具有抗菌性能骨組織修復材料研究進展

朱蘇迪,魏曉博,閆 凜,樊曉霞,李寶莉

(延安大學醫(yī)學院,陜西 延安 716000)

骨缺損或功能障礙主要是由損傷、骨肉瘤(Osteosarcoma,OS)、先天性疾病、運動事故、骨質(zhì)疏松(Osteoporosis,OP)和關節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)等引起。骨組織的生長速度緩慢,通過自我修復來治療骨缺損和其他相關疾病具有挑戰(zhàn)性。骨損傷細菌感染的風險高達15%～55%[1],而骨關節(jié)植入的感染率可達4.9%[2],嚴重的骨感染甚至需要截肢。因此,骨修復材料自身具有抗菌性能是解決這個問題的有效途徑。目前,國內(nèi)外抗菌骨修復材料的設計思路是在保持材料生物相容性和成骨能力的前提下通過改性和復合的手段賦予其抗菌能力,且主要通過無機抗菌劑復合、有機抗菌劑復合和仿生納米結(jié)構(gòu)表面抗菌三種抗菌途徑來獲得自身具有抗菌能力的骨修復材料。

1 無機抗菌劑復合骨修復材料

無機抗菌劑復合骨修復材料主要是以骨修復材料為載體,與無機抗菌劑通過一定的技術(shù)手段復合,制備出具有抗菌性能的多功能骨修復材料。無機抗菌劑可簡單分為金屬元素、具有光催化性質(zhì)的金屬氧化物和非金屬元素三類。因無機抗菌劑對細菌具有長效、廣譜抗菌且不產(chǎn)生耐藥,同時兼具優(yōu)異的耐熱性能,使其能承受骨修復材料制備和改性過程中的高溫而不變性,從而受到科學家的廣泛關注。

1.1 金屬元素復合 銀、鋅、鎂和銅等金屬離子都是人體微量元素,在體內(nèi)承擔重要生理功能。不同于抗生素的是,金屬離子對細菌不產(chǎn)生耐藥性且抗菌范圍廣。Wilcock等[3]制備了一種可注射的銀摻雜納米磷灰石膏體,對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌均有很好的抗菌活性。Huang等[4]制備了負載銅的鈦基骨修復材料,增強了對金黃色葡萄球菌的殺菌能力,同時還可以激活巨噬細胞以促進成骨細胞成熟。Kazimierczak等[5]制備了鋅摻雜的新型大孔殼聚糖/瓊脂糖/納米羥基磷灰石支架,具有很強的抗菌和抗生物膜的性能,并顯示對人成骨細胞的生物相容性。Andrés等[6]制備了鎂摻雜的羥基磷灰石骨修復材料,除Mg2+抗菌外,還可能通過材料表面結(jié)構(gòu)和電活性途徑實現(xiàn)抗菌功能,并有促進傷口愈合的功能。

很多金屬離子除了具有抗菌功能,同時在成骨過程中還可發(fā)揮其他生物學效應,如鎵具有抗癌功能,鎂和鋅具有抗炎功能,銅具有促進血管生成的作用,多金屬離子摻雜已經(jīng)成為制備具有多種生物學效應的骨修復材料的重要途徑。Li等[7]制備了鍶和銅雙摻雜空心羥基磷灰石骨修復材料,不僅具有優(yōu)異的抗菌性能,還具有良好的生物相容性和骨組織的整合能力。Deliormanll等[8]制備了含氧化鈰和氧化鎵的硼酸鹽生物活性玻璃支架,在氧化鈰和氧化鎵含量為5 wt%時表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性、耐腐蝕性和生物相容性。摻雜銅/鍶的仿生骨修復材料除具有抗菌能力外,還可通過刺激巨噬細胞來誘導形成骨免疫微環(huán)境,骨免疫微環(huán)境通過刺激抑瘤素M(OSM)信號通路來促進成骨基因表達。

雖然離子的摻雜賦予了骨修復材料抗菌的能力,但目前還無法克服金屬離子在體內(nèi)的突釋效應,即短時間內(nèi)大量釋放的金屬離子具有劑量毒性效應。此外,金屬離子在體內(nèi)的最適作用濃度還不明確,尋找離子的最適作用濃度及合適的離子緩釋策略具有重要的現(xiàn)實意義。隨著研究的不斷深入,此類抗菌骨修復材料有望率先應用于臨床。

