載銀氧化鋅復合涂層在骨科領域中的應用前景

張 騰，尚 劍

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院骨一科，哈爾濱150001)

骨科內置物周圍感染大多與“生物膜”的形成有關[1]，如何抑制細菌在內置物表面黏附定植以及形成生物膜是預防骨科內置物周圍感染的關鍵。納米銀作為無機抗菌劑已被廣泛用于醫學領域，對細菌[2]、真菌[3]、病毒[4]及癌細胞[5]都具有良好的作用，但其對人類細胞的毒性作用也使納米銀在生產生活以及臨床中的應用受到限制[6-7]。此外，銀的成本相對較高，納米銀顆粒易發生團聚，且抗菌效果受光和熱條件的限制，穩定性不佳，易被氧化，從而降低了納米銀的抗菌活性[8]。

納米氧化鋅具有較好的生物相容性[9]和低細胞毒性[10]，并能促進成骨活動[11]，且具有良好的抗菌特性[12]。此外，納米氧化鋅還具有化學穩定性好、價格低廉、制備簡單、形貌豐富、可控性好等優點，已被醫學領域廣泛認可[13]。綜上，納米氧化鋅與納米銀相結合制成復合材料可能在臨床中有更廣泛的應用前景。現對內置物感染的機制，納米銀在骨科內置物方面的應用以及存在的問題，納米氧化鋅在骨科的應用以及載銀氧化鋅復合涂層現階段的研究進展進行綜述，以期更好地將載銀氧化鋅復合涂層應用于骨科領域。

1 骨科內置物細菌感染的機制

研究發現，微生物會黏附在長期存留在體內的內置物表面，從而導致感染，這種感染被稱為“生物材料相關感染”[14]。生物膜的形成包含三個階段:附著、積累、擴散[15]。當體內細菌與植入物接觸后在其表面附著定植，隨著內置物表面細菌的大量繁殖，細菌不斷分泌細胞外基質蛋白，促進生物膜成熟，生物膜又不斷地釋放細菌，促使其尋找新的定植點，并不斷擴散[16]。生物膜的細胞外基質或多糖蛋白可進一步保護細菌，抑制機體免疫系統和抗生素對細菌的破壞，從而引起生物材料相關感染[17]。文獻報道，在生物膜存在的狀態下，細菌對抗生素的敏感度是同類細菌一般狀態下的1/1 000～1/10[18]；耐藥性是一般狀態的1 000倍[19]。生物膜一旦在內置物表面形成，會引起較為嚴重且頑固的感染，不僅會增加患者的住院時間和費用，還可能導致二次手術，甚至有截肢和死亡的風險。因此，抑制生物膜的形成是預防內置物術后感染的關鍵。增加內置物表面的抗菌性以及抑制生物膜形成主要有兩種方法，一是在置入物表面負載抗菌藥物，二是負載具有抗菌性的無機材料。由于抗生素的不合理應用，導致耐藥性菌株大量增加，因而一些學者將無機材料負載到內置物表面以發揮抗菌特性。銀作為無機抗菌材料的代表具有較廣的抗菌譜、較好的耐熱性、較持久的殺菌性能以及較高的耐藥性等優點，受到了研究者的廣泛關注[20-21]，在預防骨科內置物感染上有廣泛的應用前景。

2 納米銀在骨科領域的應用

銀具有良好的抗菌性能，已廣泛用于醫學領域[22]，如載銀的醫療設備、傷口敷料以及外用乳膏等。銀的有些應用也適用于骨科，其有效的抗菌特性可以降低感染率，從而減輕患者的經濟負擔，提高生活質量。目前納米銀在傷口敷料、外固定針、假體感染以及骨水泥中都有不同程度的應用，并取得了良好的治療效果。

載銀傷口敷料可用于預防創傷性損傷和假體感染。Keen等[23]對Gustilo/AndersonⅡ型和Ⅲ型開放性骨折患者進行回顧性分析發現，患者均給予沖洗、清創、靜脈注射抗生素以及納米銀敷料覆蓋切口，并予以負壓治療，結果發現，17例患者中僅有1例有臨床感染征象。Jurczak等[24]進行的一項前瞻性臨床試驗評估了載銀敷料與聚維酮碘紗布治療開放性手術切口的效果，結果顯示，載銀敷料組在疼痛管理、舒適度以及滲出液方面優于非載銀組；在切口愈合方面，載銀組也明顯高于非載銀組。Grosso等[25]對接受全髖或全膝關節置換術并接受載銀敷料或普通敷料的患者進行回顧性研究發現，載銀敷料能顯著降低急性假體感染的發生率。

