介孔氧化硅在戰傷性骨創傷救治中的應用研究進展

李鵬，卜瓊，曹國定，劉鵬，方萬順，劉俊，劉軍，李旭升

1甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院，蘭州 730030；2解放軍聯勤保障部隊第940醫院全軍骨科中心關節科，蘭州 730050；3哈爾濱醫科大學附屬第一醫院呼吸內科，哈爾濱 150001；4山東第一醫科大學研究生部，濟南 250000； 5解放軍聯勤保障部隊第940醫院泌尿外科，蘭州 730050；6西安交通大學第二附屬醫院骨科，西安 710000

隨著現代軍事硬件的迅速發展，新型戰傷導致的參戰人員死亡率和傷殘率迅速升高[1]，高能量武器導致的戰創傷中，約70%存在四肢開放性骨折[2]， 戰傷性骨創傷早期可因嚴重出血導致大量作戰人員死亡[3]，同時，火器傷導致的開放性骨折多伴骨感染，易發生創傷性骨髓炎(post-traumatic osteomyelitis，PTO)[4]，造成感染性骨缺損。面對現代戰爭場景下復雜的戰傷性骨創傷，傳統救治手段已無法滿足戰場急救的需要。納米材料介孔氧化硅(mesoporous silica nanoparticle，MSN)已被廣泛研究并應用于化工、醫療和環境保護等眾多領域，近期國內外有學者發現復合MSN材料兼具止血、抗感染和骨組織修復等功能[5-7]。各新型MSN復合材料的出現，為戰傷性骨創傷的戰場救治提供了新的 可能。

1 材料特性

根據國際純粹與應用化學聯合會規定，MSN是一種孔徑介于2～50 nm的多孔無機高分子材料[8]， 具有超高的比表面積(約1000 m2/g)、規則有序的孔道結構、較高的熱穩定性(約900 ℃)、較高的機械強度和良好的生物相容性，同時具有作為無機生物多孔材料最重要的特質——均一可控的孔隙率[9]，因此是一種良好的止血和骨組織工程原材料。

2 MSN在戰傷性骨創傷中的應用前景

目前，關于MSN本身的基礎研究已較為透徹，其更多扮演的是一種基礎原材料的角色?；贛SN孔徑大小的易調節性和表面官能團的易修飾性，研究者將MSN與傳統的止血、抗感染和骨組織工程材料相結合，使止血和感染性骨缺損修復功能一體化，是MSN應用于戰傷性骨創傷救治的研究 趨勢。

2.1止血 在醫療條件缺乏的戰場環境下，院前大出血是造成戰創傷死亡或嚴重后遺癥的重要因素。據統計，15%～20%的戰斗死亡人員死于嚴重戰創性出血[10]。戰傷性骨創傷具有出血量大、部位深的特點，尤其是嚴重失血造成凝血因子丟失和稀釋繼而并發凝血功能障礙時，止血變得更加困難。因此，戰場上的大出血目前依然是各國戰創傷救治的首位考慮因素[11-12]。

傳統戰傷性骨創傷止血手段有止血帶壓迫止血、靜脈輸注凝血成分、局部止血材料止血。止血帶是目前公認的最為有效的止血手段，但連續使用時間不能超過2～3 h[13]，難以實現多發骨創傷局部持續止血。有機局部止血材料對于嚴重動脈出血創面止血效果不穩定。無機局部止血材料，如美軍主要的止血裝備沸石材料Quick Clot，在使用時放熱反應會產生超過100 ℃的高溫，造成創面組織灼傷[14]， 而蒙脫石礦粉類止血材料最近被證實會對傷口愈合產生負性作用[15]。

MSN是新式止血材料的研究熱點，其良好的止血效果主要依賴于其特有的結構和理化性質：(1)球形結構、極高的比表面積和孔隙率，可在骨傷出血處迅速吸收血液中的大量水分，凝結凝血因子和血小板，產生大量凝血塊，實現局部快速止血[16]；(2)表面攜帶大量負電荷，可激活凝血級聯的接觸激活途徑[17]；(3)孔徑大小可控，表面易修飾，可搭載各類凝血因子；(4)MSN材料呈粉末或顆粒狀，使用靈活，可用于爆炸碎片導致的多發骨傷止血。結合MSN和傳統止血材料的止血優勢進行復合止血材料的研發，是目前主要的研究方向。Dai等[17]發現，將MSN與傳統有機止血材料殼聚糖相結合制備出的復合材料——大孔殼聚糖包覆MSN干凝膠小球，兼具殼聚糖的止血作用和MSN的密集介孔網絡系統的體液吸收止血作用。加入了金屬離子的MSN材料，如鈣離子(凝血因子Ⅳ)，可與其他凝血因子一起發揮輔助凝血因子的作用，同時參與內源和外源兩條凝血途徑的激活。Li等[18]發現，通過靜電紡絲技術將負載姜黃素的MSN顆粒引入聚乙烯吡咯烷酮納米纖維墊中，可以明顯改善雜化納米纖維的止血和抗菌效果。由此可見，復合MSN止血材料的出現，彌補了現代戰傷性骨創傷傳統止血材料局部持續止血效果差、功能單一的缺陷，改良后的MSN材料兼具止血和抗感染的雙重功效，符合感染高發的戰傷性骨創傷止血救治需求。

