挑取培養(yǎng)過夜的處于對數(shù)生長期的細菌,用無菌MH 肉湯調(diào)至初始濃度約為5.0×105CFU/m L 的菌液。將四種粉體樣品做系列倍比稀釋后,CS、CS-2.5Sr、CS-5Sr和CS-10Sr粉體的最終濃度分別為32、16、8、4、2、1和0.5 mg/m L。陰性對照管(NC)不添加細菌懸液,僅MH 肉湯；陽性對照管(PC)含有細菌懸浮液但不添加任何樣品粉體。在37 ℃下培養(yǎng)16～24 h后讀取MIC,MIC是指肉眼所見抑制細菌生長的最低濃度。

2.6.2 直接接觸實驗(direct contact test,DCT) 針對培養(yǎng)過夜的處于對數(shù)生長期的細菌,用無菌MH肉湯調(diào)至0.5 MCF左右(～108CFU/m L)的菌液。將細菌與亞抑菌濃度(1/2 MIC)的待測粉體樣品混合,總體積為1.0 m L。所有培養(yǎng)物在37 ℃,200 r/min的搖床中培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)1 d和3 d時進行菌落計數(shù)。菌落計數(shù)方法:用移液器取0.1 m L培養(yǎng)液,用0.85% NaCl進行一系列的10倍稀釋,取0.01或0.1 m L 適當濃度的稀釋液接種在營養(yǎng)瓊脂平板上。37 ℃培養(yǎng)18～24 h后進行菌落計數(shù)。

3 實驗結(jié)果

3.1 形貌觀察和微結(jié)構(gòu)分析

表1是CS、CS-2.5 Sr、CS-5Sr和CS-10Sr四種粉末的ICP結(jié)果。從表可見,四種粉體Sr實際摻雜率分別為0、2.51%、5.48%和9.67%,接近合成前的理論值0、2.5%、5%和10%。

表1 四種不同摻鍶水平半水硫酸鈣材料各離子理論和實際摩爾占比Table 1 Molar ratio in the reactants and chemical compositions in the CS and Sr-doped CS powders %

圖2是四種粉體的XRD 分析結(jié)果。從圖可見,摻Sr后的半水CS粉末分別在14.75°、25.71°、29.76°和31.91°/2θ處有四個強特征峰。同時,純CS粉體的特征峰比Sr摻雜CS 粉體的峰特征更加明顯(JCPDS#41-0224)。此外,從Sr摻雜的半水CS粉體XRD 圖譜中還可以發(fā)現(xiàn)SrSO4的特征峰(JCPDS#05-0593),尤其是CS-5Sr和CS-10Sr兩種粉體中SrS的衍射特征峰更加明顯,表明這種共沉淀法制備的Sr摻雜半水CS實為兩相復合粉體材料,Sr摻雜率提高會導致粉體中SrS含量增加。

圖2 四種不同Sr摻雜半水CS粉體樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of CS and CS-x Sr powders

圖3是CS-xSr四種粉體的SEM 圖像。從圖可見,CS-xSr四種粉體顆粒物呈棒狀,顆粒表面較光滑,顆粒平均長度為20～50μm。其中在CS-5Sr和CS-10Sr兩種粉體顆粒表面還可以觀察較為細小的針狀晶體,并且CS-10Sr中該細小針狀晶粒明顯多于CS-5Sr,不難可以推測這種針狀晶體可能是SrS。

圖3 四種不同Sr摻雜半水CS粉體材料的表面形態(tài)照片F(xiàn)ig.3 SEM images of CS and CS-x Sr powders(a1、a2:CS:b1、b2:CS-3.5Sr；c1、c2:CS-5Sr；d1、d2:C5-10Sr)

3.2 體外降解性能分析

圖4顯示了四種自固化CS-xSr樣品在Tris 溶液中浸泡1～28 d后的體外降解情況。從圖4A 可以發(fā)現(xiàn),1～3 d內(nèi)純CS樣品Ca2+釋放最快,而CS-10Sr樣品Ca2+釋放最慢；3 d后CS-10Sr樣品Ca2+釋放最快,而純CS樣品Ca2+釋放最慢。從圖4B可以看出CS-xSr樣品Sr2+釋放量隨著浸泡時間的延長而逐漸增多,Sr含量高的樣品同一時間點Sr2+釋放最多；圖4C顯示了四種CS-xSr樣品在Tris溶液中浸泡1～28 d后質(zhì)量衰減情況,可以發(fā)現(xiàn),1～3 d內(nèi)純CS樣品質(zhì)量下降最顯著,而CS-10Sr樣品質(zhì)量下降最少；但3 d后CS-10Sr樣品質(zhì)量下降多于其他樣品,而純CS樣品質(zhì)量下降則最少。