外固定常用于治療嚴重粉碎性或開放性骨折，由于外固定針建立了一個穿過外層皮膚經軟組織到骨內的通道，因此釘道感染的發生率較高。Parameswaran等[26]對285例行外固定治療的患者進行4年的隨訪發現，有32例發生感染，感染率為11.2%。釘道感染可導致外固定松動、骨折不愈合、軟組織壞死以及骨髓炎[27]。Collinge等[28]在羊的髂嵴內插入載銀和非載銀的不銹鋼針，并接種金黃色葡萄球菌，20 d后檢測進針點的感染情況發現，載銀組外固定針的感染率[62%(22/36)]明顯低于非載銀組[84%(10/12)]，用掃描電子顯微鏡觀察外固定針生物膜的生長情況發現，載銀外固定針較非載銀外固定針有更少的生物膜菌落。

假體通常用于骨組織腫瘤切除、嚴重創傷、終末期關節翻修形成骨缺損后的重建[29]。假體植入后最嚴重的并發癥是假體感染。根據假體置換的部位感染的發生率為11%～23%[30]。Wafa等[31]評估了接受骨腫瘤假體置換的患者假體感染的發生率。結果表明，載銀假體組有85%(17/20)的患者未發生感染，而非載銀假體組有57.1%(12/21)未發生感染，說明載銀假體在降低術后感染率方面是有效的，因而在假體上使用銀涂層在控制感染方面更為有效。Hardes等[32]對51例接受了銀涂層假體置入術的骨肉瘤患者進行5年的隨訪，并對74例未接受銀涂層假體置入術的骨肉瘤患者進行回顧性研究，結果顯示，接受銀涂層假體的患者的感染率明顯低于未接受銀涂層假體的感染率(5.9%比17.6%)。

在骨科手術中，骨水泥廣泛用于關節置換術固定植入物和骨空間填充物。骨水泥中含有各種添加劑，包括穩定劑、對比劑和抗菌劑，其中抗菌劑要求抗菌譜廣、耐熱、植入后能長期保持抗菌性且不影響骨水泥的力學性能。Prokopovich等[33]將硫普羅寧添加到骨水泥中，同時將納米銀負載在骨水泥上，硫普羅寧的存在使納米銀的穩定性提高，負重后具有良好的抗菌效果，且不影響骨水泥的力學性能。Oei等[34]比較了銀納米顆粒-聚甲基丙烯酸甲酯(載銀骨水泥)與普通骨水泥的抑菌效果，結果發現，銀納米顆粒-聚甲基丙烯酸甲酯對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌以及奇異變形桿菌的抑制作用達到99.9%。

3 納米銀在骨科中應用時存在的問題

許多研究已經對納米銀的抗菌活性進行了討論，但載銀涂層植入物用于骨科領域尚存在一些爭議，這主要是基于納米銀潛在的副作用和生物相容性。有研究表明，納米銀可以劑量依賴的方式引起細胞毒性作用[35]。Massè等[36]評估了銀涂層螺釘預防外固定釘道感染的作用，結果發現，術后血液中銀的含量較術前顯著升高。提示銀可以在血液中積聚，當達到某個量時可引起毒性反應。Pauksch等[37]發現，當納米銀的水平達到10 μg/g或更高時，對人類間充質干細胞和成骨細胞有一定的毒性。過量的納米銀可以抑制人體免疫系統[38]，還可誘導產生細胞毒素，損傷人類肺纖維組織[39]。納米銀修飾的植入物的生物相容性也非常重要。Lu等[40]將不同濃度的納米銀(0.5、1、1.5、2 mmol/L)與鈦板結合，然后與成骨細胞共同培養。經過7 d培養，成骨細胞能夠黏附于涂層上,并生長良好，1周后，濃度為1 mmol/L的納米銀對細胞的增殖有明顯的抑制作用。該研究認為低濃度的納米銀涂層有利于成骨細胞生長。因此，提高納米銀抗菌效率的同時又要保持較好的生物相容性是當前面臨的重要問題。將納米銀與其他金屬氧化物結合形成復合物是解決該問題的有效方法。納米氧化鋅不僅具有抗菌特性，還具有良好的生物相容性、安全性和長效性，已經成為抗菌材料研究的熱點。

4 納米氧化鋅在骨科領域的應用

氧化鋅作為無機抗菌劑幾乎對所有細胞菌株都有較好的抗菌效果[41]。雖然抗菌活性不如銀，但氧化鋅更低的細胞毒性和更好的生物相容性受到研究者的青睞。納米氧化鋅憑借小尺寸和表面效應可以更好地發揮生物效應。Seil和Webster[13]在傳統氣管插管中加入納米氧化鋅，提高了抗菌活性，同時抑制生物膜的形成，此外納米氧化鋅在骨科術后的引流中也具有較好的抗菌作用。Akhtar等[42]研究顯示，納米氧化鋅可成功殺死部分癌細胞，對人體正常細胞無明顯損傷。張利等[43]將氧化鋅加入復合骨水泥中，既提高了骨水泥的固化強度，又加快了骨水泥的固化時間，同時氧化鋅的抗菌特性又可避免術后感染。納米氧化鋅除了具有優良的抗菌活性外，還具有良好的成骨活性。Jin等[11]將鋅注入鈦表面，在鈦表面以氧化鋅的形式存在，鋅離子的注入顯著刺激了成骨細胞的增殖，增加了大鼠骨髓間充質干細胞的黏附和擴散活性、膠原活性以及細胞外基質礦化作用；同時鋅的注入也對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌有一定的抗菌作用，且抗菌作用隨著鋅含量的增加而提高。Huo等[9]將納米氧化鋅負載到鈦置入物表面，體外實驗發現，納米氧化鋅對金黃色葡萄球菌在第1、3、7天的抑菌率分別為100%、91.47%和86.7%。說明納米氧化鋅在體外表現出較長久的抗菌特性，可以預防術后感染，在缺乏外源性骨補充劑的情況下納米氧化鋅也顯示出良好的成骨誘導能力。