2.2局部抗感染 火器傷導致的開放性骨折，受傷部位組織遭到大量破壞，感染菌種復雜[19]，血供殘缺，并可伴有死骨產生，導致口服和靜脈輸入的抗生素幾乎不可能達到并在患處局部維持穩定的藥物濃度。局部骨抗生素遞送系統(local bone antibiotic delivery systems，LBADS)是目前全身應用抗生素治療骨感染的主要替代方法之一，可以直接在受感染的骨骼部位以受控和持續的方式釋放多種抗生素，符合戰傷性骨創傷局部持續抗感染的救治 要求。

2.2.1局部廣譜抗感染 戰傷性骨創傷創面往往伴有金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌等多菌種感染[20]，戰場救治時抗感染用藥通常為外科醫師的經驗性選擇。單一抗生素無法同時殺滅耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、耐萬古霉素金黃色葡萄球菌類耐藥菌，而全身大劑量使用多種抗生素又會產生嚴重的肝腎毒性。因此采用傳統手段對戰傷性骨創傷行局部廣譜抗感染治療非常困難。

有研究發現，局部多種抗生素聯用可以產生協同作用，能明顯增強對頑固性細菌的殺滅作用[21]。經過表面官能化修飾的復合MSN藥物載體可同時搭載多種抗菌藥物，復合MSN材料在傷口部位逐漸溶解時，其搭載的抗生素在同一部位按比例同時釋放，可消除多種抗菌藥物聯用時藥代動力學的差異，使游離狀態下各抗生素的藥物濃度比例實現可控，進而使得局部廣譜抗菌成為可能，且因MSN具有止血作用，亦可降低感染隨血液向周圍及全身擴散的風險。Gounani等[22]制備的羧基改性MSN可攜帶足量的黏菌素B和萬古霉素，在局部釋放后，能夠同時殺滅革蘭陰性菌和革蘭陽性菌，且二者高濃度聯用時細胞毒性較低。在軍事應用上，MSN應根據具體作戰環境常見的感染菌種搭載對應的抗生素，如目前英國的軍事創傷治療標準為每8 h聯合靜脈注射1.2 g阿莫西林克拉維酸鉀進行經驗性抗感染治療，但Penn-Barwell等[23]認為，在水生環境中受傷的患者在接受阿莫西林克拉維酸治療的同時，還應接受環丙沙星抗感染治療。這為MSN類LBADS搭載抗菌藥物種類的選擇提供了新思路，即依據海陸空等不同軍種作戰環境中常見的致病菌種，有針對性地載入各類抗感染藥物，以實現更精準的抗菌治療。而對各軍種作戰環境中常見菌種進行總結，也可為MSN載入相應的廣譜抗生素提供理論依據。

2.2.2局部緩釋抗感染 戰傷性骨創傷早期抗感染治療效果不佳，繼而可發生慢性PTO。在自體免疫力低下、患處局部血供差、存在超級耐藥菌和細菌生物膜形成等因素的共同作用下[24]，可使戰創傷性慢性PTO反復感染、遷延不愈。慢性PTO的治療目前尚無統一標準，普遍認可的治療方案是積極的外科清創和術后長期口服或者腸外抗生素治療[25]。萬古霉素作為骨髓炎全身治療的首選藥物，骨組織滲透性極差，僅能提供10%的骨/血清藥物濃度比[26]。 因此，MSN類LBADS更適合戰傷性骨創傷的長期局部抗感染治療。

LBADS主要包括不可降解[如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylic，PMMA)，即抗生素骨水泥]與可降解(如膠原蛋白海綿和硫酸鈣等)兩類。PMMA存在抗生素暴釋現象，且需要二次手術取出；硫酸鈣等藥物釋放過程相對穩定，吸收性好，但機械支撐力相對較差，不利于維持骨折處的結構穩定。

