种植体多功能抗菌涂层的分类及进展

种植体多功能抗菌涂层的分类及进展

人工种植体如人工关节和牙种植体，已成为修复关节疾病及牙列缺失等的重要手段。植入体失败最常见的原因是种植体感染和无菌性松动。为了减少病人痛苦并提高成功率，现在常用抗菌涂层来阻止微生物在植体表面的粘附、定植和生物膜形成，从而减少种植体周围炎的发生率，但在抑制微生物的同时也常影响骨细胞活性，导致骨结合不良。如何使种植体表面兼具抗菌活性和成骨活性，成为种植体涂层研究的热点。本文将从表面处理、抗菌涂层这两个方面对其分类和特点作一综述。

    1.表面改性

    通过物理或化学修饰，改变植体表面的一些理化性质如表面粗糙度、化学性质、亲水性、传导性等，从而抑制细菌的粘附、聚集，增强骨细胞的亲和力。

    1.1纳米显微形貌抗菌

    植体表面的纳米微观形貌，不仅能够抑制细菌粘附，还能提高成骨细胞活性。研究显示，钛表面粗糙度在20nm以上时，利于蛋白质的附着，而细菌粘附和生物膜形成则越少。种植体纳米级粗糙表面和多孔性还能促进骨组织长入，减少植体微动并增强稳定性。Lan等通过酸蚀加紫外线照射来改变钛的表面形貌和表面能，显著促进了成骨细胞碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）的活性和体外矿化，并使金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的生长率下降70%。

    纳米表面在动物体内也显示出良好的促骨结合能力，对葡萄球菌形成长久抑制，能预防较晚期的感染。钛纳米管已被证实有抗菌活性，能抑制变形链球菌;载入抗菌剂后抗菌能力则更强。这种结构可能是增加了表面能，改变粘附其上的细菌的膜结构来抗菌，因而通过纳米显微形貌发挥抗菌及促骨结合活性的方法，很有发展前景。

    1.2紫外线（Ultraviolet，UV）处理

    研究发现，UV能改变纯钛表面活性，将疏水性转变为高亲水性，还能除去碳氢污染。这些改变能促进成骨细胞附着、增殖，并能显著减少多种细菌的粘附和生物膜形成，甚至在血液和唾液污染下还能保持这种特性。UV对TiO2也有同样的作用，并且通过光催化作用使周围的氧气、水产生活性氧，分解接触到的有机物，破坏细菌细胞膜，产生杀菌作用。国外学者还发现，经UV处理后能加快初期骨沉积和骨结合，减少松动的可能性。但这种技术由于需要紫外线照射，而限制了其应用。

    2.抗菌涂层

    临床上的抗菌涂层主要为释药涂层，在涂层上载入抗菌剂，通过其释放杀灭周围细菌。抗菌剂包括：

    ①有机抗菌剂如抗菌肽（Antimicrobial peptides，AMP）、抗生素、防腐剂等。AMP是一种氨基酸组成的短肽，它具有广谱抗菌活性，能破坏细菌的细胞膜，而不易导致细菌抵抗，是很好的抗生素替代物。AMP能与种植体表面共价结合，形成抵抗细菌粘附的表面，也能被载入涂层，通过缓慢释放来发挥作用。但是抗菌肽能被蛋白酶降解，有学者提议将其设计为氨基酸型或许能防止降解，还能保持较好的抗菌活性。常用抗生素有阿莫西林、万古霉素、头孢噻吩等，能直接与植体表面共价结合，或与药物载体结合;相比全身使用，减小了产生耐药、细胞毒性的风险;但如何实现抗生素长期入Ti或TiO2表面，不易产生耐药。

