生物醫(yī)用材料植入后的細(xì)菌感染

生物材料的長(zhǎng)期應(yīng)用將導(dǎo)致細(xì)菌和其他微生物在其表面上的粘附和感染。這種感染被稱為“生物材料感染（bci）”。隨著人工關(guān)節(jié)和牙種植體等人體植入類醫(yī)療器械的廣泛應(yīng)用,通過醫(yī)用器件產(chǎn)生的細(xì)菌感染性疾病已經(jīng)成為臨床各科室關(guān)注的重要問題之一。BCI不僅發(fā)生率高,更重要的是,發(fā)生BCI后,會(huì)引起愈合不良,甚至導(dǎo)致死亡。BCI現(xiàn)象的發(fā)生,不僅給人類帶來了嚴(yán)重的健康威脅和沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),而且在一定程度上限制了生物醫(yī)用材料的應(yīng)用和發(fā)展。鈦合金憑借其優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕性和綜合力學(xué)性能逐漸成為牙種植體、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品及人工關(guān)節(jié)等人體硬組織替代物和修復(fù)物的首選材料。但生物醫(yī)用鈦及其合金植入材料植入人體后,同樣會(huì)遇到BCI問題。比如用于人工心臟瓣膜引起的早期人工瓣膜心內(nèi)膜炎,用于口腔種植體引起的牙周炎等口腔炎癥。更嚴(yán)重的是,為了有利于骨整合,植入材料表面一般設(shè)計(jì)為具有一定粗糙度的表面,這樣就為細(xì)菌的黏附提供了有利的條件,增加了感染發(fā)生的機(jī)率。一旦感染發(fā)生,不僅會(huì)增加病人住院治療費(fèi)用,而且有時(shí)需要取出內(nèi)植體重新手術(shù),甚至面臨截肢、死亡等危險(xiǎn)。因此,如何有效預(yù)防醫(yī)用鈦合金材料相關(guān)的感染(BCI),已經(jīng)成為生物醫(yī)用材料和臨床醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域所面臨的重要問題,具有重要的臨床實(shí)際意義。BCI的最初過程是生物材料表面的細(xì)菌黏附,一旦發(fā)生BCI,治療效果極差。因此,為了減少BCI的發(fā)生,一方面應(yīng)減少細(xì)菌的污染,這包括在植入生物材料之前,徹底地治愈慢性感染病灶,植入生物材料過程中和其后,嚴(yán)格地?zé)o菌操作和預(yù)防性地應(yīng)用抗菌素。另一方面則應(yīng)改進(jìn)和完善生物材料的性能,其中最有效的方法之一是對(duì)醫(yī)用鈦合金進(jìn)行表面改性處理[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外醫(yī)用鈦合金表面抗菌涂層的研究進(jìn)展進(jìn)行調(diào)研和綜述。1無機(jī)抗菌劑的應(yīng)用現(xiàn)階段的抗菌材料由于其兼有結(jié)構(gòu)材料(由基體承擔(dān))和功能材料(由抗菌劑承擔(dān))的雙重作用,其研究與開發(fā)具有十分重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因而受到人們的廣泛關(guān)注。抗菌材料的性能主要由其采用的抗菌劑來決定,抗菌劑根據(jù)其使用的原料不同,主要分為天然抗菌劑、無機(jī)抗菌劑和有機(jī)抗菌劑。天然抗菌劑來自于動(dòng)植物自然提取物。主要的優(yōu)點(diǎn)是安全性高,無副作用,具有短期高效的抗菌效果,但缺點(diǎn)是抗菌效果持續(xù)時(shí)間短且熱穩(wěn)定性差,且原料雖容易獲得,但制備工藝相對(duì)復(fù)雜,限制了其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。