種植體表面抗菌技術(shù)的分類與研究進(jìn)展

張晨秋，王柏翔，王慧明

種植體周圍炎是導(dǎo)致種植失敗的重要原因，而種植體表面菌斑與生物膜的附著與種植體周圍炎密切相關(guān)。在種植體植入初期的6 h內(nèi)若是細(xì)菌粘附先于種植體周圍組織的結(jié)合，細(xì)菌將逐漸形成生物膜[1]。生物膜的形成有助于細(xì)菌更好地攝取營養(yǎng)并且逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊及抗菌藥物的作用[2]。因而傳統(tǒng)的抗生素使用常常對生物膜無能為力，而對于無法控制的種植體周圍炎，去除種植體成為唯一的選擇，這不僅給患者造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，更給患者帶來了巨大的精神痛苦。

種植體表面抗菌技術(shù)多種多樣。制備抗菌涂層是一種防止微生物聚集與粘附的有效途徑，其可以通過表面分子的抗菌性，或通過釋放離子與抗菌素等途徑達(dá)到目的[1,3]。另外種植體表面改性也是一種重要的手段。本文擬對種植體表面抗菌技術(shù)的研究進(jìn)展作一綜述。

1 微量元素類

1.1 銀抗菌涂層

銀與銀化合物可以通過損傷細(xì)胞內(nèi)酶的功能，干擾微生物的呼吸作用，破壞細(xì)胞膜等方式起到抑制微生物繁殖的作用；亦可通過光催化反應(yīng)起到殺菌效果[4]。

制備銀抗菌涂層的方法有多種，包括離子動態(tài)混合法、物理氣相沉積、熱噴涂技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、微弧氧化技術(shù)等[5-7]。

目前隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米銀作為一種新材料，具有極大的比表面積、小尺寸效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)，同時具有廣譜抗菌性與細(xì)菌對其無耐藥性等優(yōu)點[7]，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。馬千里等[8]通過陽極氧化與電沉積法將納米銀顆粒結(jié)合于TiO2納米管陣列中，取得了良好的生物活性與抗菌性能。

1.2 鋅與氧化鋅抗菌涂層

鋅作為人體重要的微量元素之一，在合成DNA，提高酶與核酸代謝活性方面都發(fā)揮著重要的作用，同時具有一定的抗菌作用[9-10]。其抗菌的作用機(jī)制有不同假說，包括溶出抗菌學(xué)說、接觸抗菌學(xué)說、光催化抗菌學(xué)說。其中光催化抗菌學(xué)說認(rèn)為鋅的氧化物受紫外線或可見光激活可釋放出大量自由基，從而發(fā)揮滅菌作用[11]。因而鋅的氧化物也表現(xiàn)出了良好的生物相容性與抑制革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的能力[12]。

封偉等[13]用電解氧化技術(shù)在純鈦表面制備含Zn的活性涂層，結(jié)果顯示隨著涂層鋅含量的增加粘附的細(xì)菌逐漸減少。Memarzadeh等[14]的研究表明納米氧化鋅涂層顯示出了優(yōu)秀的抗菌性與生物相容性，是種植體理想的涂層材料。郝宇等[9]在純鈦表面制備了含有微量鋅元素的形貌均一的微納米網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，較之傳統(tǒng)的大顆粒噴砂酸蝕處理(sand-blasted large grit acid-etched，SLA)擁有更高的抗菌率。

1.3 銅抗菌涂層

銅有獨特的生物、化學(xué)、物理性質(zhì)，具備一定的抗菌活性，而且價格低廉。適量的銅無細(xì)胞毒性，并且有一定的抗菌性能。抗菌涂層釋放的銅離子通過直接或間接作用以及超氧化物的形成，導(dǎo)致細(xì)菌呼吸作用的停止以及DNA的分解[15]。但是銅在空氣中被快速氧化的特性限制了其應(yīng)用。

李慕勤等[16]的實驗表明在50 ℃的環(huán)境下鍍銅3 min，形成較為適宜的銅元素含量與較強(qiáng)的涂層結(jié)合力，涂層的抗菌率達(dá)到98.3%，具有理想的抗菌效果。

1.4 氟與氟化物抗菌涂層

許多研究證實，氟影響骨形態(tài)發(fā)生蛋白的生物活性，使成骨細(xì)胞的活性得到增強(qiáng)，破骨細(xì)胞功能受到抑制，氟化物具有一定的抗菌性能[10]。氟與氟化物的抗菌機(jī)理可能是氟元素降低了細(xì)菌在種植體表面的粘附，氟元素協(xié)同抗菌活性基團(tuán)向材料表面遷移作用的結(jié)果[17]。

