陸肖璇 張露露 陽 曦 陳佳龍

(安徽醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院/附屬口腔醫(yī)院，口腔疾病研究安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230032)

引言

人口老齡化加劇導(dǎo)致骨科疾病發(fā)病率增加，并帶動(dòng)了骨科植入物使用量的快速增長。鈦及其合金因其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和良好的人體親和性成為最常用的骨科植入材料[1]，但其性能并不理想，導(dǎo)致植入失敗屢屢發(fā)生，其中植入物的無菌性松動(dòng)和感染是導(dǎo)致失敗的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在早期和晚期膝關(guān)節(jié)翻修中，感染因素占所有病因的比率分別為38%和22%，無菌性松動(dòng)占比分別為23%和51.4%[2]。因此，解決無菌性松動(dòng)和感染是提高骨科植入成功率的關(guān)鍵。本文綜述了鈦基骨科植入物無菌性松動(dòng)和感染問題的最新解決方案，尤其是同時(shí)解決這兩個(gè)問題的最新進(jìn)展(見圖1)。

圖1 鈦植入物促成骨和抗菌涂層類型及效果。(a)無菌性松動(dòng)的解決策略；(b)植入物感染的解決策略；(c)同時(shí)解決無菌性松動(dòng)和植入物感染的策略Fig.1 The types and effects of osteogenic and antibacterial coatings of titanium implants.(a) Strategies for aseptic loosening；(b) Strategies for implant infections；(c) Strategies for solving both aseptic loosening and implant infections

1 無菌性松動(dòng)的研究現(xiàn)狀

無菌性松動(dòng)發(fā)生率與植入物表面骨整合速度呈負(fù)相關(guān)。除了與醫(yī)生的操作技術(shù)密切相關(guān)外，骨整合效果還與愈合過程中植入物與周圍骨組織的相對微動(dòng)和產(chǎn)生的磨損顆粒大小數(shù)量、植入物周圍骨長入和骨組織重塑等因素有關(guān)。

1.1 植入物－骨界面間隙的改善

植入物－骨界面處微小間隙是無菌性松動(dòng)發(fā)生的重要原因之一[3]。在重力和壓力作用下，微小間隙會(huì)引起植入物的微動(dòng)并導(dǎo)致間隙逐漸變大；另外，植入物－骨界面處微動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的磨損顆粒堆積在界面處，會(huì)阻礙植入物與骨直接接觸[3]，伴隨而來的局部炎癥反應(yīng)和聯(lián)級(jí)反應(yīng)導(dǎo)致破骨細(xì)胞富集、骨吸收、間隙進(jìn)一步增大，最終發(fā)生植入物松動(dòng)、細(xì)菌侵入甚至植入失敗[4]。

解決種植體-骨界面間隙的可行方法主要是使用具有高彈性、自膨脹能力的涂層，通過植入后涂層自膨脹或變形填補(bǔ)界面間隙，減少植入物的微動(dòng)及磨損。Fournier 等[5]將具有高壓縮強(qiáng)度、形狀記憶和超彈性的鎳鈦合金絲編織成多孔彈性結(jié)構(gòu)并焊接到植入物表面，當(dāng)其植入體內(nèi)后，可以在股骨腔內(nèi)向外膨脹以填充植入物－骨組織的間隙，減少微動(dòng)。結(jié)果顯示相比無修飾組，彈性結(jié)構(gòu)修飾顯著促進(jìn)了骨長入，加速骨整合。Garner 等[6]利用可降解的聚乳酸－羥基乙酸和不可降解的聚乙二醇，制備了一種溶脹性能可控的水凝膠并將其運(yùn)用于組織擴(kuò)張器，結(jié)果顯示，該材料具有良好的生物相容性和可控的溶脹性能，提示修飾骨科鈦植入物表面有可能解決間隙導(dǎo)致的問題。