    ②无机抗菌剂有Ag、Cu、Zn、Bi、Cl、I、F等。可通过阳极氧化或等离子体浸入等方式载入钛表面，或载入羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）涂层中，依靠释放的离子破坏细菌细胞膜、抑制新陈代谢抗菌。由于Ag的广谱抗菌活性，在医疗器械中使用非常广泛，将其载入HA后，有效抗菌的同时可促进骨沉积。但是银有一个最佳浓度，超过一定浓度后对骨细胞有毒性。与有机抗菌剂比较，无机抗菌剂化学稳定性强，耐热，抗菌谱广，作用持久，但浓度较高时也存在细胞毒性，影响正常细胞生长。上述释放抗菌剂的载体，常见有以下几种：

    2.1生物陶瓷类涂层

    生物活性陶瓷主要有磷酸钙、HA、生物活性玻璃（Bioactive glass，BG），由于其良好的骨传导性，被广泛用于骨组织工程。磷酸钙与AMP结合，在抗菌的同时可促进成骨。Kazemzadeh-Narbat等研究发现，将覆有上述涂层的种植体植入兔胫骨中，可强效抑制金葡菌和绿脓杆菌，并促进了种植体骨结合;但是初期突释效应限制了其长期抗菌活性。有研究显示，抗菌肽和钛纳米小管-钙磷酸盐层涂层结合，并覆盖磷脂涂层后，释放周期可延长至数天。HA由于其良好的生物相容性、生物安全性及生物活性，成为最经典的种植体涂层。Fielding等将Ag和Sr载入HA涂层，在促进成骨细胞增殖、提高ALP活性的同时，增强了抵抗细菌的能力;释放的银离子而获得的抗菌活性长达一周以上。

    HA涂层加入其它抗菌物质如去甲万古霉素等也能获得双重效果，在临床应用广泛，但是HA涂层降解速率快，与种植体的结合强度差，剥脱后易引起组织的免疫反应，从而导致种植失败。BG是合成的可以降解的陶瓷材料，有较好的骨传导性，在溶解时改变周围PH而具有一定抗菌活性。Ordikhani等将负载万古霉素的壳聚糖与纳米生物玻璃粒子结合于钛表面，显著促进了成骨细胞附着和矿物质沉积，抗菌性能持续超过四周。再者生物玻璃如硅酸二钙比HA的生物相容性更好，更少地引起免疫炎症反应，且与钛颗粒结合形成的复合涂层能降低降解率，耐久性更好，有很好的材料应用前景。

    2.2壳聚糖涂层

    壳聚糖是一种具有生物活性的多糖，有良好的生物相容性、可吸收性和广谱抗菌性，广泛地存在于昆虫和甲壳动物外壳中，医学上常常和RGD等成骨成分结合应用。研究显示，经RGD修饰的壳聚糖在促进成骨基因表达的同时，可对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌产生有效抑制。若与抗菌药物结合，则抗菌性能大大增加，电沉积壳聚糖和庆大霉素形成复合涂层后，表现出对金葡菌的显著抑制。另外还可通过微弧氧化技术或者更精确的3D打印技术结合壳聚糖和HA这两种生物相容性极好的材料，提高诱导骨小梁形成的能力。壳聚糖本身具有抑菌性，又可作为药物载体，是一种良好的涂层材料，但其长期控释能力尚为不足。

    2.3纳米管涂层

    TiO2纳米管涂层不仅抗菌、有良好的耐腐蚀性、表面特性，而且对成骨细胞的活性有促进作用。Peng等在钛表面合成了纳米管阵列，发现提高了成骨细胞的粘附能力;且管径越小，成骨细胞粘附性越好，而对表皮葡萄球菌的抑菌性越强。载锌钛纳米管兼具成骨活性和抗菌活性;体外可显著促进成骨细胞ALP活性及基质矿化，使I型胶原、骨钙素表达增强;在体内则显著促进了种植体骨结合;由于锌离子释放缓慢，抗菌活性可持续超过一个月。纳米小管由于规则的微型结构成为良好的载药系统，可同时载入多种纳米金属颗粒，如Zn和Ag，通过微电流作用抑制细菌，还能减少抗银细菌株的产生。但是银等纳米粒子易被人体吸收，有干扰细胞功能甚至导致细胞死亡的危险，尚需谨慎使用。