自2001年Manzano等[27]提出在MSN微孔中載入藥物的建議后，MSN作為一種LBADS的研究成為熱點，且相較其他藥物緩釋系統具有以下優點：(1)含大量Si-OH官能團，保證了多種抗感染藥物的搭載；(2)孔徑大小均一，保證了藥物持續穩定釋放；(3)表面結構易修飾，便于材料與其他離子結合進行緩釋改性；(4)表面攜帶負電荷，可提供數量可觀的陽離子抗生素(如多黏菌素B)吸附位點[28]； (5)無大量熱能釋放過程，可用來包埋各類不耐高溫的抗生素；(6)材料剛性強，對大量骨組織缺失的戰傷性骨創傷可起到一定的支撐固定作用。MSN的理化特性可使患處局部保持較高的抗生素藥物濃度，避免了長期靜脈滴注大量抗生素引起的全身不良反應，又可減輕采用PMMA材料抗感染治療后行二次手術取出的痛苦。在MSN緩釋載體性能改良方面，Skwira等[29]研究發現，搭載了銀離子的MSN材料，隨著材料在體內的溶解，銀離子不斷被釋放入體內，可形成持續殺菌效果。傳統模板法獲得的MSN材料以粉末形式存在，眾所周知，粉末狀材料因為快速溶解易產生搭載藥物暴釋現象，對于此問題，Prokopowicz等[30]利用顆粒制備技術將粉末狀MSN制備成孔徑均一的微球，通過制備工藝的改良進一步優化了MSN的緩釋可控性。Kéri等[31]研究發現，MSN-明膠混合氣凝膠可實現藥物快速釋放及延遲釋放，而藥物釋放的動力學取決于載體中明膠的含量。考慮到戰地醫療資源的緊張性，MSN藥物緩釋系統應具備局部長期穩定抗感染的特點，Skwira等[29]將制備的MSN-聚合物復合材料搭載凍干環丙沙星，體外實驗證實可維持局部穩定藥物濃度30 d，對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌均具有持續的殺滅作用。

穩定的藥物釋放曲線，較低的藥物釋放搖擺率，以及極低的成骨細胞毒性，保證了MSN緩釋系統在骨組織內長期置入的穩定性和安全性。

2.3骨缺損修復 高能量武器導致的開放性粉碎骨折直接產生大量骨缺損，多伴有慢性PTO的發生，而慢性PTO患者在手術徹底清除壞死骨后產生的死腔又加重了骨缺損程度，嚴重者甚至需要截肢處理，致殘率極高。因此，在徹底手術清創的基礎上進行骨缺損修復是目前治療感染骨缺損的基本 原則。

傳統的骨缺損修復材料有自體骨、同種異體骨和骨移植替代物等。自體骨取材有限，同種異體骨存在免疫排斥反應，且需要低溫保存和定期進行消毒處理[32]，僅骨移植替代物符合戰傷性骨創傷的救治要求。骨移植替代物分為不可降解型和可降解型兩類。不可降解型的代表為PMMA，即抗生素骨水泥，其抗生素的兼容性較差(僅能搭載耐高溫類抗生素)，在治療感染性骨缺損時抗生素釋放不穩定，后期持續低劑量抗生素的刺激作用甚至是細菌耐藥性產生的危險因素。可降解的骨移植替代物如硫酸鈣、β-磷酸鈣等也存在機械支撐力不足、誘導成骨細胞活性不佳[32]等限制。

相較其他骨移植替代物，MSN在骨組織工程學上具有明顯優勢：(1)材料本身可刺激誘導骨髓間充質細胞的增殖和成骨分化，具有促進成骨細胞黏附、生長和分化的效果[6]；(2)多孔徑的結構有利于羥基磷灰石的沉積，可促進新生骨礦化；(3)相較其他孔徑材料，MSN結晶度低，具有最佳的生物降解性和生物相容性；(4)可局部控釋抗生素，適合戰創性感染性骨缺損的填補；(5)機械支撐力較強，一定程度上可避免骨折移位和二次骨折的發生。有研究發現，在藥物和生長因子雙重因素的干預下，骨缺損修復材料能夠顯示出最好的促骨生成效果[6]。骨形態發生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2，BMP-2)和地塞米松等促骨生成因子釋放不當會導致異位成骨現象，BMP-2釋放速率過高還會導致骨溶解和骨形成抑制，而通過MSN負載可實現此類骨生成因子的控釋[6]。Zhou等[33]制備的氨化-MSN納米材料，其表面的氨基可以與BMP-2相互結合，而介孔內可搭載地塞米松，解決了兩種促骨生成因子同時搭載的技術問題。Prokopowicz等[30]將羥基磷灰石與MSN結合制備成MSN復合骨修復材料，進一步增強了MSN復合材料的促進骨再生的作用。另外，MSN孔徑大小易調節，經過調控的MSN在體內降解的時間約為3個月，與機體新生骨的生成速度相適應，可以在新骨生成之時自行降解[34]。 經過3D打印等技術生產的MSN復合材料還具備分子篩的功能，可以將成纖維細胞等其他組織隔絕，減少骨不連的發生。