圖4 四種不同Sr摻雜率半水CS自固化在Tris-HCl溶液中Ca2+(A),Sr2+(B)離子濃度以及失重率(C)的變化情況Fig.4 Changes in Ca2+(A),Sr2+(B)concentrations and weight loss(C)of the self-curing CS-x Sr sample during immersion in Tris-HCl buffer

3.3 機械性能分析

圖5顯示了四種CS-xSr樣品在體外降解7d前后的抗壓強度差異情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),自固化樣品在Tris-HCl溶液中浸泡降解前的抗壓強度明顯大于浸泡降解7 d后的。浸泡前純CS樣品的抗壓強度(～24 MPa)明顯低于三種摻Sr的樣品；隨著Sr摻雜率從2.5%增加到10%,自固化物樣品的抗壓強度也逐漸增加。但各樣品在體外浸泡降解7 d后的抗壓強度都發(fā)生了顯著下降。不過,純CS樣品浸泡后的抗壓強度(～20 MPa)明顯高于摻Sr的三種樣品,同時Sr摻雜率從2.5%增加到10%時,其抗壓強度顯著下降,CS-10Sr的抗壓強度僅有13.187 MPa,下降幅度達到2.8倍以上。

圖5 四種不同Sr摻雜率半水CS自固化樣品降解前和降解7天后的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of CS-x Sr(x=0,2.5,5 and 10)specimens before soaking and after soaking 7 days

3.4 體外生物活性分析

圖6顯示了四種CS-xSr樣品在SBF溶液中浸泡1～7 d后樣品表面形貌變化。從圖可見,浸泡1 d后,四種樣品的表面出現(xiàn)細小的納米團聚顆粒；浸泡3 d后,四種樣品表面可以觀察到大量相互交錯的條狀納米微粒,微粒直徑在60 nm 左右,長度在300～400 nm左右；浸泡7 d后,條狀微粒變得粗大,相互之間的結(jié)構(gòu)更為致密,尤其是CS-10Sr樣品表面基本被條狀微粒覆蓋。EDX 分析浸泡7 d的條狀微粒,其Ca/P 比值均在1.57～1.78,預示各種樣品發(fā)生了仿生礦化反應,從而出現(xiàn)了含鈣酸鹽組分。

圖6 四種不同Sr摻雜率半水CS自固化樣品在SBF溶液中浸泡1、3、7天后材料表面形貌變化Fig.6 Low(bar:20μm)and high(bar:5μm)magnified SEM images of the CS-x Sr specimens after soaking in SBF for 1 day,3 days and 7 days

3.5 抑菌性能分析

圖7(a)通過最小抑菌濃度法顯示了四種粉體對金黃色葡萄球菌的相對抑菌活性?？梢园l(fā)現(xiàn),純CS、CS-2.5Sr、CS-5Sr三種粉體對金黃色葡萄球菌的MIC值為8 mg/m L,CS-10Sr粉體MIC 值為4 mg/m L,顯然CS-10Sr粉末對金黃色葡萄球菌具備更強的抑菌性能。圖7(b)通過直接接觸試驗顯示了四種CS-xSr粉體樣品對金黃色葡萄球菌的抑菌性能。相比對照組,四種CS-xSr粉體樣品顯示出較強的抑菌活性。與純CS 粉體相比,CS-2.5Sr、CS-5Sr和CS-10Sr三種粉體對金黃色葡萄球菌的抑制作用更為明顯,而且CS-10Sr粉體表現(xiàn)出對金黃色葡萄球菌最強的抑制作用。以上結(jié)果表明,CS中摻雜Sr能夠增強并延長抑菌效應。

圖7 四種不同Sr摻雜半水CS粉體抗菌實驗。(a)對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度(MIC,mg/m L)；PC,陽性對照；NC,陰性對照；(b)對金黃色葡萄球菌的直接接觸實驗(DCT,CFU/m L)Fig.7 Antibacterial activities of the CS-xSr the specimens against S.aureus with MIC(a)and DCT(b)at different time intervals

4 實驗討論

CS作為一種人工骨填充修復材料擁有悠久的歷史[5]。雖然CS具有理想生物材料的諸多優(yōu)點,但是該材料存在降解速率較快導致成骨活性相對較低[16]、抗感染能力較差[17]等缺點,嚴重阻礙了其在臨床上的應用。因此,減緩材料的吸收速率、改善材料的成骨活性、增強材料的抑菌能力成為諸多研究者所關注的熱點。Sr2+能夠減弱骨吸收和促進新骨形成[18]。迄今含Sr化合物在臨床上已廣泛用于治療骨質(zhì)疏松癥[19]。Liu等[20]報道Sr通過激活TGF-beta/Smad信號通路和下游轉(zhuǎn)錄因子Runx2能夠促進骨缺損修復。因此,本實驗通過共沉淀法制備出一種新型Sr摻雜的抗感染CS生物材料,以期提高骨替代材料的再生修復效果,縮短骨髓炎患者的愈合周期。