有機(jī)抗菌劑殺菌能力強(qiáng),但易產(chǎn)生耐藥性,并易帶來一定的副作用。20世紀(jì)80年代開發(fā)出的無機(jī)抗菌劑,因其廣譜抗菌、無毒、無耐藥性和抗菌時(shí)效長(zhǎng)而大大拓寬了其應(yīng)用范圍,現(xiàn)已應(yīng)用于抗菌織物、家用電器和航海防霉防藻領(lǐng)域。根據(jù)抗菌方式的不同,無機(jī)抗菌劑又分為兩大類:(1)光催化抗菌劑如TiO2、ZnO;(2)活性抗菌金屬離子抗菌劑如銀、銅、鋅離子等。由以上對(duì)比可見,在應(yīng)用于食品餐飲、醫(yī)藥衛(wèi)生等對(duì)安全性和抗菌時(shí)效要求較高的場(chǎng)所和領(lǐng)域時(shí),無機(jī)抗菌劑有著更加均衡的綜合性能。在應(yīng)用于人體介入性材料時(shí),由于人體內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn),無法獲得光照催化,因此負(fù)載抗菌金屬離子的材料就成為人們關(guān)注的對(duì)象。根據(jù)前人的研究和總結(jié),常見金屬離子抑制和殺滅微生物的活性強(qiáng)弱順序如下:Ag>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Au>Zn>Fe>Mn>Mo>Sn,常見金屬離子對(duì)人體安全性順序如下:Ag>Co>Ni>A1>Zn>Cu=Fe>Mn>Sn>Ba>Mg>Ca。考慮到汞、鉻、鎘等相當(dāng)一部分金屬離子對(duì)人體是有害的,因此實(shí)際上用作抗菌劑的金屬離子主要是銀、銅和鋅,其中銀離子因其強(qiáng)力的抗菌效果、良好的熱穩(wěn)定性、持久的抗菌效果,并對(duì)細(xì)胞及組織無明顯的毒性而受到許多學(xué)者的關(guān)注,成為目前制備無機(jī)抗菌劑的主要選擇。根據(jù)BellantoneM等人的研究,在濃度大于31.75μg/g且納米銀顆粒尺寸在45nm以下的情況時(shí)才會(huì)展現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性。而有研究認(rèn)為只要銀離子濃度達(dá)到0.1μg/g就可以發(fā)揮抗菌作用,因此只要合理控制抗菌劑劑量,銀離子十分適合于制備抗菌劑。2銀離子殺菌機(jī)制抗菌材料的抗菌機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題,因?yàn)槌瞬牧蠈?duì)細(xì)菌的影響外,培養(yǎng)液成分、溫度、濕度、氣氛等對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖都會(huì)產(chǎn)生影響,細(xì)菌的生存狀態(tài)本身也是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程,在這種情況下,現(xiàn)有技術(shù)難以對(duì)某個(gè)或一定數(shù)量細(xì)菌的生物學(xué)變化做到實(shí)時(shí)精確的觀察和掌控。盡管如此,抗菌材料的抗菌性能無外乎是材料作為環(huán)境對(duì)細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)繁殖的破壞作用?，F(xiàn)有研究認(rèn)為完成這一破壞作用的途徑主要有4個(gè),分別是:(1)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁重要成分肽聚糖的合成,破壞細(xì)胞壁的完整性,使其喪失對(duì)滲透壓的控制,進(jìn)而失去對(duì)細(xì)菌的保護(hù),使細(xì)菌死亡;(2)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜,破壞細(xì)菌的代謝功能,使其細(xì)胞質(zhì)溶出死亡;(3)通過抑制酶的活動(dòng)破壞蛋白質(zhì)的合成,阻止細(xì)菌生長(zhǎng)、繁殖;(4)干擾DNA、RNA中核酸的合成,阻止遺傳信息的復(fù)制,使細(xì)菌無法繁殖。