1.2 促骨整合的植入物表面修飾

在骨整合的過程中，植入部位周圍細(xì)胞分泌各種細(xì)胞因子以促進(jìn)成骨細(xì)胞募集和誘導(dǎo)成骨分化，實(shí)現(xiàn)骨形成。骨形成速度決定種植體周圍骨長入、周圍骨組織重塑的進(jìn)程，也影響界面間隙封閉速度。由于鈦基植入材料缺乏良好的生物活性導(dǎo)致成骨細(xì)胞在其表面黏附差，甚至發(fā)生異物反應(yīng)[7]，造成局部骨質(zhì)量差、愈合緩慢等問題。提升植入物表面生物活性以促進(jìn)骨整合是解決這些問題的主要策略(見圖1(a))。

1.2.1 表面形貌構(gòu)建

植入物表面形貌可以影響骨整合。常見的表面形貌改善方法包括噴砂、酸蝕刻、陽極氧化等。Bang 等[8]采用酸蝕法制備了粗糙的鈦表面，并通過水熱處理沉積了碳酸鈣(CaCO3)涂層，結(jié)果顯示，CaCO3涂層增加了表面粗糙度，與光滑鈦表面相比，被酸蝕的粗糙鈦表面含有更多Ca2＋，可快速誘導(dǎo)界面的骨整合和礦化。微弧氧化(microarc oxidation，MAO)可在鈦表面形成緊密結(jié)合的多孔結(jié)構(gòu)以促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和增殖，Zhao 等[9]使用MAO 在鈦表面制備了錳－二氧化鈦微孔涂層，該涂層顯示出良好的生物相容性，不但可促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、增殖與分化，且涂層中Mn2＋的釋放可促進(jìn)表面礦化。

1.2.2 磷酸鈣涂層修飾

傳統(tǒng)的磷酸鈣涂層具有良好的骨傳導(dǎo)性，被廣泛運(yùn)用于骨組織工程[10]。Ke 等[11]采用激光近凈成形(laser engineered net shaping，LENSTM)和等離子噴涂沉積技術(shù)在鈦表面制備了梯度羥基磷灰石涂層，梯度涂層解決了傳統(tǒng)離子噴涂法界面結(jié)合強(qiáng)度弱的問題，并提高了表面骨傳導(dǎo)性。Yao 等[12]使用電化學(xué)陽極氧化法在Ti 和Ti-6Al-4 V 表面生長納米管并沉積磷酸鈣，顯示納米管結(jié)構(gòu)促細(xì)胞黏附能力更強(qiáng)，磷酸鈣涂層促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，并有效阻止金屬離子向外擴(kuò)散，提高生物相容性。

1.2.3 生物分子涂層修飾

細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、生長因子、趨化因子等在促骨整合方面的性能已經(jīng)被證實(shí)，將部分蛋白或因子整合在骨科假體表面可以有效改善生物相容性、促進(jìn)骨整合。Bai 等[13]利用水凝膠包裹了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein-2，BMP-2)等生物活性物質(zhì)，并與多孔鈦合金支架共同構(gòu)建了一種三維無機(jī)-有機(jī)超分子生物活性植入物，通過持續(xù)釋放BMP－2 誘導(dǎo)BMSCs 的成骨分化。隨著水凝膠的降解，骨組織會(huì)長入支架孔隙中，實(shí)現(xiàn)良好的骨整合。Chen 等[14]在鈦表面通過層層組裝技術(shù)裝載了骨化三醇(calcitriol，維生素D3 的重要代謝產(chǎn)物)和肽激素降鈣素(calcitonin，CT)，形成具有多層膜結(jié)構(gòu)的分子儲(chǔ)存庫，持續(xù)釋放的骨化三醇和CT 分別促進(jìn)了種植體周圍成骨細(xì)胞的鈣結(jié)合蛋白和BMP-2 表達(dá)上調(diào)，加速骨整合。Ma 等[15]采用陽極氧化法制備了二氧化鈦(TiO2)簇狀納米管結(jié)構(gòu)，并共價(jià)接枝了血小板衍生生長因子-BB，結(jié)果顯示，修飾表面顯著增強(qiáng)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的貼壁生長和成骨能力。

