引用本文： 張超群, 吳一芃, 徐永清. 骨科內植物表面抗菌改性的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(4): 511-516. doi: 10.7507/1002-1892.202112109 復制
骨科內植物在穩定骨折、矯正畸形和重建關節等方面起著重要作用，但是一旦發生內植物感染往往會帶來嚴重并發癥，如感染性骨缺損、感染性骨不連等，常需進行多次外科清創術，甚至需要在骨折未愈合時取出內固定物，可能導致手術失敗、截肢并增加治療費用。據報道，擇期和急診骨科手術后內植物感染發生率約5%[1]。研究表明，對內植物進行表面改性，使其具有預防和治療感染的作用，是處理內植物感染的理想方法[2]。本文將從骨科內植物的感染特點和抗感染修飾兩方面對骨科內植物抗菌改性進行綜述。
1 骨科內植物感染特點
內植物感染的發生主要與附著在內植物表面、手術器械和空氣中的各種條件致病菌經內源性遷移或血液傳播到達宿主內植物表面有關。體內異物的存在往往會導致纖維炎癥并影響機體對微生物的免疫作用，增加細菌感染的可能性[3-4]。內植物感染的原因主要涉及到細菌黏附、宿主免疫能力下降和表面生物膜形成等方面[5-6]。細菌黏附于內植物材料表面是引起內植物感染的初始因素。內植物感染的常見致病菌有金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、耐甲氧西林葡萄球菌。細菌的種類和黏附性，植入材料的化學成分、表面形態、能量狀態、親水性和表面電荷，都是影響細菌黏附性的重要因素[7]。由于外科手術創傷使宿主免疫能力下降，使得細菌更容易黏附于內植物表面，引起內植物感染；在感染后期，內植物表面局部組織血管分布變少，防御能力也隨之降低。因此，宿主免疫能力下降也是一個重要因素[8]。黏附于內植物材料表面的細菌通過合成多糖和吸附細胞外基質蛋白質形成生物膜，生物膜使細菌不僅能長期黏附于內植物表面，還能不受體內免疫功能的影響，從而發生內植物感染。
2 內植物表面抗菌改性的策略
內植物感染初期是細菌黏附于內植物表面，也是最重要的階段。因此， 為減少內植物感染的發生，首先要避免細菌污染，植入生物材料的任何環節都應時刻保持無菌操作和加強抗生素的應用；其次需要提高和完善生物材料性能。目前，在生物材料的抗菌改性研究中，抗菌涂層的種類越來越多樣化，涉及范圍也越來越廣泛。抗菌改性主要措施可分為兩類：一是在生物材料表面添加抗生素或其他抗菌物質起到抗菌效果；二是改變材料的物理和化學性質、表面電學性質、表面形貌來抑制細菌黏附。此外，還有一些新型抗菌改性策略，如免疫調節、基于3D打印的表面涂層、高分子類抗菌涂層、“智能”涂層等。
2.1 抗細菌黏附涂層
感染發生的第一步就是細菌黏附于內植物表面，往往涉及多種因素，抗感染研究的目的是零黏附[9]。纖維蛋白能夠促使病原體與生物材料黏附，同時也是金黃色葡萄球菌生物被膜基質中的一種成分，并且抗生素對生物被膜的滲透性較差，因此纖維蛋白會促進抗生素耐藥性的出現。研究表明，含有組織纖溶酶原激活劑的涂層會減少細菌對生物材料的黏附[10]。內植物的表面特性，如化學性質、表面能、粗糙度、表面電位和電導率，在細菌黏附方面起著重要作用。改變內植物表面的物理和化學性質，從而起到抑制細菌黏附的作用是一種相對簡易的方法，但無法消滅病原體。Liu等[11]將聚乙二醇分子與鈦基內植物表面結合，結合后的聚乙二醇分子在鈦基內植物表面上的組裝密度明顯增加，與結合前內植物相比細菌黏附大大減少，從而起到抗細菌黏附的作用。納米材料表面也被證明可以減少細菌黏附，研究人員發現，細菌在納米級鈦基內植物上的黏附性隨著粗糙度的增加而降低，這與黏附點和黏附面積減少有關[12]。內植物表面氧化層結構一旦發生變化，也能實現內植物表面的抗細菌黏附作用。張志清等[13]比較觀察了變形鏈球菌在氧化鋯基底和鈦金屬基臺表面的黏附能力，結果表明氧化鋯陶瓷組的細菌數量明顯低于鈦合金拋光組，因此他們認為氧化鋯陶瓷具備優秀的抗細菌黏附生物學特點，某種程度上它可以減少內植物表面細菌黏附、菌落形成和周圍炎癥的發生。
