作者：李濤，王娜，張振庭，首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院
純鈦材料的牙科種植體10年成功率已達(dá)到90%以上，然而種植失敗的情況也時(shí)有發(fā)生。研究表明，在種植手術(shù)5年后，種植體周圍感染發(fā)生的比例高達(dá)14%，種植體周圍感染是導(dǎo)致種植失敗主要原因之一。菌斑生物膜的形成是種植體周圍感染發(fā)生、發(fā)展的始動(dòng)因素，并且一旦形成將很難清除。研究表明殺滅以菌斑生物膜形式存在的微生物所需抗菌劑的濃度為殺滅浮游微生物所需濃度的1000倍。因此，預(yù)防種植位點(diǎn)早期感染的發(fā)生十分重要。
有學(xué)者建議術(shù)前預(yù)防性給予全身抗生素治療，以降低術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)。然而抗生素全身給藥具有靶位點(diǎn)藥物濃度低，全身毒副作用等不足。所以尋找有效的方法賦予種植體表面抗菌性能對(duì)于預(yù)防術(shù)后感染，進(jìn)而提高種植成功率至關(guān)重要。目前關(guān)于鈦種植體表面抗菌改性研究中，局部載藥涂層因全身毒副作用小、抗菌性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。
1.局部藥物載體
1.1羥基磷灰石載體
羥基磷灰石（HA）的組成和晶體結(jié)構(gòu)與骨礦物質(zhì)相似，具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，將其作為治療骨科疾病的骨替代體已得到廣泛應(yīng)用。18世紀(jì)初期，LeGeros等首次利用凝膠法在常溫下制備獲得片狀HA，避免高溫分解和熱應(yīng)力過(guò)大等制備缺陷，同時(shí)證明其作為藥物載體的可行性。近年來(lái)，學(xué)者提出一種新的基于分子水平單體無(wú)機(jī)聚合反應(yīng)的溶膠一凝膠法，將單體在分子水平混合，然后在低溫下反應(yīng)，生成多組份的材料。利用該方法制備HA時(shí)可將藥物摻入鈣磷酸鹽成分或者液相介質(zhì)中，而非將藥物載入材料表面或孔隙內(nèi)，與傳統(tǒng)的HA局部載藥涂層相比，可在一定程度上控制藥物的釋放速率。
在過(guò)去的十幾年間，學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于HA作為抗生素載體的研究。通過(guò)大量體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，載抗生素HA可以作為種植手術(shù)中控制感染的預(yù)防性措施，同時(shí)也可作為一種骨組織感染的治療手段。隨著研究的逐漸深入，骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）、β轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子、抗炎藥、抗腫瘤藥甚至激素類藥物也被載入HA而進(jìn)行成骨、抗炎、抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)等方面的研究。但是隨著臨床應(yīng)用的增加，HA涂層表現(xiàn)出一定的局限性。
由于磷酸鈣在體液中有一定的溶解性，植入一段時(shí)間后可能發(fā)生涂層崩解，導(dǎo)致骨結(jié)合失敗。脫落的涂層顆粒在種植體周圍積聚后，激發(fā)多種吞噬細(xì)胞反應(yīng)，破骨細(xì)胞活躍引起骨吸收，導(dǎo)致種植體松動(dòng);涂層脫落使細(xì)菌容易侵入，甚至引發(fā)種植體周圍炎。因此為提高藥物載體與鈦基底的結(jié)合力，二氧化鈦納米管（TNT）以及TNT-HA復(fù)合涂層逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。
1.2二氧化鈦納米管載體
自從Zwilling等對(duì)TNT首次報(bào)道以來(lái)，學(xué)者進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，探究TNT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)理化性能良好的TNT作為局部藥物載體在人體植入裝置表面改性方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值，例如整形外科移植、血管支架和牙科種植體等。Popat等2007年報(bào)道了TNT作為牛血清蛋白及溶菌酶載體的可行性。