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)已有的成果,研究者們對(duì)銀離子殺菌機(jī)制做出了合理的分析和推測(cè),提出了幾種可能的機(jī)制。(1)通過庫(kù)倫力吸附殺菌。由于幾乎所有細(xì)菌的細(xì)胞膜都帶有負(fù)電荷,而銀離子帶有正電荷,由于異性電荷庫(kù)侖力的吸引,銀離子能牢固地吸附在細(xì)菌上,限制了細(xì)菌的活動(dòng),導(dǎo)致其周邊微環(huán)境發(fā)生劇烈變化,使細(xì)菌生理活動(dòng)紊亂,導(dǎo)致細(xì)菌死亡。吸附的銀離子能破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)和酶,穿透細(xì)胞膜和細(xì)胞壁,導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)溶解,細(xì)菌破裂。即“接觸反應(yīng)死亡”和“溶解死亡”。圖1為某載銀納米TiO2顆粒吸附并作用于大腸桿菌的情況,圖1a顯示大腸桿菌的細(xì)胞壁和質(zhì)膜破損,喪失了維持滲透、抵御異物入侵的功能,細(xì)胞開始變形,抗菌材料顆粒正在嵌入菌體。圖1b顯示大腸桿菌細(xì)胞壁斷裂,質(zhì)膜溶解,細(xì)胞嚴(yán)重變形,有抗菌顆粒穿透細(xì)胞壁進(jìn)入了細(xì)菌體內(nèi)部,顯示該種抗菌劑通過接觸細(xì)菌可對(duì)其有效殺滅。(2)蛋白質(zhì)變質(zhì)反應(yīng)殺菌。進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)的銀離子會(huì)與其蛋白質(zhì)中的巰基(-SH)、氨基(-NH2)反應(yīng),阻止蛋白質(zhì)和酶的合成,并能破壞DNA的合成,破壞細(xì)菌的分裂增殖能力。此外銀離子還能不間斷地破壞細(xì)菌的物質(zhì)傳輸、呼吸等系統(tǒng),保持持久的殺菌效果。具體反應(yīng)如式(1)和(2)所示。(3)光催化反應(yīng)殺菌。在光照作用下,銀離子可起到催化活性中心的作用,能將空氣和水中的氧激活,分離出羥基自由基(-OH)和活性氧負(fù)離子(O2-),它們都極易得失電子,具有極強(qiáng)的氧化還原能力,可強(qiáng)烈地破壞細(xì)菌脫氫酶的巰基(-SH),使蛋白質(zhì)產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)損傷,從而使細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖處于被抑制狀態(tài)。從銀離子抗菌機(jī)理的研究可以看出,由于銀離子直接對(duì)細(xì)菌作用,因此銀離子抗菌效率高,廣譜抗菌無耐藥性,效果明顯,且在破壞細(xì)菌后,銀離子損耗極少,繼續(xù)殺滅其他細(xì)菌,因此也有著抗菌效力持久的優(yōu)點(diǎn)。3載銀高分子材料早在公元前5世紀(jì),古匈奴人就發(fā)現(xiàn)銀質(zhì)餐具盛放鮮奶的保鮮效果優(yōu)于銅質(zhì)餐具。1893年,瑞士植物學(xué)家梅奇利最先明確提出銀離子可以殺菌,他發(fā)現(xiàn)10-8mol/L濃度的銀離子可以殺滅藻類中的細(xì)菌,隨后人們發(fā)現(xiàn)銅、鋅等許多金屬離子都有抗菌能力。20世紀(jì)初,現(xiàn)代外科創(chuàng)始人之一Halstead曾因?yàn)殂y良好的抗菌性和抗感染性而積極推廣覆銀醫(yī)療器械,隨后臨床上用硝酸銀溶液處理傷口和燙傷,取得良好效果,傷口分泌物減少,干燥迅速,愈合進(jìn)程大大加快。