生物医用材料植入后的细菌感染

生物医用材料植入后的细菌感染

生物材料的长期应用将导致细菌和其他微生物在其表面上的粘附和感染。这种感染被称为“生物材料感染（bci）”。随着人工关节和牙种植体等人体植入类医疗器械的广泛应用,通过医用器件产生的细菌感染性疾病已经成为临床各科室关注的重要问题之一。BCI不仅发生率高,更重要的是,发生BCI后,会引起愈合不良,甚至导致死亡。BCI现象的发生,不仅给人类带来了严重的健康威胁和沉重的经济负担,而且在一定程度上限制了生物医用材料的应用和发展。钛合金凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性和综合力学性能逐渐成为牙种植体、骨创伤产品及人工关节等人体硬组织替代物和修复物的首选材料。但生物医用钛及其合金植入材料植入人体后,同样会遇到BCI问题。比如用于人工心脏瓣膜引起的早期人工瓣膜心内膜炎,用于口腔种植体引起的牙周炎等口腔炎症。更严重的是,为了有利于骨整合,植入材料表面一般设计为具有一定粗糙度的表面,这样就为细菌的黏附提供了有利的条件,增加了感染发生的机率。一旦感染发生,不仅会增加病人住院治疗费用,而且有时需要取出内植体重新手术,甚至面临截肢、死亡等危险。因此,如何有效预防医用钛合金材料相关的感染(BCI),已经成为生物医用材料和临床医学等研究领域所面临的重要问题,具有重要的临床实际意义。BCI的最初过程是生物材料表面的细菌黏附,一旦发生BCI,治疗效果极差。因此,为了减少BCI的发生,一方面应减少细菌的污染,这包括在植入生物材料之前,彻底地治愈慢性感染病灶,植入生物材料过程中和其后,严格地无菌操作和预防性地应用抗菌素。另一方面则应改进和完善生物材料的性能,其中最有效的方法之一是对医用钛合金进行表面改性处理[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。本文对国内外医用钛合金表面抗菌涂层的研究进展进行调研和综述。1无机抗菌剂的应用现阶段的抗菌材料由于其兼有结构材料(由基体承担)和功能材料(由抗菌剂承担)的双重作用,其研究与开发具有十分重要的社会意义与经济价值,因而受到人们的广泛关注。抗菌材料的性能主要由其采用的抗菌剂来决定,抗菌剂根据其使用的原料不同,主要分为天然抗菌剂、无机抗菌剂和有机抗菌剂。天然抗菌剂来自于动植物自然提取物。主要的优点是安全性高,无副作用,具有短期高效的抗菌效果,但缺点是抗菌效果持续时间短且热稳定性差,且原料虽容易获得,但制备工艺相对复杂,限制了其进一步广泛应用。有机抗菌剂杀菌能力强,但易产生耐药性,并易带来一定的副作用。20世纪80年代开发出的无机抗菌剂,因其广谱抗菌、无毒、无耐药性和抗菌时效长而大大拓宽了其应用范围,现已应用于抗菌织物、家用电器和航海防霉防藻领域。根据抗菌方式的不同,无机抗菌剂又分为两大类:(1)光催化抗菌剂如TiO2、ZnO;(2)活性抗菌金属离子抗菌剂如银、铜、锌离子等。由以上对比可见,在应用于食品餐饮、医药卫生等对安全性和抗菌时效要求较高的场所和领域时,无机抗菌剂有着更加均衡的综合性能。在应用于人体介入性材料时,由于人体内环境的特点,无法获得光照催化,因此负载抗菌金属离子的材料就成为人们关注的对象。根据前人的研究和总结,常见金属离子抑制和杀灭微生物的活性强弱顺序如下:Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Au>Zn>Fe>Mn>Mo>Sn,常见金属离子对人体安全性顺序如下:Ag>Co>Ni>A1>Zn>Cu=Fe>Mn>Sn>Ba>Mg>Ca。