Dittmar等在血管支架材料表面制備出具有良好生物相容性的TNT，并將其作為紫杉醇載體，體外釋放實(shí)驗(yàn)中觀察到紫杉醇的緩慢、持續(xù)釋放，證明了TNT可以作為藥物緩釋載體。此外，已有研究證明TNT作為抗菌劑載體時(shí)，抗菌劑不僅沉積于材料表面，甚至有一定數(shù)量的藥物滲透進(jìn)入納米管。
將慶大霉素，銀離子，氧化鋅等抗菌物質(zhì)載入TNT中，可明顯抑制種植體表面細(xì)菌的黏附和生長(zhǎng)。研究顯示，通過(guò)陽(yáng)極氧化法和水熱處理法在鈦種植體表面分別得到鋅、TiO2納米粒子摻雜的TNT涂層，通過(guò)改變反應(yīng)條件調(diào)整金屬的摻入濃度，這些摻雜金屬的TNT涂層具有良好的抗菌活性和促進(jìn)骨髓干細(xì)胞成骨分化進(jìn)而增強(qiáng)骨結(jié)合的作用。
HA與TNT作為藥物載體時(shí)，在控制抗菌劑的穩(wěn)定和持久釋放方面仍待完善。植入早期藥物的突釋現(xiàn)象通常難以避免，此時(shí)藥物的大量釋放可以預(yù)防細(xì)菌的黏附，但也會(huì)導(dǎo)致局部藥物濃度過(guò)高和藥物的浪費(fèi)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，釋放入周圍組織的抗生素急劇減少而可能導(dǎo)致耐藥菌的產(chǎn)生，甚至產(chǎn)生細(xì)胞毒副作用。藥物的釋放速率由載體的表面形態(tài)、幾何尺寸和藥物分子的大小共同決定。
有研究通過(guò)控制抗菌劑的形貌、大小或通過(guò)改變載體的結(jié)構(gòu)為抗菌劑釋放提供“開(kāi)關(guān)”等方法控制釋藥速率，但目前均尚未應(yīng)用于臨床。此外，作為骨內(nèi)種植體，如何在發(fā)揮抗菌性的同時(shí)促進(jìn)周圍骨結(jié)合則是種植體表面改性的另一研究熱點(diǎn)。
近年來(lái)，研究表明骨髓干細(xì)胞的分化對(duì)生長(zhǎng)因子的作用時(shí)機(jī)具有極強(qiáng)敏感性，將載有BMP或TGF-β等生物分子的材料植入即刻，藥物便可作用于周圍細(xì)胞，然而此時(shí)產(chǎn)生的藥效卻不利于骨髓干細(xì)胞的分化。因此，如何更加精確地控制局部載藥系統(tǒng)的釋藥速率，研究者們提出了新的思路，通過(guò)構(gòu)建一種生物降解性藥物載體，以載體內(nèi)聚合物分子對(duì)周圍環(huán)境中刺激因素的反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)改變聚合物的降解速率來(lái)調(diào)控藥物釋放動(dòng)力學(xué)。
1.3生物降解性載體
水凝膠是一種三維交聯(lián)的親水性聚合物，可用于負(fù)載多種生物分子。同時(shí)，在骨形成和改建過(guò)程中機(jī)體會(huì)表達(dá)多種金屬基質(zhì)蛋白酶（MMP）。研究中選擇可被MMP降解的多肽序列，經(jīng)藥物修飾后與水凝膠進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，在MMP的酶切作用下，隨著多肽的降解，所載藥物得以釋放。此外，pH-敏感性的藥物載體可根據(jù)周圍組織酸堿性而改變自身降解速率進(jìn)而調(diào)節(jié)釋藥速率。
例如在治療以酸性微環(huán)境為特征的骨髓炎時(shí)，可將抗生素載入HA后在材料表面合成一層pH-敏感性的聚乳酸-羥基乙酸共聚物微球，這些微球在周圍微環(huán)境酸堿度變化的刺激下發(fā)生構(gòu)象改變，與單純加載抗生素的HA涂層相比，能夠更加精確地控制釋藥速率?？谇痪呱锬ひ脖憩F(xiàn)為偏酸性的微環(huán)境，研究者用pH-敏感性的嵌段共聚物納米粒子作為抗菌素載體治療相關(guān)感染，抗菌效果顯著提高。
2.各類抗菌劑
2.1傳統(tǒng)抗生素
自20世紀(jì)七十年代，抗生素就被摻入骨水泥中，研究發(fā)現(xiàn)摻有抗生素的骨水泥聯(lián)合全身抗生素預(yù)防給藥可以控制骨水泥粘接全關(guān)節(jié)術(shù)后無(wú)菌性松動(dòng)、深部感染等并發(fā)癥的發(fā)生。因此，學(xué)者開(kāi)始嘗試在鈦種植體表面制備載抗生素涂層。慶大霉素具有熱穩(wěn)定性、抗菌譜廣等特征，是鈦種植體表面制備載抗生素涂層常用的抗生素之一。
甲硝唑作為臨床常用的治療厭氧菌感染的藥物，也被用于種植體表面抗菌涂層的制備與研究中，體外實(shí)驗(yàn)證明載甲硝唑抗菌涂層對(duì)牙齦卟啉單胞菌抗菌效果顯著。
隨著研究的不斷深入，各種載藥釋藥系統(tǒng)不斷改善，但是獲得能在有效濃度內(nèi)長(zhǎng)期釋放抗生素的抗菌涂層仍有難度，單純的物理吸附法載藥會(huì)導(dǎo)致抗生素的突釋，將抗生素改性后與載體共價(jià)結(jié)合可以獲得長(zhǎng)期抗菌能力，但又存在低于最小抑菌濃度范圍下長(zhǎng)期釋放藥物，進(jìn)而產(chǎn)生新抗生素耐藥菌的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2非抗生素類有機(jī)抗菌劑