類似的研究有Secinti發(fā)現(xiàn)將牙種植體表面鍍銀,可顯著地降低感染和炎癥的發(fā)生。為對(duì)遠(yuǎn)洋輪船船體抗菌防霉防藻,美國(guó)Sangegroup研發(fā)生產(chǎn)了一種含銀量3.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的載銀羥基磷灰石,并以APACIAER為商品名,在全世界暢銷。美國(guó)航空航天局也將銀離子抗菌作為航天員飲用水凈化首選手段,顯示銀離子抗菌有效性和安全性已受到認(rèn)可。但是人們發(fā)現(xiàn)如果直接用銀鹽作抗菌劑,銀離子在接觸水時(shí)釋放速度太快,導(dǎo)致抗菌有效期很短,很難具有應(yīng)用價(jià)值,所以人們尋求能夠牢固負(fù)載銀離子或能與銀離子形成穩(wěn)定的鰲合物的材料,以期實(shí)現(xiàn)銀離子釋放的可控,達(dá)到抗菌銀離子長(zhǎng)期緩釋的目的。研究發(fā)現(xiàn),多孔材料比表面積大,其多孔結(jié)構(gòu)擁有良好的吸附能力而適于制備銀系無機(jī)抗菌劑的基體材料(載體);或者某些材料中的金屬離子能和銀離子進(jìn)行離子交換或銀離子可直接進(jìn)入其晶體內(nèi)部與其形成穩(wěn)定結(jié)合,這樣的材料也適宜制備載銀無機(jī)抗菌材料?，F(xiàn)已有符合條件并正在研究的主要有:具有層狀結(jié)構(gòu)或多孔結(jié)構(gòu)的硅酸鹽類如沸石、硅膠、膨潤(rùn)土等,磷酸鹽類如磷酸鋯、磷酸鈣、羥基磷灰石等,以及其它具有吸附能力的多孔或纖維材料如活性炭等。無機(jī)銀系抗菌材料在負(fù)載銀離子能力方面已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可,但由于無機(jī)材料在加工性能、脆性等方面的問題限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用,現(xiàn)階段無機(jī)材料多應(yīng)用于充當(dāng)抗菌載體涂層或抗菌生活陶瓷。如以金屬材料為基體的結(jié)構(gòu)材料,表面涂覆無機(jī)銀系抗菌材料涂層,涂覆時(shí)利用粘結(jié)劑或者配制成一定漿料,經(jīng)干燥后加熱固化。這樣制得的涂層由于無機(jī)材料的脆性大且存在殘余熱應(yīng)力易脫落,大多只能在基體材料成型后應(yīng)用,無法隨基體材料一同進(jìn)行變形加工。此外也有將銀離子抗菌材料與聚合物混合配制成涂層涂覆于金屬材料表面的研究,這樣的涂層可隨金屬基體材料經(jīng)受彎曲、沖壓等變形加工,但前處理相對(duì)復(fù)雜,因?yàn)榛w需提供粗糙的表面以增加與聚合物涂層的結(jié)合強(qiáng)度,且存在聚合物老化的問題,在光照和高溫下涂層壽命較短。此類抗菌材料已經(jīng)開始應(yīng)用于家用衛(wèi)浴陶瓷等建筑材料以及家用電器如電冰箱把手、內(nèi)壁、洗衣機(jī)缸體內(nèi)壁等可能導(dǎo)致細(xì)菌滋生的場(chǎng)所。4載銀微弧氧化涂層在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,生物材料在替代人體組織、器官或增進(jìn)其功能方面起著重要的作用。隨著生物材料應(yīng)用的越來越廣泛,以生物材料為中心的感染(biomaterialcenteredinfections,BCI)已成為臨床上越來越關(guān)注的棘手問題,例如在鈦合金牙種植體手術(shù)中,雖然文獻(xiàn)報(bào)道鈦合金牙種植體釘?shù)栏腥景l(fā)生率不盡相同,但有報(bào)道指出,需要住院進(jìn)行抗生素治療,取出螺釘或拆除外固定支架的嚴(yán)重釘?shù)栏腥镜陌l(fā)生率平均高達(dá)5.8%,眼旁路置換術(shù)感染率4%~30%,全肘關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染率更高達(dá)4%~47%。