本研究將CaO、Sr(NO3)2等材料通過共沉淀反應制備出Sr摻雜半水CS粉體。四種粉體通過XRD檢測發(fā)現(xiàn),半水CS的主要特征峰清晰可辨,并在含Sr樣品的XRD 圖譜中的24.78o/2θ處可見SrS的衍射特征峰[21]；結(jié)合ICP 檢測,證實了所制備的粉體為摻Sr半水CS與SrS的復合材料,且摻雜Sr2+不影響半水CS晶體的特有形態(tài)。通常,采用機械混合等方式也可制備類似的兩相復合物,但是通過化學共沉積法制備較低含量SrS的半水CS 材料,勢必可以達到兩相更為均勻復合,避免因第二相局部富集使得半水CS水化性能和局部力學性能受到影響。

通常理想的骨替代材料不僅需要與新骨形成速度相匹配的降解速率,還需要具備一定的骨組織力學支撐能力。從四種不同Sr摻雜半水CS樣品的力學強度及衰變情況可見,少量針狀納米SrS組分分散于半水CS水化固化物中,將有助于提升固化物的初始致密性,從而產(chǎn)生良好的力學增強效應,因而SS-10Sr固化后其抗壓強度顯著高于純半水CS的固化物。不僅如此,在降解的最初階段(1～3 d),摻Sr越高的固化物因其內(nèi)部更為致密的結(jié)構(gòu),使得降解速率慢于純半水CS固化物。但是,隨著針狀SrS組分逐步降解,將造成兩相復合固化物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為疏松,不僅導致其力學強度更為顯著地下降,還因其微結(jié)構(gòu)疏松及比表面積增大,使得其降解速率加快,從而出現(xiàn)固化物的質(zhì)量更為快速下降的現(xiàn)象。由此可見,隨SrS組分含量增加,將增加固化物的結(jié)構(gòu)致密性,從而抑制固化物在最初階段的降解性。但是,因固化物降解而使得其結(jié)構(gòu)疏松并導致后期的降解加快。通常,SrS摻雜會影響無機材料的成核和結(jié)晶行為[22-23]。CaO 和Sr O 都是材料晶體網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu),但是Sr2+的原子半徑更大且Sr—O 鍵更弱,降低了某些無機鹽材料晶體網(wǎng)格之間的粘性[23]。因此可以預測,在降解的后期階段,固化物Ca2+的釋放量大于不含Sr2+的半水CS固物化,這一變化同時也影響到了四種材料力學強度的變化。

眾所周知,骨髓炎進展過程中會分泌大量的炎性物質(zhì),進而導致病患區(qū)呈酸性環(huán)境,引起材料降解速度加快、抑制金黃色葡萄球菌能力下降[24]。在SBF 浸泡實驗中,摻Sr的CS-xSr表面形成了更多的納米羥基磷灰石,而羥基磷灰石呈堿性,可以平衡部分酸性炎性產(chǎn)物,因此這種酸堿度穩(wěn)定的微環(huán)境更有利于成骨細胞的長入、抑制破骨細胞引起的骨吸收、抑制細菌的生長[18,25-26]。Chang等[27]發(fā)現(xiàn)生物材料摻Sr后能夠增加成骨細胞遷移、上調(diào)成骨標志基因的表達,并增加礦化結(jié)節(jié)的面積,尤其是摻雜10%Sr的材料在骨缺損區(qū)形成了更多的新骨。在抑制金黃色葡萄球菌實驗中,含Sr的CS-xSr的抑菌作用明顯強于純CS,摻CS-10Sr最低抑菌濃度為4 mg/m L明顯低于其他組。有學者發(fā)現(xiàn)Sr具有較強的抗菌能力,能夠拮抗金黃色葡萄球菌的生長[28]。但也有學者發(fā)現(xiàn)Sr本身的抗菌能力較弱,Sr代替Ca能夠改變材料的Zeta電位從而提高了抗菌活性[12]。因此,Sr的摻雜提升了CS自固化材料的生物活性和抗菌性,顯示出優(yōu)于臨床其他材料的綜合性能。

5 結(jié) 論

本實驗的研究結(jié)果表明,微量元素Sr能夠通過化學共沉淀法摻雜入半水CS 中并形成CS-xSr與SrS的兩相復合物,通過不同Sr摻雜水平能調(diào)控CS的降解性和力學性能,還可實現(xiàn)不同水平的仿生礦化活性及抗菌性能,從而優(yōu)化CS生物材料的各項生物學性能。因此,利用化學共沉淀法構(gòu)建的摻Sr半水CS(即CS-xSr與SrS復合物)有望改善傳統(tǒng)CS材料的降解性、生物活性和抗菌性,有助于推動骨髓炎抗感染和骨再生修復臨床治療技術的進步。