考虑到汞、铬、镉等相当一部分金属离子对人体是有害的,因此实际上用作抗菌剂的金属离子主要是银、铜和锌,其中银离子因其强力的抗菌效果、良好的热稳定性、持久的抗菌效果,并对细胞及组织无明显的毒性而受到许多学者的关注,成为目前制备无机抗菌剂的主要选择。根据BellantoneM等人的研究,在浓度大于31.75μg/g且纳米银颗粒尺寸在45nm以下的情况时才会展现出明显的细胞毒性。而有研究认为只要银离子浓度达到0.1μg/g就可以发挥抗菌作用,因此只要合理控制抗菌剂剂量,银离子十分适合于制备抗菌剂。2银离子杀菌机制抗菌材料的抗菌机理是一个复杂的问题,因为除了材料对细菌的影响外,培养液成分、温度、湿度、气氛等对细菌的生长繁殖都会产生影响,细菌的生存状态本身也是一个动态发展的过程,在这种情况下,现有技术难以对某个或一定数量细菌的生物学变化做到实时精确的观察和掌控。尽管如此,抗菌材料的抗菌性能无外乎是材料作为环境对细菌等微生物的生长繁殖的破坏作用。现有研究认为完成这一破坏作用的途径主要有4个,分别是:(1)抑制细菌细胞壁重要成分肽聚糖的合成,破坏细胞壁的完整性,使其丧失对渗透压的控制,进而失去对细菌的保护,使细菌死亡;(2)破坏细菌的细胞膜,破坏细菌的代谢功能,使其细胞质溶出死亡;(3)通过抑制酶的活动破坏蛋白质的合成,阻止细菌生长、繁殖;(4)干扰DNA、RNA中核酸的合成,阻止遗传信息的复制,使细菌无法繁殖。根据国内外高校和研究机构已有的成果,研究者们对银离子杀菌机制做出了合理的分析和推测,提出了几种可能的机制。(1)通过库伦力吸附杀菌。由于几乎所有细菌的细胞膜都带有负电荷,而银离子带有正电荷,由于异性电荷库仑力的吸引,银离子能牢固地吸附在细菌上,限制了细菌的活动,导致其周边微环境发生剧烈变化,使细菌生理活动紊乱,导致细菌死亡。吸附的银离子能破坏细胞壁和细胞膜的蛋白质和酶,穿透细胞膜和细胞壁,导致细胞质溶解,细菌破裂。即“接触反应死亡”和“溶解死亡”。图1为某载银纳米TiO2颗粒吸附并作用于大肠杆菌的情况,图1a显示大肠杆菌的细胞壁和质膜破损,丧失了维持渗透、抵御异物入侵的功能,细胞开始变形,抗菌材料颗粒正在嵌入菌体。图1b显示大肠杆菌细胞壁断裂,质膜溶解,细胞严重变形,有抗菌颗粒穿透细胞壁进入了细菌体内部,显示该种抗菌剂通过接触细菌可对其有效杀灭。(2)蛋白质变质反应杀菌。进入细菌内的银离子会与其蛋白质中的巯基(-SH)、氨基(-NH2)反应,阻止蛋白质和酶的合成,并能破坏DNA的合成,破坏细菌的分裂增殖能力。此外银离子还能不间断地破坏细菌的物质传输、呼吸等系统,保持持久的杀菌效果。具体反应如式(1)和(2)所示。(3)光催化反应杀菌。在光照作用下,银离子可起到催化活性中心的作用,能将空气和水中的氧激活,分离出羟基自由基(-OH)和活性氧负离子(O2-),它们都极易得失电子,具有极强的氧化还原能力,可强烈地破坏细菌脱氢酶的巯基(-SH),使蛋白质产生不可逆的结构损伤,从而使细菌的生长和繁殖处于被抑制状态。从银离子抗菌机理的研究可以看出,由于银离子直接对细菌作用,因此银离子抗菌效率高,广谱抗菌无耐药性,效果明显,且在破坏细菌后,银离子损耗极少,继续杀灭其他细菌,因此也有着抗菌效力持久的优点。3载银高分子材料早在公元前5世纪,古匈奴人就发现银质餐具盛放鲜奶的保鲜效果优于铜质餐具。1893年,瑞士植物学家梅奇利最先明确提出银离子可以杀菌,他发现10-8mol/L浓度的银离子可以杀灭藻类中的细菌,随后人们发现铜、锌等许多金属离子都有抗菌能力。20世纪初,现代外科创始人之一Halstead曾因为银良好的抗菌性和抗感染性而积极推广覆银医疗器械,随后临床上用硝酸银溶液处理伤口和烫伤,取得良好效果,伤口分泌物减少,干燥迅速,愈合进程大大加快。类似的研究有Secinti发现将牙种植体表面镀银,可显著地降低感染和炎症的发生。