這是因?yàn)橹踩胧缴锊牧纤幍沫h(huán)境是復(fù)雜多變的,要與骨、肌肉、粘膜等組織及血液、唾液等各種體液接觸,即使手術(shù)實(shí)行無菌化操作并使用抗生素,生物材料在體內(nèi)環(huán)境下表面仍易滋長(zhǎng)微生物,且在術(shù)后恢復(fù)過程中由于創(chuàng)面的存在也難以避免細(xì)菌侵入。為了避免感染的發(fā)生,減少抗生素使用帶來的負(fù)面影響,在生物材料中加入抗菌劑是一種切實(shí)可行的方法。已經(jīng)見諸實(shí)例的通過熱噴涂、真空管蒸發(fā)鍍、溶膠-凝膠法、陽(yáng)極氧化沉積等方法試制載銀涂層的實(shí)例較多,阮洪江等通過等離子熱噴涂法制得銀含量高達(dá)3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的羥基磷灰石制品,生物實(shí)驗(yàn)證明,其有良好的生物相容性和較強(qiáng)的抗菌性能,并且無明顯細(xì)胞毒性(圖2)。最近的報(bào)道顯示,第四軍醫(yī)大學(xué)、香港城市大學(xué)、武漢理工大學(xué)的LingzhouZhao、HairongWang、KaifuHuo等采用陽(yáng)極氧化制得TiO2納米管陣列涂層后,在硝酸銀溶液中浸泡,超聲清洗并對(duì)其進(jìn)行紫外照射,反復(fù)數(shù)次后顯示,TiO2納米管對(duì)AgNO3具有良好的吸附作用,納米管陣列表面和納米管內(nèi)都存在光分解后產(chǎn)生的納米銀顆粒,TEM檢測(cè)結(jié)果顯示,銀以納米銀單質(zhì)態(tài)存在(圖3)。利用該技術(shù)獲得的涂層能吸附的銀原子含量可達(dá)1.58at%,且在XPS測(cè)試中,涂層深3μm處仍檢測(cè)出銀的存在,說明含銀層厚度較大。但即便如此,在銀離子釋放速率測(cè)定中,銀離子初期釋放量仍然較大,隨即速度有明顯下降,銀含量1.58at%的樣品在PBS緩沖溶液中浸泡4d后溶液的銀離子濃度便十分接近0.1μg/g左右。其熒光染色抗菌實(shí)驗(yàn)也可驗(yàn)證(圖4),初期的7d其表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌能力,說明0.1μg/g雖被認(rèn)為是有效殺菌濃度的下限,實(shí)際抗菌效果仍較為明顯。但使用陽(yáng)極氧化載銀TiO2納米管陣列涂層作為抗菌涂層的主要問題還是陽(yáng)極氧化涂層非晶程度高、結(jié)合力弱的缺點(diǎn),限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。通過熱噴涂、陽(yáng)極氧化沉積等方法試制載銀涂層,由于其涂層本身具有膜層結(jié)合力低的缺陷,難以在抗菌效率和膜層質(zhì)量之間取得平衡?，F(xiàn)階段在醫(yī)用介入性鈦、鎂合金材料的表面處理中,微弧氧化技術(shù)因獲得的膜層具有強(qiáng)度高、結(jié)合力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),粗糙多孔的結(jié)構(gòu)也有利于骨細(xì)胞的附著和生長(zhǎng),已成為首選的表面處理技術(shù),如能以微弧氧化涂層為載體制備抗菌材料,將獲得綜合性能更加全面的涂層,利于促進(jìn)牙種植體植入術(shù)的術(shù)后愈合。目前已見報(bào)道的對(duì)載銀微弧氧化涂層的研究相對(duì)較少,主要有:華南理工大學(xué)的黃勇研究了含鈰的羥基磷灰石微弧氧化膜層的制備。