1.2 光催化金屬氧化物復合 二氧化鈦、氧化鋯和氧化鋅等金屬氧化物具有光催化抗菌的性質(zhì),在體內(nèi)可通過釋放金屬離子和生成活性氧兩條途徑協(xié)同抗菌。Zhao等[9]合成了摻雜氧化鍶和氧化鋅的生物活性玻璃支架,具有顯著的抑制大腸桿菌的作用和促進小鼠骨樣細胞(MLO-Y4)增殖的作用,氧化鍶主要起促進細胞增殖作用,氧化鋅主要起抗菌作用。Wang等[10]制備了負載氧化鎵和氧化鉭的鈦基骨修復材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌功能、成骨生物活性、細胞相容性和耐腐蝕性,抗菌功能可歸因于氧化鎵,而氧化鉭為該材料提供了優(yōu)異的耐腐蝕性能。Wiedmer等[11]用二氧化鈦對多孔陶瓷骨支架進行表面修飾,與未改性表面相比,在改性表面上形成的表皮葡萄球菌生物膜顯示出很低的活力,此外這種表面修飾對成骨細胞(MC3T3)無細胞毒性。

光催化金屬氧化物除有突釋效應和劑量不明的問題外,其光催化性質(zhì)賦予了骨修復材料更強的抗菌能力,同時對人體的綜合作用機制更加復雜。目前,關于金屬氧化物復合的骨修復材料的研究多集中在物理化學和表淺的生物學方面,下一步需要揭示金屬氧化物在分子水平的抗菌和其他生物學效應的機制,為進一步開發(fā)具有抗菌性能的骨修復材料提供理論支持。

1.3 非金屬元素復合 非金屬元素的抗菌性能在骨修復材料方面的作用同樣受到科學家的聚焦。氟、碘和硒等具有抗菌性能的非金屬元素在骨修復抗菌方面的應用已經(jīng)展開。Kagami等[12]將氟負載在丙烯酸樹脂上,氟的注入減少了細菌的附著和聚集。Teng等[13]先將碘與沸石咪唑酸骨架-8結(jié)合后負載在金屬有機骨架材料上,在近紅外光下實現(xiàn)響應性碘釋放和細胞內(nèi)活性氧氧化,達到協(xié)同抗菌效果,這種復合涂層還促進骨髓基質(zhì)細胞的成骨分化和骨整合能力。Hou等[14]制備了負載硒納米顆粒的植入材料,當硒納米顆粒濃度超過4 ppm時,牙髓卟啉單胞菌的生長受到顯著抑制;當濃度為2～16 ppm時,硒納米顆粒通過促進Runt相關轉(zhuǎn)錄因子2的表達促進成骨細胞分化。

非金屬元素復合同樣受到釋放過快和濃度不明的困擾。除此之外,非金屬元素復合制備較為困難,目前主要通過骨修復材料表面改性的方式進行抗菌,這限制了非金屬抗菌元素在骨修復抗感染方面的應用。未來通過負載技術(shù)的改進、作用機制的明確以及與金屬元素的多元摻雜等途徑,該類抗菌骨修復材料有望從基礎研究走向臨床應用。

2 有機抗菌劑復合骨修復材料

應用于骨修復抗感染的有機抗菌劑按照來源可分為天然來源和人工合成兩種。天然有機抗菌劑主要來源于植物和動物,如植物中的槲皮素和牡蠣殼中提煉的殼聚糖。在我國,天然有機抗菌劑還是一個尚未完全開發(fā)利用的資源寶庫。人工合成的有機抗菌劑眾多,如醛類化合物、季銨鹽類和鹵化物等,具有能大規(guī)模制備和易通過改性而增強抗菌性能的優(yōu)點,因此在抗菌骨修復材料方面的應用潛力巨大。

2.1 天然有機抗菌劑復合 一些中草藥和其他天然有機物質(zhì)具有抗菌、來源廣和成本低等優(yōu)點而備受青睞。ε-聚-L-賴氨酸具有廣譜抗菌性能,復合ε-聚-L-賴氨酸的骨修復材料在體外對多種細菌表現(xiàn)出很強的抑制作用,且抑菌持續(xù)時間長[15]。Unalan等[16]制備了含有肉桂精油的45S5生物活性玻璃/大豆蛋白支架,瓊脂擴散和菌落計數(shù)結(jié)果表明肉桂精油的摻入提高了支架對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性。Li等[17]將溶菌酶、氧化石墨烯和單寧酸集成在一起,制備了具有抗菌和成骨作用的多層涂層,涂層對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出很強的抗菌作用,并增強了牙髓干細胞的成骨作用。Honda等[18]制備了負載抗菌物質(zhì)魚精蛋白的羥基磷灰石骨修復材料,當魚精蛋白負載濃度不超過1000 μg/ml時,負載魚精蛋白的羥基磷灰石骨修復材料兼具抗菌活性和生物相容性。