2.2 抗生素涂層
為避免內植物感染，臨床上會全身應用抗生素預防，但是全身給藥可能產生中毒癥狀，也容易導致耐藥菌的產生。因此，局部使用抗生素可以大大降低上述問題發生可能性[14]。Turner 等[15]在犬的肱骨缺損模型中，發現妥布霉素和硫酸鈣的組合具有更好成骨作用，局部抗生素濃度更高，持續釋放抗生素時間更長。載有抗生素的磷酸鈣可以通過緩慢釋放抗生素，修復骨缺損并誘導骨折愈合[16]。在人工關節置換手術中，通過使用載抗生素的骨水泥，可以更有效地抑制細菌生長速度，降低人工關節感染風險[17]。局部植入載抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，對清除附著在不銹鋼表面的銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌生物膜的效果，明顯好于單獨使用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥[18]。
在臨床使用抗生素涂層之前，有以下幾個問題需要解決。首先，附著在內植物上的細菌與抗生素敏感性之間的關系，相關報道顯示抗生素耐藥菌是從內植物的四周分離而得[19]。第二，抗生素與人體相容程度比較高，但文獻報道部分抗生素會損害細胞活性[20]。第三，據報道一些介質在有效抗菌濃度下長時間釋放抗生素，療效不但未提升，反而會增加細菌耐藥性[21]。
2.3 無機抗菌劑涂層
在已知的無機抗菌材料中，銀離子是最常用的。銀離子具有以下優點：① 對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌具有廣泛抗菌作用[22]；② 銀離子的摻入可以抑制細菌對生物材料的附著[23]；③ 銀離子具有持久抗菌作用[24]；④ 銀離子不容易產生耐藥性[25]；⑤ 銀離子涂層具有良好的生物相容性，無遺傳毒性和細胞毒性[26]；⑥ 銀離子可用于各種生物材料中[24]。Yan等[27]合成了直徑100 nm高度有序的二氧化鈦納米管，并在其上沉積了厚度為（7.7±1.5）μm的載銀羥基磷灰石涂層，銀離子均勻分布于納米管上，在模擬體液中載銀羥基磷灰石涂層的二氧化鈦納米管顯示出良好的生物活性和耐腐蝕性。Akiyama等[28]研究了載銀透明質酸涂層的二氧化鈦在大鼠脛骨骨髓腔中的滅菌活性，分別于術后24、48、72 h觀察涂層對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抗菌效果，結果顯示載銀透明質酸涂層組細菌數量比單獨透明質酸涂層組大幅度減少，同時4周后的影像學評估也證明了銀離子的長期抗菌效果。
2.4 復合型抗菌涂層
復合型抗菌涂層是指將各種類型抗菌材料整合在一起，制備出抗菌性能更好的復合材料，目前是國內抗菌涂層生物材料的研究重點。摻釩二氧化鈦的復合型生物材料對葡萄球菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌顯示出強大的抗菌活性[29]。Kazemzadeh-Narbat等[30]制備了二氧化鈦納米管，并在其上添加磷酸鈣涂層和一層磷脂膜，實驗結果顯示該復合型生物材料對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均具有良好抗菌作用。Chua等[31]將精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸改性的殼聚糖分層沉積在鈦合金基底上，并評估了其成骨功能和細菌吸附能力。結果顯示改性后的殼聚糖涂層導致細菌對鈦合金表面的附著力明顯降低，并具有良好的抗菌能力。復合型抗菌涂層的抗菌作用主要是兼具各類型材料的生物學優勢，但其穩定性較差以及受環境影響大。
2.5 一氧化氮（nitric oxide，NO）涂層