    2.4聚合物涂层

    惰性聚合物与生物活性蛋白复合涂层，如聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）本身有抗细菌粘附的特性，同时抑制哺乳动物细胞的粘附，但PEG表面经精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）处理后可使成骨细胞活性恢复，而细菌附着则大大减少。但通过惰性表面被动抗菌，仅能抑制蛋白和细菌的吸附而不能将其清除，抗菌性薄弱。聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA），聚乳酸-乙醇酸（Poly（lacticco-glycolic acid），PLGA）、聚乳酸等可载入抗菌剂主动抗菌。Liu等将纯银纳米小管与PLGA涂层结合，能对多种革兰氏阳性和阴性细菌产生抑制，同时还能提高成骨细胞ALP活性，促进基质矿化及成骨相关信号分子表达。但研究者发现此种材料会随时间降解，且附着强度低，在种植过程中易被破坏。

    2.5生物分子涂层

    生物分子如细胞因子、黏附蛋白等，能引导细胞黏附，促进骨结合，与一些抗菌剂或抗菌材料结合有很好的双重功能。细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）蛋白是骨组织的主要有机成分，其中I型胶原蛋白占这些蛋白的90%，是骨诱导性的重要成分。但是ECM也可促进各种细菌的黏附，所以设计胶原蛋白模拟肽来替代人类胶原蛋白I，可以限制细菌的黏附和定植，同时保持骨诱导性。另外此涂层还能吸附抗生素来加强抗菌性能。但是这种蛋白化学稳定性不好，易溶解，还可能导致免疫反应。

    骨形成蛋白（Bone morphogenetic protein，BMP），是一族促骨生成作用最强的生长因子，可与抗菌剂结合来发挥促进成骨及抗菌的双重功效。BMP-2显著促进成骨细胞ALP活性及细胞外基质矿化。静电固定于载银的HA涂层后，此涂层既能抗感染又利于骨沉积。RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸），能显著提高成骨细胞活性，促进早期骨形成。常与透明质酸和壳聚糖的聚电解质多层膜等抗菌涂层配合，取长补短，恢复成骨细胞的活性。最近关于生物材料的研究开始转向其能否导致宿主产生连续、可控的免疫反应。在涂层上载入一些能调节免疫系统的信号分子减少破骨细胞的形成，或肽类控制炎症反应。如LL37，该抗菌肽本身无抗菌性，但其免疫调节作用能预防动物感染金葡菌和沙门氏菌。这样的免疫调节除了能加速组织的再生、减少破坏，也能激发机体的先天免疫系统间接预防感染，但是免疫反应的程度和范围应该被小心控制。

    表面改性对宿主的副作用小，但抗菌性较弱。主动释药的抗菌涂层抗菌力强，但难以控制药物的释放速度和量，其初期突释效应会使局部浓度较高，产生细胞毒性，且难以维持长期抗菌活性。有学者提出一种新的控释方式，即由刺激因子如细菌、PH、酶等来触动抗菌剂释放。如将金纳米颗粒稳定地包裹含抗生素的脂质体，当“感知”到细菌释放的毒素时，即可触发抗生素释放。这种方式抗菌时间长，也不易耐药。该种涂层技术发展前景良好，但目前还研究不多。

    良好的成骨活性及长期的抗菌活性，是种植体实现骨结合并维持长期稳定性的关键。为了在种植体表面实现上述生物活性，多种生物活性成分的联合应用及复合涂层技术是以后种植体涂层技术发展的趋势。同时，应对种植体表面涂层的短期及长期抗菌活性、成骨活性进行有效评价，并经大量的动物和临床实验证实。总体上，目前种植体抗菌涂层研究仍处于初级阶段，许多技术上的难题还需进一步研究解决。