5 載銀氧化鋅在骨科領域的前景

納米銀和納米氧化鋅均展現出良好的抗菌特性，而鋅是人體必需的微量元素，可調控成骨細胞生成。因此，載銀氧化鋅復合抗菌涂層集合了銀和鋅的特性，顯示出抗菌和成骨兩種活性，這樣的屬性對于骨科內置物表面涂層是非常有益的。載銀氧化鋅復合納米結構不僅制備過程簡單多樣，且兩者結合后產生協同抗菌作用[44]。Agnihotri等[45]將銀納米顆粒沉積到氧化鋅納米棒上，合成的復合物對大腸埃希菌和枯草芽孢桿菌表現出較強的抗菌能力，在各種實驗條件下均達到100%的殺菌效果；與銀納米顆粒和氧化鋅納米棒相比，顯示出優越的抗菌活性，表明兩者結合發揮了協同抗菌作用。此外，載銀氧化鋅復合納米結構不誘導人類細胞系的細胞毒性作用[45]。呂中等[46]研究發現，納米銀和納米氧化鋅兩者結合后對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性明顯高于純納米銀和純納米氧化鋅；當混合物中銀的濃度減半時，其抗菌性能仍高于純納米銀或純納米氧化鋅，說明兩者的結合發揮了協同抗菌作用。有研究報道，納米銀對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均有抗菌作用，但對革蘭陰性菌的作用更為明顯[47]；而納米氧化鋅對革蘭陽性菌的抗菌效果更好[48]，因此將兩者結合會對兩種類型的細菌起協同抗菌作用，擴大了抗菌范圍。

Chen等[49]通過水熱法和光還原法將載銀氧化鋅納米棒沉積到聚二甲基硅氧烷上，選用金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌作為實驗菌進行抗菌實驗，結果表明，載銀氧化鋅納米棒的抗菌效果相對于純氧化鋅納米棒有明顯的增強；與此同時，氧化鋅納米棒的存在使銀納米顆粒分布得更加均勻，增加了銀納米顆粒與細菌接觸的機會。納米銀和納米氧化鋅的結合，既減少了銀的用量，協同抗菌效應又提高了抗菌效果，大大降低了過量銀引起的細胞毒性作用；同時，納米氧化鋅因其豐富的表面形貌，使銀的穩定性更好，減少了銀納米顆粒的團聚，使銀的分散性更好，極大地提高了銀的抗菌效率。生物相容性也是較為重要的屬性。Jin等[50]將鋅和銀共同負載到鈦表面，在表面形成具有較寬尺寸分布的銀納米顆粒的含鋅膜，提高了鈦表面的耐腐蝕性。體外實驗發現，在銀和鋅負載鈦中觀察到骨髓間充質干細胞的初始黏附、擴散、增殖和成骨分化，且對細菌具有抗菌作用。由于鋅離子和銀納米顆粒相互作用產生的協同效應使得銀和鋅負載鈦的復合體表現出良好的抗菌能力和成骨活性，在骨科內置物中具有良好的應用前景[50]。

6 問題與展望

載銀氧化鋅復合涂層結合了銀和氧化鋅的優點，兩者協同抗菌效應進一步提高了無機抗菌材料的抗菌性能，可大幅度降低骨科手術后感染的發生率。納米氧化鋅的存在一方面在保持抗菌活性的同時也減少了銀的使用量，從而降低過量銀引起的細胞毒性作用和成本；另一方面，納米氧化鋅豐富的形貌可以提高銀納米顆粒的穩定性和分散性，使分布更加均勻，更好地發揮銀的抗菌作用。除此之外，納米氧化鋅良好的生物相容性以及促成骨作用可以為骨折術后提供一個良好的愈合環境，有效預防骨折術后延遲愈合或不愈合引起的骨不連。現階段對載銀氧化鋅復合涂層的研究還僅限于體外或動物實驗，還有很多問題需要解決，如抗菌機制，兩者制備過程中的用量比例，在人體中的分布、代謝等。隨著研究的深入，相信載銀氧化鋅復合抗菌涂層在骨科領域必將有廣闊的應用前景，使廣大患者從中受益。