NO是一種良好的抗菌劑和抗病毒劑，可以調節各種生理過程。文獻報道NO對革蘭陰性菌和革蘭陽性菌的抗菌效果十分理想[32]。NO的廣譜抗菌活性與過氧亞硝酸鹽有關，過氧亞硝酸鹽是NO與過氧化物發生反應的產物[2]。NO的抗菌活性是由于NO與氧或超氧化物自發反應產生的活性氮氧化物，導致細菌DNA、蛋白質和脂質膜損傷[33]。Nablo等[34]在不銹鋼表面涂覆一層能釋放NO的溶膠凝膠膜，結果顯示能明顯降低銅綠假單胞菌、表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌的黏附特性，并能殺滅附著于內植物表面的細菌。
2.6 免疫調節治療
免疫調節治療是一種特殊治療方式，一旦材料植入體內，就會觸發一系列免疫反應，提高組織再生能力，進而具有抗感染的特點[35]。同時，該方法還具有持久和廣譜抗菌作用，能明顯減少與感染有關的骨溶解。但也存在很多缺點，如很難發現與免疫治療直接相關的免疫性靶點以及相關的免疫性預后因素。
LL-37是一種抗菌肽，它進入人體后調節自身免疫反應，主要通過激活Toll類受體來實現，并能夠控制出現炎癥反應，進而防止細菌感染，包括金黃色葡萄球菌和沙門菌等[36-37]。Zhao等[38]提出IL-4在體內和體外均能誘導BMSCs在鈣鍶鋅磷酸鹽上的巨噬細胞2型極化，極化后產生抗炎因子，抑制炎癥并促進骨再生。Lim 等[39]介紹了雙歧桿菌可以通過增強免疫球蛋白活性和誘導抗炎或減少促炎細胞因子對免疫系統進行調節，從而有助于治療感染性或炎癥疾病患者。免疫調節治療為骨科內植物的抗菌改性方面提供了新的視角[40]。
2.7 基于3D打印的表面涂層
近年來，3D打印技術在成熟度、靈活性和精確度等方面都有所提高。Xue等[41]制備了一種由聚乙烯醇、聚乙烯酸和綠色合成銀納米粒子組成的抗菌涂層，該涂層修飾于3D打印內植物表面后，較小尺寸的銀納米粒子在相對較低濃度下顯示出了強大的廣譜抗菌活性和良好生物相容性。Liu等[42]提出了一種廉價且方便的打印-噴涂-轉印工藝，依據病變特點，運用3D打印機打印出硅膠內植物模具；涂層過程中，將銀納米粒子均勻覆蓋于多壁碳納米管，并合成抗菌材料。該工藝能使抗菌涂層可靠附著于硅膠內植物表面。此外，作者還對該合成抗菌材料的抗菌活性、銀離子釋放、細胞活力和形態進行評估，顯示出較高的抗菌活性及良好生物相容性。由于其“個性化”特性以及良好生物學特性，3D打印涂層在內植物表面抗感染修飾方面具有廣闊應用前景。但該涂層制造成本高、工時長、效率低，仍需進一步研究相關改良制備技術。
2.8 高分子類抗菌涂層
目前被廣泛研究和使用的高分子抗菌物質主要是多糖、蛋白質和季銨鹽。作為一種生物大分子，殼聚糖因無毒性、良好生物相容性和抗菌特性，被廣泛用作生物醫療設備的潛在抗菌材料[43]。Gouveia等[44]通過交叉陰影和拉伸附著力實驗，證明了載銀納米粒子涂層對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌效果隨殼聚糖含量增加而增強。蛋白質抗菌物質主要包括抗菌肽和溶菌酶。抗菌肽影響宿主的免疫系統，具有廣譜抗菌性、低細胞毒性和低免疫反應等特性，這些特性使其成為制備防止細菌附著于內植物表面抗菌涂層的理想選擇[45]。抗菌肽OP-145在體外實驗中已被證明能有效殺滅金黃色葡萄球菌和抑制生物膜形成。將OP-145與金黃色葡萄球菌一起注入小鼠體內，可顯著減少內植物表面細菌數量[46]。高分子類抗菌涂層對骨科內植物感染的防治帶來了新的希望。然而高分子類抗菌材料抗菌機制不明確，成本較高，尚需進一步探索。
2.9 “智能”涂層