1.2.4 3D 打印構(gòu)建

3D 打印可以精確控制表面形貌，并可在植入物表面精確整合磷酸鈣、細(xì)胞因子等利于成骨的物質(zhì)。Meenashisundaram 等[16]采用噴墨3D 打印和無壓滲透技術(shù)，制備了具有優(yōu)異壓縮強(qiáng)度和細(xì)胞相容性的可局部降解Ti/Mg 復(fù)合材料，細(xì)胞評(píng)價(jià)顯示其顯著提高了成骨細(xì)胞的增殖率。Ma 等[17]通過3D打印制備了與骨缺損匹配的多孔鈦合金支架，將該支架植入兔橈骨缺損模型中，發(fā)現(xiàn)其顯著促進(jìn)了血管化骨組織的形成，且新骨與植入物形成穩(wěn)定結(jié)合。選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)打印是一種常見的3D 打印方法[18]，但其產(chǎn)生的未熔化或部分熔化的顆粒附著在鈦表面，易造成慢性炎癥和骨溶解，為了解決這一問題并同時(shí)達(dá)到促成骨效果，研究者使用SLM 打印出多孔鈦支架，并通過化學(xué)蝕刻和堿熱處理去除附著的有害顆粒，體內(nèi)結(jié)果顯示，該表面顯著提高了材料－骨組織界面處的骨整合程度[18]。

2 植入物感染的研究現(xiàn)狀

骨科植入物植入后按照感染發(fā)生時(shí)間分為3 個(gè)月內(nèi)的早期感染、3～24 個(gè)月的延遲感染和24 個(gè)月后的晚期感染[19]。預(yù)防植入物早期感染的關(guān)鍵是抑制微生物的黏附，防止延遲感染和晚期感染除了要抑制微生物黏附，還需保證抑制能力的持久性，本節(jié)將介紹早期感染防治策略和長效抗菌的研究進(jìn)展(見圖1(b))。

2.1 早期感染防治策略

早期感染通常由手術(shù)部位金黃色葡萄球菌(S.aureus)等病原體引發(fā)，患者需通過全身抗生素治療來防治感染，但細(xì)菌對抗生素的耐藥性、病灶部位抗生素富集量不足，導(dǎo)致細(xì)菌在植入物表面黏附、增殖并分泌細(xì)胞外聚合物形成生物膜[20]。生物膜一旦形成，其屏蔽效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致抗生素和宿主的免疫系統(tǒng)無法對內(nèi)部細(xì)菌起效；因此，植入物表面防止感染的最佳途徑是防止微生物的黏附和生物膜形成。

2.1.1 裝載抗菌物質(zhì)的表面構(gòu)建

植入物表面裝載抗生素已經(jīng)被廣泛研究，但由于細(xì)菌耐藥性和單一抗生素抗菌譜窄等問題，限制了其臨床效果。因此，具有廣譜抗菌且不導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的金屬離子成為潛在的抗生素替代物被用于植入物表面修飾，如Ag＋、Cu2＋、Zn2＋等[3]。Chen等[21]利用多巴胺原位還原的方法在鈦表面整合納米銀顆粒，發(fā)現(xiàn)該表面具有優(yōu)異的抗菌能力，但Ag＋的強(qiáng)細(xì)胞毒性有待解決。Ye 等[22]在鈦表面制備了鋅摻雜涂層，非晶態(tài)的Zn-O 鍵可以控制Zn2＋的釋放和活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，抗菌評(píng)價(jià)顯示該表面具有強(qiáng)的S.aureus 殺滅能力。另外，雖然Zn2＋和ROS 均會(huì)造成細(xì)胞損傷，但該表面并未顯示細(xì)胞毒性，故適宜的制備條件可以實(shí)現(xiàn)抗菌的同時(shí)不產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