依據不同需求制備出多層、中空、管狀或有機-無機結合等雜化MSN復合骨缺損修復材料，使其兼具骨缺損修復和局部緩釋抗感染治療的功能，可降低作戰人員因戰創感染性骨缺損而導致的殘疾率，在一定程度上減輕戰地醫療資源負擔。

3 MSN應用于戰傷性骨創傷亟需解決的問題

雖然MSN被廣泛用于食品添加劑和化妝品中，但截至目前，美國食品和藥物管理局尚未批準任何一款MSN產品用于醫藥領域，首要原因為該材料在體內的生物分布、代謝機制尚不明確[35]，且缺少足量有效的臨床試驗。其次，MSN的孔徑雖然可調控，但目前幾乎沒有任何的粒子制造技術能夠做到對其一次性獨立改變一個變量，并監控每個變量的效果。作為一種軍用材料，MSN的生物安全性與制備技術均需進一步提升。

3.1藥物代謝

3.1.1代謝速率 MSN在實驗動物體內的降解時間從幾小時到幾周不等，目前已知通過調節其孔徑及比表面積可影響MSN材料的溶解速率，但尚不能依據孔徑大小和比表面積來精確計算進而控制其降解速率，另外，是否有其他影響代謝速率的因素尚待明確。有研究發現，MSN材料的藥物代謝速率具有pH依賴性[36]，戰傷性骨創傷部位pH與MSN釋放速率的相互關系有待進一步探索。

3.1.2代謝產物 MSN在生物體內主要以硅酸或低聚硅石的形式被自身吸收或經尿液排出[37]，MSN顆粒皮下注射無毒性，生物相容性良好，但是靜脈內、腹膜內注射則會導致實驗動物因肺栓塞而死 亡[38]。Cheng等[39]發現，MSN材料所攜帶的表面電荷對肝臟膽汁排泄率會產生一定的影響，帶正電荷的MSN復合材料顆粒在肝臟中累積，經糞便排泄；而帶負電荷的MSN復合材料顆粒則會被庫普弗細胞吸收，并導致肝毒性。摻入銀、鈣和銅離子等金屬離子的MSN復合材料雖然可以明顯抑制金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌和銅綠假單胞菌等細菌的活性，但在戰場上大劑量使用后，高劑量的金屬離子釋放入體則會產生細胞毒性，因此，在抗菌活性和生物安全性之間需要權衡。

3.2制備工藝 成骨細胞大小為10～50 μm，研究顯示，成骨細胞在100～200 μm的孔徑材料上更容易產生礦化骨，此孔徑范圍允許巨噬細胞浸潤，可誘導與血管形成有關的細胞定植、遷移和浸潤，同時可消除細菌和其他體外微生物的定植[40-41]。經過調控和修飾的MSN具備六角形、立方形、同心形、泡沫狀、放射狀或蠕蟲狀等多種孔型[27,42]，但其與戰傷性骨創傷救治相匹配的孔徑和材料形狀尚不明確。Huang等[43]研究發現，與其他形狀相比，球形MSN顆?？墒辜毎w移速度更快，更能促進細胞黏附，似乎更適合用作骨組織工程材料，但仍需進一步考證。因此，無論是將MSN制備成微球、薄膜還是納米管狀等任何形式的復合材料，產品的孔徑和形狀均應納入考慮。

4 總結與展望

MSN作為一種新型戰傷性骨創傷救治材料，具有許多傳統戰傷性骨創傷救治材料不具備的優點，但包括MSN在內的任何一種單一材料都無法同時應對戰傷性骨創傷導致的嚴重出血和感染性骨缺損等復雜狀況。對MSN進行研究不應僅局限于其本身性能的開發，而且應基于其易修飾的特性，結合傳統或者其他新型骨傷救治材料的優勢，開發出多功能復合材料。在制備工藝上，MSN材料應針對可壓縮、輕便易攜帶的軍需品特征進行改良，使其像傳統軍用止血粉一樣簡單易操作，可單兵裝備自我急救。盡早地將MSN復合材料應用于戰場上，以降低現代戰爭中作戰人員因戰傷性骨創傷救治不良導致的死亡率和殘疾率，是軍用MSN復合材料研究和探索的最終目的。