考慮到非抗生素類有機(jī)抗菌劑產(chǎn)生耐藥菌的低風(fēng)險(xiǎn)性，氯己定、氯二甲酚等廣譜抗菌劑，在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。氯己定為雙胍類化合物，對(duì)G+、G－細(xì)菌和真菌都具有較強(qiáng)的抗菌作用，可明顯減少口腔菌斑生物膜的形成。
研究表明氯己定可以吸附到鈦表面的HA涂層或氧化層，并且對(duì)金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等有良好的抑菌作用，然而其生物相容性仍有待進(jìn)一步探索研究。
2.3金屬抗菌離子
在自然界中一些金屬離子本身具有抑制或殺滅微生物的作用，無(wú)機(jī)抗菌劑銀、鋅、銅已被用于制備種植體表面抗菌涂層。研究發(fā)現(xiàn)在生物陶瓷中摻銀離子可顯著抑制細(xì)菌在材料表面黏附，高濃度銀離子殺菌效果極強(qiáng);摻銀離子TNT對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等具有良好的抗菌性，同時(shí)還可增強(qiáng)二氧化鈦光催化抗菌性。
近年來(lái)納米銀抗菌材料的研究逐漸興起，該材料具有極強(qiáng)的抗菌性，起效快，作用時(shí)間長(zhǎng)，且不易耐藥。但隨著研究的不斷深入也暴露出一些問(wèn)題，如銀離子的富集對(duì)人體和哺乳動(dòng)物的危害等。因此載銀抗菌材料的應(yīng)用范圍和使用劑量仍需進(jìn)一步探索。
鋅離子已被證實(shí)具有抗菌作用，我們課題組通過(guò)水浴法制備載氧化鋅納米粒子的TNT抗菌涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層既能抑制細(xì)菌在種植體表面的黏附，又可促進(jìn)骨髓干細(xì)胞的成骨向分化。
2.4抗菌肽
抗菌肽是多細(xì)胞生物自身防御系統(tǒng)產(chǎn)生的具有高效廣譜抗菌活性的小分子肽，具有抗菌譜廣、不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn)。許多學(xué)者甚至認(rèn)為陽(yáng)離子抗菌肽可能成為傳統(tǒng)抗生素的潛在替代品。
近年來(lái)研究表明生物體內(nèi)的天然抗菌肽可作為人工合成抗菌肽的模板，通過(guò)物理浸潤(rùn)或共價(jià)結(jié)合等方式將人工合成的抗菌肽Tet-213、Tet-20、HHC-36和GL13K等摻入種植體表面的藥物載體，在體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出良好的抑菌性與組織相容性。
HHC-36是一種時(shí)效性很高的廣譜抗菌劑，已成為目前大量定量構(gòu)效關(guān)系研究的對(duì)象。將其摻入HA或TNT內(nèi)，均可有效抑制金黃色葡萄球菌感染發(fā)生。學(xué)者將HHC-36的C末端進(jìn)行修飾后的抗菌肽命名為Tet-213，物理浸潤(rùn)法將Tet-213載入鈦表面多孔HA中，該載藥涂層對(duì)金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌抑菌性強(qiáng)，并且未發(fā)現(xiàn)對(duì)MG-63人骨肉瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用。
將人唾液腺分泌蛋白中的部分氨基酸序列人工修飾后獲得陽(yáng)離子抗菌肽GL13K，研究證明GL13K可與細(xì)菌內(nèi)毒素結(jié)合進(jìn)而阻止其發(fā)揮作用，經(jīng)其修飾的種植體具有良好的理化性能和組織相容性，對(duì)銅綠單胞桿菌、大腸桿菌具有良好的抗菌性。
種植體表面構(gòu)建局部載藥抗菌涂層旨在通過(guò)表面修飾賦予種植體抗菌性能，預(yù)防術(shù)后感染或?qū)ΨN植體周圍炎進(jìn)行早期干預(yù)治療，大量的體外實(shí)驗(yàn)甚至臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明這些抗菌涂層的抗菌效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的全身抗生素治療。
但目前相關(guān)臨床研究的實(shí)施面臨諸多困難，相信隨著材料學(xué)的發(fā)展以及生物研究技術(shù)的進(jìn)步，一定會(huì)有安全而高效的改性技術(shù)應(yīng)用于臨床。
來(lái)源：李濤,王娜,張振庭. 局部載藥涂層預(yù)防種植體周圍感染的研究進(jìn)展[J]. 北京口腔醫(yī)學(xué),2017,(05):297-300.