除了抗菌金屬離子，一些非金屬化合物和生物分子也是構(gòu)建抗菌表面的新選擇。氯己定是臨床常用的一種抗菌沖洗藥物[23]，楊園夢等[24]將氯己定接枝到多孔鈦表面，結(jié)果表明，氯己定可抑制細(xì)菌的黏附并殺死細(xì)菌，且抗菌能力可保持7 d 以上，但同時(shí)也輕微抑制成骨細(xì)胞增殖。從腮腺分泌蛋白中提取的抗菌肽GL13 K 具有殺菌和抑菌作用，其D－對映體不易產(chǎn)生耐藥性且不易被酶解[25]；Acosta 等[26]使用彈性蛋白樣重組體將GL13 K 對映體接到鈦表面，結(jié)果顯示，涂層具有耐酶解能力和良好的抗菌活性，在模擬口腔環(huán)境中，有效破壞細(xì)菌細(xì)胞壁和抑制生物膜形成。

2.1.2 免疫功能調(diào)節(jié)表面構(gòu)建

中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等炎癥細(xì)胞可以吞噬微生物，在體內(nèi)感染防治中具有重要作用，但種植體感染發(fā)生后，尤其生物膜形成，炎癥細(xì)胞不但無法穿透生物膜以吞噬病原體，而且還會(huì)發(fā)生自溶并大量釋放吞噬酶和活性氧，導(dǎo)致局部無效炎癥反應(yīng)并造成周圍組織損傷[27]。Yang 等[28]利用磁控濺射在鈦種植體表面制備鉭納米薄膜，發(fā)現(xiàn)該薄膜增強(qiáng)了中性粒細(xì)胞對細(xì)菌的吞噬能力、減少細(xì)胞自溶，并促進(jìn)巨噬細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子和對細(xì)菌的吞噬。另外，為了減少炎癥細(xì)胞引發(fā)的局部無效炎癥，Li等[29]在鈦表面沉積了具有抗菌和抗炎活性的氧化鈰(CeO2)，CeO2降低了周圍組織中TNF－α、IL－6和IL－1β 等促炎因子的表達(dá)并抑制生物膜形成，最終抑菌的同時(shí)降低了炎癥對組織的損傷。

2.1.3 光動(dòng)力治療

TiO2是一種穩(wěn)定的光催化劑，可在紫外線(ultraviolet，UV)照射下產(chǎn)生ROS 以殺滅細(xì)菌[30]，但UV 對人體有害。Nagay 等[31]通過鈦的等離子體電解氧化法(plasma electrolytic oxidation，PEO)制備了摻雜氮和鉍的TiO2涂層，其在可見光照下可以產(chǎn)生ROS 殺滅細(xì)菌。Wu 等[32]使用PEO 在鈦表面制備了TiO2納米陶瓷涂層，在可見光照射下殺死細(xì)菌、分解有機(jī)殘留物，有效防止種植體周圍炎的發(fā)生。但由于以上涂層均需可見光照射，故只適用于口腔種植體，對于體內(nèi)較深部位骨科植入物的抗菌效果不佳。

2.1.4 光熱治療

近年來，基于近紅外輻射的光熱治療(photothermal therapy，PTT)因創(chuàng)傷小、組織穿透深、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，成為納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究熱點(diǎn)[33]。PTT 可通過局部升溫破壞細(xì)菌完整性或生物膜結(jié)構(gòu)，但其無選擇性的局部升溫可能對該部位及周圍的健康組織造成不利影響[34]。因此，與其他抗菌策略結(jié)合的PTT 更有應(yīng)用潛力。Zhang 等[35]通過一鍋合成法合成介孔多巴胺(mesoporous polydopamine，MPDA)，并將其與光敏劑吲哚青綠(indocyanine green，ICG)一同結(jié)合在鈦表面，使用精氨酰－谷氨酰－天冬氨酸多肽(ARG-GLY-ASP，RGD)肽對鈦表面進(jìn)行修飾以增加生物相容性得到最終樣品Ti-M/I/RGD(見圖2)。利用MPDA 的光熱轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)鈦表面涂層升溫和滅菌、利用ICG 在光輻射下產(chǎn)生ROS 實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞膜的破壞。該策略以遠(yuǎn)程可控的方式根除體內(nèi)植入物表面已經(jīng)形成的生物膜，避免清創(chuàng)手術(shù)或侵入性治療，對周圍組織的影響小。Song 等[36]在鈦表面構(gòu)建了多巴胺和二茂鐵(dopamine and ferrocene，PDA-Fc)修飾的TiO2納米棒抗菌涂層，利用PDA 的光熱轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)局部高溫、利用PDA-Fc 氧化還原能力產(chǎn)生ROS，實(shí)現(xiàn)協(xié)同高效的殺菌性能。