藥物的快速釋放會使藥物濃度突然升高，產生毒性以及縮短作用時間。因此有針對性地輸送藥物和改變組織中藥物濃度，能夠達到最佳治療效果。“智能”涂層是一種擁有智能特性的涂層方式，可用于覆蓋目標物體[47]。并且該涂層具有高敏感性、良好的生物相容性、自選擇或自適應功能等特點。Sang等[48]將慶大霉素負載至鈦、聚乙烯和三氧化二鋁合成材料上，隨著溶液pH值改變慶大霉素的釋放速率，該材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有很強的滅菌作用，從而實現智能釋放。Zhang等[49]將萬古霉素共價連接到一種量身定制的多肽上，該多肽可以被金黃色葡萄球菌分泌的絲氨酸蛋白酶樣蛋白酶選擇性地有效切割。由于抗菌藥物只在特定情況下才有效，因此這種策略能夠延緩細菌耐藥性過程，并能延長抗菌涂層抗菌作用持續時間。這不僅能實現長期抗菌效果，而且對周圍正常組織的副作用也很小；利用金黃色葡萄球菌分泌的毒素來觸發有效載荷抗生素的釋放，從而殺死細菌；并且藥物釋放也會受到保護，可以防止藥物過早泄漏或非特異性藥物釋放而產生的不利影響[50]。但同時該涂層也有很多缺點，如壽命短、成本高、易受環境影響等，有待臨床進一步研究。
3 小結與展望
各種骨科內植物抗菌涂層方式均有優缺點及適用范圍（表1）。在臨床實踐中，可以根據感染特點選擇合適的涂層方式，必要時可結合多種方式。在理想狀態下，內植物表面涂層應當具有多種功能，可以聯合多種不同技術或方式，同時可以將涂層轉變為摻入后設計-3D打印-制作成品。
表1
骨科內植物各抗菌涂層方式的適用范圍及優缺點
Table1.
Application and advantages and disadvantages of each antimicrobial coating method of orthopedic implants
隨著骨科疾病的增加，內植物的使用日益廣泛，內植物感染仍然是臨床研究的一個關鍵領域。目前，在各類相關研究中，大多基于體外實驗或動物實驗，很少有體內試驗的報道。許多抗菌材料已在臨床上應用，但涂層材料的作用機制和修飾方式尚存在爭議，其與內植物結合不牢以及制備方法復雜等問題均未解決。我們相信通過不斷的科學研究，了解內植物感染的相關生物學特性，研發不同涂層方式，最終可獲得新型、安全、有效的抗感染內植物。
利益沖突 在文章撰寫過程中不存在利益沖突，項目經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 張超群：查閱文獻、整理數據、論文撰寫；吳一芃：對文章修改提出建設性意見；徐永清：審閱文章并參與觀點形成
骨科內植物在穩定骨折、矯正畸形和重建關節等方面起著重要作用，但是一旦發生內植物感染往往會帶來嚴重并發癥，如感染性骨缺損、感染性骨不連等，常需進行多次外科清創術，甚至需要在骨折未愈合時取出內固定物，可能導致手術失敗、截肢并增加治療費用。據報道，擇期和急診骨科手術后內植物感染發生率約5%[1]。研究表明，對內植物進行表面改性，使其具有預防和治療感染的作用，是處理內植物感染的理想方法[2]。本文將從骨科內植物的感染特點和抗感染修飾兩方面對骨科內植物抗菌改性進行綜述。
1 骨科內植物感染特點
內植物感染的發生主要與附著在內植物表面、手術器械和空氣中的各種條件致病菌經內源性遷移或血液傳播到達宿主內植物表面有關。體內異物的存在往往會導致纖維炎癥并影響機體對微生物的免疫作用，增加細菌感染的可能性[3-4]。內植物感染的原因主要涉及到細菌黏附、宿主免疫能力下降和表面生物膜形成等方面[5-6]。細菌黏附于內植物材料表面是引起內植物感染的初始因素。內植物感染的常見致病菌有金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、耐甲氧西林葡萄球菌。細菌的種類和黏附性，植入材料的化學成分、表面形態、能量狀態、親水性和表面電荷，都是影響細菌黏附性的重要因素[7]。由于外科手術創傷使宿主免疫能力下降，使得細菌更容易黏附于內植物表面，引起內植物感染；在感染后期，內植物表面局部組織血管分布變少，防御能力也隨之降低。因此，宿主免疫能力下降也是一個重要因素[8]。黏附于內植物材料表面的細菌通過合成多糖和吸附細胞外基質蛋白質形成生物膜，生物膜使細菌不僅能長期黏附于內植物表面，還能不受體內免疫功能的影響，從而發生內植物感染。
2 內植物表面抗菌改性的策略