Yoshinari等[18]通過離子注入的方式將氟離子導(dǎo)入純鈦表面，該涂層顯示了對牙齦卟啉單胞菌與放線桿菌良好的抗菌性。該研究推測抗菌作用的原理為表面氟與金屬的結(jié)合使細(xì)菌的活性降低。

2 有機(jī)抗菌劑與具有抗菌作用的載體

2.1 洗必泰納米抗菌涂層

洗必泰作為一種廣譜的抗菌藥物在臨床上應(yīng)用廣泛，在口腔領(lǐng)域里主要的用途是外科手術(shù)前的含漱與局部清潔，但是由于其溶解度高，所以抗菌的持久性差，在口腔內(nèi)通常只能發(fā)揮短期的抗菌功效。

Wood等[19]利用洗必泰六偏磷酸鹽納米材料作為涂層，實驗顯示其具有持久的緩釋效應(yīng)，洗必泰的釋放時間可以長達(dá)99 d，對鏈球菌屬具有良好的抑菌效應(yīng)，并且在獲得性薄膜中可以更好的發(fā)揮功效。

2.2 抗菌肽(antimicrobial peptide，AMP)涂層

AMP是一類廣泛存在于自然界生物體中的小肽物質(zhì)，作為機(jī)體先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分，抗菌肽在對細(xì)菌、真菌、寄生蟲、腫瘤細(xì)胞等具有廣泛的抑制作用。隨著越來越多的對抗生素具有耐藥性微生物的出現(xiàn)，AMP在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣闊。抗菌肽的作用機(jī)制復(fù)雜，目前提出的假說包括抗菌肽與細(xì)胞膜相互作用、抗菌肽有干擾靶標(biāo)的能力，但這些假說都是針對部分抗菌肽作用作出的解釋，其抗菌作用機(jī)理有待更深一步的研究[20]。

Yazici等[21]設(shè)計出一種具有形成堅固表面涂層與抗菌性的雙功能的AMP，并對其抗菌性能作出評價，納入評價的微生物包括變異鏈球菌、葡萄球菌屬及大腸埃希菌，實驗結(jié)果顯示該種鈦表面的抗菌性能顯著提升。

2.3 二氧化鈦與其作為載體的應(yīng)用

二氧化鈦已經(jīng)被證明具有良好的彎曲強(qiáng)度及生物相容性，而且與其他促進(jìn)成骨的材料，例如氧化鋁等相比，二氧化鈦還具有一定的抗菌性能[22]。其抗菌性能主要表現(xiàn)在兩個方面：一是在紫外光的激發(fā)下，二氧化鈦產(chǎn)生光生電子與光生空穴，與細(xì)胞直接發(fā)生反應(yīng)；第二是間接反應(yīng)，光生電子和光生空穴與水反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧具有一定的細(xì)胞殺傷作用[23]。

另外，隨著藥物緩釋技術(shù)的發(fā)展，二氧化鈦納米管作為良好的藥物加載材料，擁有廣闊的臨床應(yīng)用前景。Tang等[24]應(yīng)用凍干法與真空干燥法將慶大霉素加載于二氧化鈦納米涂層當(dāng)中，實驗結(jié)果顯示載有慶大霉素的二氧化鈦納米涂層的抗菌活性顯著高于對照組中二氧化鈦涂層。

2.4 可降解類抗菌涂層及其作為載體的應(yīng)用

許多學(xué)者將可降解材料作為種植體表面抗菌涂層的理想材料，原因是其在生物體內(nèi)的可降解性，并且理論上隨著可降解材料的分解與所結(jié)合抗菌物質(zhì)的釋放，種植體周圍的微生物可被有效抑制，保證了種植體的骨結(jié)合。相關(guān)的可降解材料包括聚乳酸、硅溶膠凝膠、殼聚糖等[25]。

殼聚糖作為典型的可降解材料，屬于多糖的一種，廣泛地存在于各種生物當(dāng)中，顯示出廣譜抗菌活性，良好的生物相容性，以及在生理環(huán)境中的可降解性。因而殼聚糖可以作為敷料、骨組織替代材料、組織工程支架等廣泛應(yīng)用于臨床當(dāng)中。Shi等[26]利用殼聚糖與RGD肽段結(jié)合制成抗菌涂層，實驗顯示該涂層可以抑制金黃色葡萄球菌的粘附，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與粘附。