为对远洋轮船船体抗菌防霉防藻,美国Sangegroup研发生产了一种含银量3.6%(质量分数)的载银羟基磷灰石,并以APACIAER为商品名,在全世界畅销。美国航空航天局也将银离子抗菌作为航天员饮用水净化首选手段,显示银离子抗菌有效性和安全性已受到认可。但是人们发现如果直接用银盐作抗菌剂,银离子在接触水时释放速度太快,导致抗菌有效期很短,很难具有应用价值,所以人们寻求能够牢固负载银离子或能与银离子形成稳定的鳌合物的材料,以期实现银离子释放的可控,达到抗菌银离子长期缓释的目的。研究发现,多孔材料比表面积大,其多孔结构拥有良好的吸附能力而适于制备银系无机抗菌剂的基体材料(载体);或者某些材料中的金属离子能和银离子进行离子交换或银离子可直接进入其晶体内部与其形成稳定结合,这样的材料也适宜制备载银无机抗菌材料。现已有符合条件并正在研究的主要有:具有层状结构或多孔结构的硅酸盐类如沸石、硅胶、膨润土等,磷酸盐类如磷酸锆、磷酸钙、羟基磷灰石等,以及其它具有吸附能力的多孔或纤维材料如活性炭等。无机银系抗菌材料在负载银离子能力方面已经得到广泛的认可,但由于无机材料在加工性能、脆性等方面的问题限制了其作为结构材料的应用,现阶段无机材料多应用于充当抗菌载体涂层或抗菌生活陶瓷。如以金属材料为基体的结构材料,表面涂覆无机银系抗菌材料涂层,涂覆时利用粘结剂或者配制成一定浆料,经干燥后加热固化。这样制得的涂层由于无机材料的脆性大且存在残余热应力易脱落,大多只能在基体材料成型后应用,无法随基体材料一同进行变形加工。此外也有将银离子抗菌材料与聚合物混合配制成涂层涂覆于金属材料表面的研究,这样的涂层可随金属基体材料经受弯曲、冲压等变形加工,但前处理相对复杂,因为基体需提供粗糙的表面以增加与聚合物涂层的结合强度,且存在聚合物老化的问题,在光照和高温下涂层寿命较短。此类抗菌材料已经开始应用于家用卫浴陶瓷等建筑材料以及家用电器如电冰箱把手、内壁、洗衣机缸体内壁等可能导致细菌滋生的场所。4载银微弧氧化涂层在生物医学领域,生物材料在替代人体组织、器官或增进其功能方面起着重要的作用。随着生物材料应用的越来越广泛,以生物材料为中心的感染(biomaterialcenteredinfections,BCI)已成为临床上越来越关注的棘手问题,例如在钛合金牙种植体手术中,虽然文献报道钛合金牙种植体钉道感染发生率不尽相同,但有报道指出,需要住院进行抗生素治疗,取出螺钉或拆除外固定支架的严重钉道感染的发生率平均高达5.8%,眼旁路置换术感染率4%~30%,全肘关节置换术后感染率更高达4%~47%。这是因为植入式生物材料所处的环境是复杂多变的,要与骨、肌肉、粘膜等组织及血液、唾液等各种体液接触,即使手术实行无菌化操作并使用抗生素,生物材料在体内环境下表面仍易滋长微生物,且在术后恢复过程中由于创面的存在也难以避免细菌侵入。为了避免感染的发生,减少抗生素使用带来的负面影响,在生物材料中加入抗菌剂是一种切实可行的方法。已经见诸实例的通过热喷涂、真空管蒸发镀、溶胶-凝胶法、阳极氧化沉积等方法试制载银涂层的实例较多,阮洪江等通过等离子热喷涂法制得银含量高达3%(质量分数)的羟基磷灰石制品,生物实验证明,其有良好的生物相容性和较强的抗菌性能,并且无明显细胞毒性(图2)。最近的报道显示,第四军医大学、香港城市大学、武汉理工大学的LingzhouZhao、HairongWang、KaifuHuo等采用阳极氧化制得TiO2纳米管阵列涂层后,在硝酸银溶液中浸泡,超声清洗并对其进行紫外照射,反复数次后显示,TiO2纳米管对AgNO3具有良好的吸附作用,纳米管阵列表面和纳米管内都存在光分解后产生的纳米银颗粒,TEM检测结果显示,银以纳米银单质态存在(图3)。利用该技术获得的涂层能吸附的银原子含量可达1.58at%,且在XPS测试中,涂层深3μm处仍检测出银的存在,说明含银层厚度较大。