內植物感染初期是細菌黏附于內植物表面，也是最重要的階段。因此， 為減少內植物感染的發生，首先要避免細菌污染，植入生物材料的任何環節都應時刻保持無菌操作和加強抗生素的應用；其次需要提高和完善生物材料性能。目前，在生物材料的抗菌改性研究中，抗菌涂層的種類越來越多樣化，涉及范圍也越來越廣泛。抗菌改性主要措施可分為兩類：一是在生物材料表面添加抗生素或其他抗菌物質起到抗菌效果；二是改變材料的物理和化學性質、表面電學性質、表面形貌來抑制細菌黏附。此外，還有一些新型抗菌改性策略，如免疫調節、基于3D打印的表面涂層、高分子類抗菌涂層、“智能”涂層等。
2.1 抗細菌黏附涂層
感染發生的第一步就是細菌黏附于內植物表面，往往涉及多種因素，抗感染研究的目的是零黏附[9]。纖維蛋白能夠促使病原體與生物材料黏附，同時也是金黃色葡萄球菌生物被膜基質中的一種成分，并且抗生素對生物被膜的滲透性較差，因此纖維蛋白會促進抗生素耐藥性的出現。研究表明，含有組織纖溶酶原激活劑的涂層會減少細菌對生物材料的黏附[10]。內植物的表面特性，如化學性質、表面能、粗糙度、表面電位和電導率，在細菌黏附方面起著重要作用。改變內植物表面的物理和化學性質，從而起到抑制細菌黏附的作用是一種相對簡易的方法，但無法消滅病原體。Liu等[11]將聚乙二醇分子與鈦基內植物表面結合，結合后的聚乙二醇分子在鈦基內植物表面上的組裝密度明顯增加，與結合前內植物相比細菌黏附大大減少，從而起到抗細菌黏附的作用。納米材料表面也被證明可以減少細菌黏附，研究人員發現，細菌在納米級鈦基內植物上的黏附性隨著粗糙度的增加而降低，這與黏附點和黏附面積減少有關[12]。內植物表面氧化層結構一旦發生變化，也能實現內植物表面的抗細菌黏附作用。張志清等[13]比較觀察了變形鏈球菌在氧化鋯基底和鈦金屬基臺表面的黏附能力，結果表明氧化鋯陶瓷組的細菌數量明顯低于鈦合金拋光組，因此他們認為氧化鋯陶瓷具備優秀的抗細菌黏附生物學特點，某種程度上它可以減少內植物表面細菌黏附、菌落形成和周圍炎癥的發生。
2.2 抗生素涂層
為避免內植物感染，臨床上會全身應用抗生素預防，但是全身給藥可能產生中毒癥狀，也容易導致耐藥菌的產生。因此，局部使用抗生素可以大大降低上述問題發生可能性[14]。Turner 等[15]在犬的肱骨缺損模型中，發現妥布霉素和硫酸鈣的組合具有更好成骨作用，局部抗生素濃度更高，持續釋放抗生素時間更長。載有抗生素的磷酸鈣可以通過緩慢釋放抗生素，修復骨缺損并誘導骨折愈合[16]。在人工關節置換手術中，通過使用載抗生素的骨水泥，可以更有效地抑制細菌生長速度，降低人工關節感染風險[17]。局部植入載抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，對清除附著在不銹鋼表面的銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌生物膜的效果，明顯好于單獨使用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥[18]。
在臨床使用抗生素涂層之前，有以下幾個問題需要解決。首先，附著在內植物上的細菌與抗生素敏感性之間的關系，相關報道顯示抗生素耐藥菌是從內植物的四周分離而得[19]。第二，抗生素與人體相容程度比較高，但文獻報道部分抗生素會損害細胞活性[20]。第三，據報道一些介質在有效抗菌濃度下長時間釋放抗生素，療效不但未提升，反而會增加細菌耐藥性[21]。
2.3 無機抗菌劑涂層