聚乳酸是理想的綠色高分子材料，可以生物降解。Kalicke等[27]利用聚左旋乳酸作為載體，結(jié)合抗生素(利福平3%，富西酸7%)或者防腐劑(奧替尼啶2%，氯苯酚8%)，結(jié)果顯示該涂層對于金黃色葡萄球菌有良好的抗菌性，且生物毒性較低。

2.5 羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)作為載體的應(yīng)用

HA由于具有良好的生物相容性及生物活性，在種植體涂層中有著廣泛的應(yīng)用，其本身不具有抗菌性，但是可以作為抗菌成分的良好載體。

Memarzadeh等[28]將妥布霉素與HA結(jié)合，取得了良好的抗菌性，但其局限性是妥布霉素釋放的速度過快。此外，HA還可以作為洗必泰、銀、萬古霉素等多種抗菌成分的載體[29-30]。

3 表面改性

種植體表面的性質(zhì)，例如粗糙度、化學(xué)性質(zhì)、親水性、表面能、傳導(dǎo)性、表面電勢等，對于細(xì)菌初期的粘附、聚集有著重要的影響，通過改變種植體表面特性對于降低細(xì)菌的粘附與聚集有著重要的意義。

3.1 紫外線處理

紫外線處理可以改變純鈦表面活性。de Avila等[31]實驗研究表明經(jīng)過紫外線照射處理后的鈦表面由疏水性變?yōu)槌H水性，雖然整體的細(xì)菌活性并沒有受到影響，但是處理后鈦表面粘附的細(xì)菌顯著少于未處理組。此外紫外線處理后的表面成骨性能也有顯著地提高。Kim等[32]利用比格犬制作臨界一壁骨缺損模型，紫外線處理的種植體表面結(jié)合植骨表現(xiàn)出了良好的成骨效果。綜上，紫外線處理是一種經(jīng)濟(jì)而有效的種植體表面改性途徑。

3.2 種植體表面粗糙度的改變

種植體表面微觀上的粗糙程度影響著蛋白質(zhì)與細(xì)菌的附著。種植體表面粗化可以分為宏觀的表面粗化與微觀的表面粗化。宏觀的表面粗化以毫米級別衡量，例如螺紋形態(tài)等。微觀表面粗化以微米、亞微米甚至納米級別衡量[33]。

微米層面上，以SLA為例，SLA采用噴砂技術(shù)形成表面20～40 μm不規(guī)則的起伏，后采用酸蝕技術(shù)，使表面形成直徑為2 μm的微孔，這樣的結(jié)構(gòu)有利于蛋白質(zhì)的粘附[34]。

納米層面上，種植體表面納米級的粗糙結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)骨結(jié)合，減少種植體初期的微動。Singh等[35]利用超音速沉積相關(guān)技術(shù)精確控制表面納米結(jié)構(gòu)的厚度，數(shù)據(jù)顯示在表面的納米結(jié)構(gòu)超過20 nm后，隨著粗糙程度的增加，蛋白質(zhì)吸附水平隨之增加，而細(xì)菌粘附與生物膜的粘附水平則隨之下降。另外，納米結(jié)構(gòu)的形貌也影響著種植體的抗菌效果，Cao等[36]的研究表明種植體表面納米級的“袋形”結(jié)構(gòu)可以有效殺滅細(xì)菌單體，延遲細(xì)菌生物膜的形成。

綜上所述，種植體表面抗菌技術(shù)的最終目的是：誘導(dǎo)自然的骨結(jié)合進(jìn)而增強(qiáng)種植體的穩(wěn)定性；改善種植體周圍環(huán)境加強(qiáng)軟組織的結(jié)合；通過破壞細(xì)菌在種植體表面的粘附減少種植體周圍炎。種植體表面抗菌技術(shù)只是在種植體結(jié)合不理想與種植體抗菌性較差的情況下作為輔助手段，所以不能過分強(qiáng)調(diào)種植體的抗菌性能而忽視了其生物相容性與誘導(dǎo)成骨的性能。目前種植體表面的抗菌技術(shù)也存在許多問題，以種植體表面抗菌涂層為例，其與種植體的結(jié)合不夠穩(wěn)定，遠(yuǎn)期效果有待觀察，制備過程復(fù)雜等等，并且大多數(shù)研究尚處于體外實驗階段，臨床實驗的數(shù)據(jù)比較缺乏，此外對于許多抗菌物質(zhì)的作用機(jī)理目前尚不明確。雖然種植體表面抗菌技術(shù)的研究尚處于初級階段，但其發(fā)展迅速，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。