圖2 Ti-M/I/RGD 示意Fig.2 Schematic Illustration of Ti-M/I/RGD

2.2 長期感染的防治策略

由于骨科植入物在體內(nèi)的留存時(shí)間較長，部分毒力較低的病原菌可能延遲到晚期階段才引發(fā)感染[37]。此時(shí)病原菌已經(jīng)形成生物膜，導(dǎo)致抗生素治療效果不佳[38]，因此植入物表面具有長期抗菌性能非常必要。

2.2.1 抗菌金屬緩釋涂層構(gòu)建

銀離子是一種常見的廣譜抗菌劑，但其快速釋放會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)細(xì)胞毒性[39]。研究者使用多種方法控制銀離子緩釋，實(shí)現(xiàn)長期抑菌且減少細(xì)胞毒性。Zhang 等[40]通過激光熔覆將混有Ag 和ZnO 的羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)納米粉末沉積在鈦表面，Ag＋和Zn2＋的長達(dá)5 周以上的聯(lián)合釋放使種植體具有長效抗菌力，并減弱了Ag＋的細(xì)胞毒性。Xie等[41]制備了一種含PDA、HA、納米銀的殼聚糖(chitosan，CS)涂層，PDA 與CS 的雙重螯合實(shí)現(xiàn)了銀的長期穩(wěn)定釋放，實(shí)現(xiàn)良好的長期抑菌效果、避免細(xì)胞毒性。然而此類涂層隨時(shí)間延長釋放抗菌物質(zhì)逐漸減少、宿主的細(xì)胞或分泌的蛋白等逐漸覆蓋植入物表面等因素，會(huì)導(dǎo)致植入物表面抗菌能力下降或消失，故如何實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的抗菌效果仍是抗菌表面構(gòu)建的重要研究內(nèi)容。

2.2.2 抗菌肽和抗菌肽類似物

抗菌肽(antimicrobial peptides，AMP)是一種天然抗感染劑，可與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜靜電結(jié)合而穿透細(xì)菌，并觸發(fā)機(jī)體免疫反應(yīng)，表現(xiàn)出廣泛的抗菌活性以及免疫調(diào)節(jié)能力[42]，其物理作用機(jī)制避免了藥物耗盡的缺點(diǎn)，從而達(dá)到更長期的抗菌效果[43]。López 等[44]利用層層靜電組裝技術(shù)制備了裝載β-肽(一種類抗菌肽)的殼聚糖和透明質(zhì)酸聚電解質(zhì)多層膜，通過對涂層化學(xué)交聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)β-肽長達(dá)8 周以上的控釋并顯著抑制S.aureus定植和生物膜形成。另外，該多層膜在被S.aureus連續(xù)攻擊5 次后仍保持抗菌性，證明具有長期穩(wěn)定性。

3 同時(shí)實(shí)現(xiàn)無菌性松動(dòng)和感染的防治策略

促進(jìn)骨整合和防治感染是骨科植入物的理想設(shè)計(jì)策略，但目前的植入物涂層大多都只具備其中之一，造成最終的治療結(jié)果不理想。近年來，大量研究也開始逐漸聚焦同時(shí)滿足兩者要求的涂層構(gòu)建(見圖1(c))。

3.1 雙因素結(jié)合

能同時(shí)解決無菌性松動(dòng)和感染的涂層大多為雙因素的結(jié)合，即將一種促進(jìn)骨整合策略與一種抗菌策略相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)涂層的雙功能性。對鈦表面形貌進(jìn)行修飾并裝載抗菌金屬、抗菌肽等物質(zhì)的涂層是目前最常見的多功能涂層構(gòu)建策略。He 等[45]將PDA、陽離子抗菌肽LL－37 和磷脂包覆在經(jīng)MAO 修飾的鈦表面，LL－37 在磷脂的控釋下通過擾亂細(xì)菌相關(guān)基因的表達(dá)和增強(qiáng)免疫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)殺滅細(xì)菌，同時(shí)被修飾的鈦表面對間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞均表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。