在已知的無機抗菌材料中，銀離子是最常用的。銀離子具有以下優點：① 對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌具有廣泛抗菌作用[22]；② 銀離子的摻入可以抑制細菌對生物材料的附著[23]；③ 銀離子具有持久抗菌作用[24]；④ 銀離子不容易產生耐藥性[25]；⑤ 銀離子涂層具有良好的生物相容性，無遺傳毒性和細胞毒性[26]；⑥ 銀離子可用于各種生物材料中[24]。Yan等[27]合成了直徑100 nm高度有序的二氧化鈦納米管，并在其上沉積了厚度為（7.7±1.5）μm的載銀羥基磷灰石涂層，銀離子均勻分布于納米管上，在模擬體液中載銀羥基磷灰石涂層的二氧化鈦納米管顯示出良好的生物活性和耐腐蝕性。Akiyama等[28]研究了載銀透明質酸涂層的二氧化鈦在大鼠脛骨骨髓腔中的滅菌活性，分別于術后24、48、72 h觀察涂層對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抗菌效果，結果顯示載銀透明質酸涂層組細菌數量比單獨透明質酸涂層組大幅度減少，同時4周后的影像學評估也證明了銀離子的長期抗菌效果。
2.4 復合型抗菌涂層
復合型抗菌涂層是指將各種類型抗菌材料整合在一起，制備出抗菌性能更好的復合材料，目前是國內抗菌涂層生物材料的研究重點。摻釩二氧化鈦的復合型生物材料對葡萄球菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌顯示出強大的抗菌活性[29]。Kazemzadeh-Narbat等[30]制備了二氧化鈦納米管，并在其上添加磷酸鈣涂層和一層磷脂膜，實驗結果顯示該復合型生物材料對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均具有良好抗菌作用。Chua等[31]將精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸改性的殼聚糖分層沉積在鈦合金基底上，并評估了其成骨功能和細菌吸附能力。結果顯示改性后的殼聚糖涂層導致細菌對鈦合金表面的附著力明顯降低，并具有良好的抗菌能力。復合型抗菌涂層的抗菌作用主要是兼具各類型材料的生物學優勢，但其穩定性較差以及受環境影響大。
2.5 一氧化氮（nitric oxide，NO）涂層
NO是一種良好的抗菌劑和抗病毒劑，可以調節各種生理過程。文獻報道NO對革蘭陰性菌和革蘭陽性菌的抗菌效果十分理想[32]。NO的廣譜抗菌活性與過氧亞硝酸鹽有關，過氧亞硝酸鹽是NO與過氧化物發生反應的產物[2]。NO的抗菌活性是由于NO與氧或超氧化物自發反應產生的活性氮氧化物，導致細菌DNA、蛋白質和脂質膜損傷[33]。Nablo等[34]在不銹鋼表面涂覆一層能釋放NO的溶膠凝膠膜，結果顯示能明顯降低銅綠假單胞菌、表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌的黏附特性，并能殺滅附著于內植物表面的細菌。
2.6 免疫調節治療
免疫調節治療是一種特殊治療方式，一旦材料植入體內，就會觸發一系列免疫反應，提高組織再生能力，進而具有抗感染的特點[35]。同時，該方法還具有持久和廣譜抗菌作用，能明顯減少與感染有關的骨溶解。但也存在很多缺點，如很難發現與免疫治療直接相關的免疫性靶點以及相關的免疫性預后因素。
LL-37是一種抗菌肽，它進入人體后調節自身免疫反應，主要通過激活Toll類受體來實現，并能夠控制出現炎癥反應，進而防止細菌感染，包括金黃色葡萄球菌和沙門菌等[36-37]。Zhao等[38]提出IL-4在體內和體外均能誘導BMSCs在鈣鍶鋅磷酸鹽上的巨噬細胞2型極化，極化后產生抗炎因子，抑制炎癥并促進骨再生。Lim 等[39]介紹了雙歧桿菌可以通過增強免疫球蛋白活性和誘導抗炎或減少促炎細胞因子對免疫系統進行調節，從而有助于治療感染性或炎癥疾病患者。免疫調節治療為骨科內植物的抗菌改性方面提供了新的視角[40]。
2.7 基于3D打印的表面涂層
近年來，3D打印技術在成熟度、靈活性和精確度等方面都有所提高。Xue等[41]制備了一種由聚乙烯醇、聚乙烯酸和綠色合成銀納米粒子組成的抗菌涂層，該涂層修飾于3D打印內植物表面后，較小尺寸的銀納米粒子在相對較低濃度下顯示出了強大的廣譜抗菌活性和良好生物相容性。Liu等[42]提出了一種廉價且方便的打印-噴涂-轉印工藝，依據病變特點，運用3D打印機打印出硅膠內植物模具；涂層過程中，將銀納米粒子均勻覆蓋于多壁碳納米管，并合成抗菌材料。該工藝能使抗菌涂層可靠附著于硅膠內植物表面。此外，作者還對該合成抗菌材料的抗菌活性、銀離子釋放、細胞活力和形態進行評估，顯示出較高的抗菌活性及良好生物相容性。由于其“個性化”特性以及良好生物學特性，3D打印涂層在內植物表面抗感染修飾方面具有廣闊應用前景。但該涂層制造成本高、工時長、效率低，仍需進一步研究相關改良制備技術。