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,鈰與銀的作用類似,在其研究中,電解液中加入一定濃度的硝酸鈰,制得了厚度為15μm、表面含鈰量1.54%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MAO膜;而青島科技大學(xué)的閆鳳英采用在電解液中加入Ag2O,采用乙二醇作為分散劑進(jìn)行了載銀HA/TiO2復(fù)合微弧氧化膜的初步制備,獲得了最高銀含量為1.67%的MAO薄膜。但該文獻(xiàn)并未對(duì)銀的分布、存在形式、進(jìn)入機(jī)制和抗菌性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究;韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)的WonHoonSong等在電解液中加入AgNO3和H2PtCl6使Ag、Pt進(jìn)入到膜層中。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)銀的引入提高了反應(yīng)劇烈強(qiáng)度,提高了電解液溫度。雖然電流的提高有利于降低所需電壓,但嚴(yán)重影響涂層質(zhì)量,降低AgNO3濃度又導(dǎo)致獲得的產(chǎn)品銀含量偏低,只有0.21%~0.45%。雖在抗菌實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出一定的抗菌能力,但抗菌率并不足;伊朗理工大學(xué)和伊朗材料與工程研究中心的MRBayati,MAminzare等也在電解液中加入AgNO3,并通過XPS和XRD證實(shí)了少量銀離子可進(jìn)入膜層替換鈦原子,但并未對(duì)銀含量和抗菌效果進(jìn)行測(cè)定。這都是現(xiàn)階段在該領(lǐng)域的最新研究成果,現(xiàn)階段對(duì)載銀MAO膜的研究?jī)H局限于通過向電解液中加入銀鹽溶液引入殺菌元素。該種方式易引起電解液電導(dǎo)率的升高,使MAO過程電流強(qiáng)度過高、電解液溫度難以控制,導(dǎo)致涂層質(zhì)量下降,同時(shí)對(duì)銀進(jìn)入涂層機(jī)制也未進(jìn)行研究。如何對(duì)膜層銀含量及釋放量實(shí)現(xiàn)可控也需引起關(guān)注,因?yàn)殂y元素并不是在人體中大量存在的元素,過量釋放很可能產(chǎn)生毒副作用。不同的生物學(xué)研究認(rèn)為,體細(xì)胞能承受的銀離子濃度上限為1.6~31.75μg/g,因此涂層使用前須首先避免對(duì)人體的副作用,而0.1μg/g被認(rèn)為是有效殺菌濃度的下限,釋放量過低將不能起到應(yīng)有的殺菌作用。此外,在現(xiàn)有很多鈦合金表面抗菌涂層制備工藝中,抗菌劑一般采用多孔材料負(fù)載,多孔材料因其大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)能夠提供較大的負(fù)載容量,且部分多孔材料呈現(xiàn)出一定的吸附能力。根據(jù)對(duì)抗菌劑固定的要求,在鈦合金表面通過陽(yáng)極氧化工藝制備的TiO2納米管陣列涂層是比較理想的銀離子抗菌劑固定涂層。TiO2納米管陣列涂層是在一定條件下對(duì)鈦合金表面陽(yáng)極氧化處理得到的,在不同的處理工藝下制備的陣列能夠做到高度有序,垂直于基體生長(zhǎng),納米管尺寸分布范圍較廣,管徑可達(dá)50~200nm,管長(zhǎng)可達(dá)0.5~190μm。TiO2納米管陣列涂層的大比表面積、多孔結(jié)構(gòu)在載銀方面具有優(yōu)勢(shì),但是TiO2納米管與鈦合金基體間過低的結(jié)合強(qiáng)度,及銀元素只是物理粘附在TiO2納米管壁表面導(dǎo)致植入初期的快速集中釋放是該方法兩個(gè)巨大不足(圖5)。5細(xì)菌在表面生長(zhǎng)繁殖過程中的