但即便如此,在银离子释放速率测定中,银离子初期释放量仍然较大,随即速度有明显下降,银含量1.58at%的样品在PBS缓冲溶液中浸泡4d后溶液的银离子浓度便十分接近0.1μg/g左右。其荧光染色抗菌实验也可验证(图4),初期的7d其表现出了优异的抗菌能力,说明0.1μg/g虽被认为是有效杀菌浓度的下限,实际抗菌效果仍较为明显。但使用阳极氧化载银TiO2纳米管阵列涂层作为抗菌涂层的主要问题还是阳极氧化涂层非晶程度高、结合力弱的缺点,限制了其进一步应用。通过热喷涂、阳极氧化沉积等方法试制载银涂层,由于其涂层本身具有膜层结合力低的缺陷,难以在抗菌效率和膜层质量之间取得平衡。现阶段在医用介入性钛、镁合金材料的表面处理中,微弧氧化技术因获得的膜层具有强度高、结合力强的优点,粗糙多孔的结构也有利于骨细胞的附着和生长,已成为首选的表面处理技术,如能以微弧氧化涂层为载体制备抗菌材料,将获得综合性能更加全面的涂层,利于促进牙种植体植入术的术后愈合。目前已见报道的对载银微弧氧化涂层的研究相对较少,主要有:华南理工大学的黄勇研究了含铈的羟基磷灰石微弧氧化膜层的制备。在生物医药领域,铈与银的作用类似,在其研究中,电解液中加入一定浓度的硝酸铈,制得了厚度为15μm、表面含铈量1.54%(质量分数)的MAO膜;而青岛科技大学的闫凤英采用在电解液中加入Ag2O,采用乙二醇作为分散剂进行了载银HA/TiO2复合微弧氧化膜的初步制备,获得了最高银含量为1.67%的MAO薄膜。但该文献并未对银的分布、存在形式、进入机制和抗菌性能进行进一步的研究;韩国国立首尔大学的WonHoonSong等在电解液中加入AgNO3和H2PtCl6使Ag、Pt进入到膜层中。在实验中发现银的引入提高了反应剧烈强度,提高了电解液温度。虽然电流的提高有利于降低所需电压,但严重影响涂层质量,降低AgNO3浓度又导致获得的产品银含量偏低,只有0.21%~0.45%。虽在抗菌实验中表现出一定的抗菌能力,但抗菌率并不足;伊朗理工大学和伊朗材料与工程研究中心的MRBayati,MAminzare等也在电解液中加入AgNO3,并通过XPS和XRD证实了少量银离子可进入膜层替换钛原子,但并未对银含量和抗菌效果进行测定。这都是现阶段在该领域的最新研究成果,现阶段对载银MAO膜的研究仅局限于通过向电解液中加入银盐溶液引入杀菌元素。该种方式易引起电解液电导率的升高,使MAO过程电流强度过高、电解液温度难以控制,导致涂层质量下降,同时对银进入涂层机制也未进行研究。如何对膜层银含量及释放量实现可控也需引起关注,因为银元素并不是在人体中大量存在的元素,过量释放很可能产生毒副作用。不同的生物学研究认为,体细胞能承受的银离子浓度上限为1.6~31.75μg/g,因此涂层使用前须首先避免对人体的副作用,而0.1μg/g被认为是有效杀菌浓度的下限,释放量过低将不能起到应有的杀菌作用。此外,在现有很多钛合金表面抗菌涂层制备工艺中,抗菌剂一般采用多孔材料负载,多孔材料因其大的比表面积和多孔结构能够提供较大的负载容量,且部分多孔材料呈现出一定的吸附能力。根据对抗菌剂固定的要求,在钛合金表面通过阳极氧化工艺制备的TiO2纳米管阵列涂层是比较理想的银离子抗菌剂固定涂层。TiO2纳米管阵列涂层是在一定条件下对钛合金表面阳极氧化处理得到的,在不同的处理工艺下制备的阵列能够做到高度有序,垂直于基体生长,纳米管尺寸分布范围较广,管径可达50~200nm,管长可达0.5~190μm。TiO2纳米管阵列涂层的大比表面积、多孔结构在载银方面具有优势,但是TiO2纳米管与钛合金基体间过低的结合强度,及银元素只是物理粘附在TiO2纳米管壁表面导致植入初期的快速集中释放是该方法两个巨大不足(图5)。5细菌在表面生长繁殖过程中的