2.8 高分子類抗菌涂層
目前被廣泛研究和使用的高分子抗菌物質主要是多糖、蛋白質和季銨鹽。作為一種生物大分子，殼聚糖因無毒性、良好生物相容性和抗菌特性，被廣泛用作生物醫療設備的潛在抗菌材料[43]。Gouveia等[44]通過交叉陰影和拉伸附著力實驗，證明了載銀納米粒子涂層對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌效果隨殼聚糖含量增加而增強。蛋白質抗菌物質主要包括抗菌肽和溶菌酶。抗菌肽影響宿主的免疫系統，具有廣譜抗菌性、低細胞毒性和低免疫反應等特性，這些特性使其成為制備防止細菌附著于內植物表面抗菌涂層的理想選擇[45]。抗菌肽OP-145在體外實驗中已被證明能有效殺滅金黃色葡萄球菌和抑制生物膜形成。將OP-145與金黃色葡萄球菌一起注入小鼠體內，可顯著減少內植物表面細菌數量[46]。高分子類抗菌涂層對骨科內植物感染的防治帶來了新的希望。然而高分子類抗菌材料抗菌機制不明確，成本較高，尚需進一步探索。
2.9 “智能”涂層
藥物的快速釋放會使藥物濃度突然升高，產生毒性以及縮短作用時間。因此有針對性地輸送藥物和改變組織中藥物濃度，能夠達到最佳治療效果。“智能”涂層是一種擁有智能特性的涂層方式，可用于覆蓋目標物體[47]。并且該涂層具有高敏感性、良好的生物相容性、自選擇或自適應功能等特點。Sang等[48]將慶大霉素負載至鈦、聚乙烯和三氧化二鋁合成材料上，隨著溶液pH值改變慶大霉素的釋放速率，該材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有很強的滅菌作用，從而實現智能釋放。Zhang等[49]將萬古霉素共價連接到一種量身定制的多肽上，該多肽可以被金黃色葡萄球菌分泌的絲氨酸蛋白酶樣蛋白酶選擇性地有效切割。由于抗菌藥物只在特定情況下才有效，因此這種策略能夠延緩細菌耐藥性過程，并能延長抗菌涂層抗菌作用持續時間。這不僅能實現長期抗菌效果，而且對周圍正常組織的副作用也很小；利用金黃色葡萄球菌分泌的毒素來觸發有效載荷抗生素的釋放，從而殺死細菌；并且藥物釋放也會受到保護，可以防止藥物過早泄漏或非特異性藥物釋放而產生的不利影響[50]。但同時該涂層也有很多缺點，如壽命短、成本高、易受環境影響等，有待臨床進一步研究。
3 小結與展望
各種骨科內植物抗菌涂層方式均有優缺點及適用范圍（表1）。在臨床實踐中，可以根據感染特點選擇合適的涂層方式，必要時可結合多種方式。在理想狀態下，內植物表面涂層應當具有多種功能，可以聯合多種不同技術或方式，同時可以將涂層轉變為摻入后設計-3D打印-制作成品。
表1
骨科內植物各抗菌涂層方式的適用范圍及優缺點
Table1.
Application and advantages and disadvantages of each antimicrobial coating method of orthopedic implants
隨著骨科疾病的增加，內植物的使用日益廣泛，內植物感染仍然是臨床研究的一個關鍵領域。目前，在各類相關研究中，大多基于體外實驗或動物實驗，很少有體內試驗的報道。許多抗菌材料已在臨床上應用，但涂層材料的作用機制和修飾方式尚存在爭議，其與內植物結合不牢以及制備方法復雜等問題均未解決。我們相信通過不斷的科學研究，了解內植物感染的相關生物學特性，研發不同涂層方式，最終可獲得新型、安全、有效的抗感染內植物。
利益沖突 在文章撰寫過程中不存在利益沖突，項目經費支持沒有影響文章觀點
作者貢獻聲明 張超群：查閱文獻、整理數據、論文撰寫；吳一芃：對文章修改提出建設性意見；徐永清：審閱文章并參與觀點形成