當前,很多動植物來源的有機抗菌物質(zhì)如重樓[19]、巴戟天[20]、當歸[21]、槲皮素、番石榴葉提取物[22]和抗菌肽等在抗菌骨修復材料上具有較好的應用潛力,但天然有機抗菌物質(zhì)多是有機物的混合體,其抗菌作用和其他生物效應可能是通過多種途徑綜合作用的結(jié)果,甚至會出現(xiàn)不良反應,這就需要進一步闡明天然有機抗菌物質(zhì)的綜合作用機制,并提純及明確在骨修復抗菌方面的作用成分。通過學者們的深入發(fā)掘,此類抗菌途徑的骨修復材料已經(jīng)顯示出巨大的研究價值。

2.2 人工合成有機抗菌劑復合 人工合成有機抗菌劑如季銨鹽因具有較好的抗菌、低毒和低腐蝕性而廣泛應用于口腔修復領域,石墨烯具有抗菌、生物相容性、骨傳導等特性而在骨修復領域倍受重視。Sun等[23]將聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGED)、季銨化聚乙烯亞胺(QPEI)和阿侖膦酸鹽(ALN)共價結(jié)合到鈦基材料上,在早期可抑制細菌感染,在晚期能增強種植體與骨組織間的骨結(jié)合和生物力學性能,其中QPEI組分賦予了材料抗菌能力,ALN組分可以平衡陽離子抗菌劑的細胞毒性,提高成骨細胞的生物相容性。Pant等[24]使用S-亞硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)作為抗菌物質(zhì)制備3D骨支架,可抑制99%的金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌,起抗菌作用的是SNAP,其促進一氧化氮(NO)的釋放,同時還發(fā)現(xiàn)NO能促進成骨分化。Zhang等[25]將硫化銅納米顆粒和還原氧化石墨烯負載在植入物表面,協(xié)同耦合光催化抗菌與促成骨能力,硫化銅和還原氧化石墨烯的偶聯(lián)協(xié)同作用使植入物的抗菌功效提高了40倍,此外硫化銅/還原氧化石墨烯修飾的表面顯著改善了骨髓基質(zhì)細胞的黏附、增殖以及成骨細胞的分化。

隨著對人工合成有機抗菌劑的深入研究,已發(fā)現(xiàn)季銨鹽的抗菌性能與烷基鏈的長度有關,在4～18碳鏈時抗菌性能隨著烷基鏈的增長而增強。但人工合成的有機抗菌劑還面臨溶解性差、不易加工和抗菌時效不足的問題。隨著生物材料技術(shù)的發(fā)展,該類材料在感染性骨修復的治療方面將具有很大的應用前景。

3 仿生納米結(jié)構(gòu)表面抗菌骨修復材料

自然界有些生物的表面結(jié)構(gòu)能阻止細菌黏附和殺傷細菌,如蓮花表面和某些昆蟲翅膀的特殊結(jié)構(gòu)能抑制細菌的遷移和黏附,具有較好的抑菌作用。目前,仿生納米結(jié)構(gòu)表面具有持久抑菌和對細菌不耐藥的優(yōu)點而被嘗試應用于抗菌骨修復材料上。Bhadra等[26]通過水熱蝕刻工藝在基材料表面上制備了仿蜻蜓翅膀的抗菌納米陣列,這些鈦表面納米陣列被證明具有選擇性殺菌活性,消除了50%的銅綠假單胞菌和20%的金黃色葡萄球菌,同時還可以促進人成纖維細胞的附著和增殖。Ye等[27]在聚醚-醚-酮骨修復材料表面制備了蟬和貓科雙仿生結(jié)構(gòu),體內(nèi)外評估表明這種雙重仿生結(jié)構(gòu)可以長時間顯著降低多種細菌的黏附,同時還可保持很好的生物相容性。

現(xiàn)階段,仿生納米結(jié)構(gòu)表面抗菌的機制還不十分清楚,可能與納米表面結(jié)構(gòu)的形狀、密度和大小等物理特性有關,細菌的細胞壁特性和運動特性亦對抗菌效果有很大影響,現(xiàn)在還無法做到廣譜抗菌。但這類骨修復材料的降解性能和生物相容性不足,未來通過對技術(shù)的改進和整合,有望開發(fā)出具有較高臨床應用價值的抗菌骨修復材料。

4 結(jié) 語

自身具有抗菌性能的骨修復材料國內(nèi)外幾乎都處于實驗研究階段,目前距離臨床應用還有一段距離。未來,通過對不同抗菌途徑和不同材料制作技術(shù)的聯(lián)合應用,有望獲得具有可控、長效抗菌、生物相容性和成骨性能的復合型多功能實用骨修復材料。