除了結(jié)合表面形貌與抗菌物質(zhì)的策略，整合磷酸鈣、阿侖膦酸鈉等促成骨化合物和細(xì)胞毒性小的抗菌劑，同樣能達(dá)到良好的雙功能效果。甲基丙烯酸二甲氨基十二烷基酯(dimethylaminododecyl methacrylate，DMADDM)是一種新抗菌劑，其氨基和長烷基鏈可破壞細(xì)菌膜，對包括細(xì)菌耐藥菌株在內(nèi)的細(xì)菌和真菌具有強(qiáng)烈的抑制能力[46-48]。Zhou等[49]利用PDA 將DMADDM 和HA 整合到鈦表面并將其植入大鼠骨髓炎模型中，結(jié)果顯示，術(shù)后前4周逐漸釋放的DMADDM 抑制了病原菌的黏附與增殖，4 周后表面誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化、促進(jìn)植入物周圍新骨的形成。Sung 等[50]使用聚甲基丙烯酸縮水甘油酯聚合物刷修飾鈦種植體(Ti-AQ)后，共價(jià)偶聯(lián)高效陽離子抗菌劑季銨化聚乙烯亞胺和對骨礦物質(zhì)有較高親和力的阿侖膦酸(見圖3)。動(dòng)物模型結(jié)果表明，該涂層可在早期抑制細(xì)菌感染，在后期增強(qiáng)骨整合。

圖3 Ti-AQ 種植體示意Fig.3 Schematic Illustration of Ti-AQ

使用促成骨的活性分子結(jié)合抗菌物質(zhì)或光動(dòng)力治療也可以實(shí)現(xiàn)促成骨和抗感染。Atefyekta等[51]利用共價(jià)固定和光交聯(lián)分別將抗菌肽RRP9W4N 和含細(xì)胞黏附功能的多肽RGDC 結(jié)合到鈦表面，結(jié)果顯示，涂層同時(shí)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)了成骨細(xì)胞黏附和殺菌的目的。Huang 等[52]在鈦表面制備了含有光敏劑紅磷和精氨酸甘氨酸－天冬氨酸－半胱氨酸(arginine-glycine-asparticacid-cysteine，RGDC)的涂層，在紅外線照射下紅磷可產(chǎn)生活性氧殺滅細(xì)菌，RGDC 可以促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附和增殖。

3.2 三因素結(jié)合

為了更好實(shí)現(xiàn)抗菌和促骨整合，研究者將抗菌或促骨整合等3 種因素整合到一起以改善鈦基植入材料的表面性能。Hengel 等[53]將銀和鋅納米粒子緊密嵌入到3D 打印的多孔氧化鈦層中，利用多孔結(jié)構(gòu)和釋放的Zn2＋促進(jìn)成骨，Ag＋釋放實(shí)現(xiàn)抗菌，這種協(xié)同機(jī)制降低了Ag＋對宿主細(xì)胞的毒性，但其機(jī)理尚不明確。Li 等[54]通過堿熱處理獲得多孔鈦表面、通過多巴胺的螯合和原位還原構(gòu)建了裝載鍶/銀的多功能表面，結(jié)果顯示，堿熱處理涂層結(jié)構(gòu)與骨小梁相似，改善細(xì)胞的黏附性、延伸性和分化，鍶可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能和巨噬細(xì)胞的極化來促骨形成，銀能夠長期穩(wěn)定釋放并表現(xiàn)出良好的抗菌活性。此外，一些研究者設(shè)計(jì)了可隨pH 改變而釋放抗菌金屬離子和成骨物質(zhì)的涂層。Shen 等[55]在多孔鈦表面沉積鎂/鋅，與2，5-二羥基對苯二甲酸(2，5-dihydroxyterephthalic acid，DHTA)配位形成金屬-有機(jī)骨架(metal organic framework，MOF)涂層，在酸性環(huán)境下MOF 的溶解加快，逐漸釋放的DHTA 和Zn2＋在種植體周圍營造堿性微環(huán)境以殺死細(xì)菌并促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，Mg2＋可提高成骨細(xì)胞活性和抗炎基因的表達(dá)。該涂層在植入初期具有很高的抗菌和抗炎特性，并促進(jìn)了植入物周圍的新骨形成。受此啟發(fā)，若可設(shè)計(jì)出對pH、溫度、細(xì)菌毒素等物質(zhì)敏感的涂層，在適宜情況下釋放抗菌和成骨物質(zhì)，將會(huì)解決細(xì)胞毒性、細(xì)胞－細(xì)菌競爭性黏附等問題。

除上述方法外，研究者還找到了更為簡便的實(shí)現(xiàn)抗菌和促成骨的面構(gòu)建策略，即尋找一種同時(shí)具有兩方面性能的物質(zhì)或方法。來源于植物的黃酮類化合物被證明具有抑制生物膜的形成、抑制細(xì)菌毒性的能力，還可通過阻斷外排泵逆轉(zhuǎn)細(xì)菌的抗生素耐藥性以增強(qiáng)抗生素療效[56]，而其中的黃酮槲皮苷不僅具有抗菌特性，還能促成骨性和抗纖維化[57]。研究者在多孔鈦合金表面制備了槲皮苷涂層[58]。該涂層不但阻止細(xì)菌黏附、抑制細(xì)菌活性，還提升了表面成骨能力。Vishnu 等[59]對酸蝕刻的鈦表面進(jìn)行水熱處理，以生長出各向異性的納米花特征氧化層結(jié)構(gòu)，可導(dǎo)致細(xì)菌的機(jī)械損傷，并增加了成骨細(xì)胞的鈣沉積，這種簡易的改性方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好前景。Liu 等[60]合成了含成骨生長肽與環(huán)丙沙星的一種新型的抗菌成骨生長肽，并通過酰胺反應(yīng)固定在鈦基表面。體外評(píng)價(jià)顯示，與未修飾的鈦基質(zhì)相比，該涂層不但抑制和殺滅了細(xì)菌，且促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附和成骨分化，但其體內(nèi)抗菌和成骨性能還需進(jìn)一步研究。固定一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗菌和促成骨的成分，可能因功能構(gòu)象改變或接枝量不足等問題，導(dǎo)致抗菌和促成骨的能力都不突出。

4 結(jié)論

解決無菌性松動(dòng)問題和感染問題依然是目前種植體涂層的研究焦點(diǎn)。縱觀近年對于解決鈦種植體的無菌性松動(dòng)或感染，以及同時(shí)解決兩個(gè)問題的新策略，使用金屬離子結(jié)合各種表面形貌技術(shù)、利用3D 打印技術(shù)制備的多孔材料實(shí)現(xiàn)抗菌或促進(jìn)骨整合的方法已較為成熟，但金屬離子大量快速釋放所造成的細(xì)胞毒性、半衰期、穩(wěn)定性有限等弊端不容忽視，可通過涂層控釋、各組分間的協(xié)同作用等方法解決。此外，一些研究者將具有促成骨或抗菌性能的生物分子整合至涂層，在成骨或抗菌的同時(shí)提高生物相容性。對于多功能涂層的構(gòu)建，大多研究者將促成骨的方法和抗菌方法結(jié)合，制備成雙因素涂層，為了提高效果還會(huì)使用多因素制備涂層。但多因素在增強(qiáng)效果的同時(shí)，物質(zhì)之間的相互作用也會(huì)增多，雖然目前大多為相互促進(jìn)協(xié)同，但也有可能發(fā)生相互拮抗作用而造成構(gòu)建失敗。未來，同時(shí)具有抗菌和促成骨性能的新物質(zhì)或表面修飾方法仍有待探索，操作簡單、成本低廉、更具臨床使用潛力等優(yōu)點(diǎn)將使其成為研究的重點(diǎn)。