局部载药涂层预防种植体周围感染的研究进展

2018-3-9 11:03  来源:北京口腔医学
作者:李涛 王娜 张振庭 阅读量:7984

    纯钛材料的牙科种植体10年成功率已达到90%以上,然而种植失败的情况也时有发生。研究表明,在种植手术5年后,种植体周围感染发生的比例高达14%,种植体周围感染是导致种植失败主要原因之一。菌斑生物膜的形成是种植体周围感染发生、发展的始动因素,并且一旦形成将很难清除。研究表明杀灭以菌斑生物膜形式存在的微生物所需抗菌剂的浓度为杀灭浮游微生物所需浓度的1000倍。因此,预防种植位点早期感染的发生十分重要。

    有学者建议术前预防性给予全身抗生素治疗,以降低术后感染的风险。然而抗生素全身给药具有靶位点药物浓度低,全身毒副作用等不足。所以寻找有效的方法赋予种植体表面抗菌性能对于预防术后感染,进而提高种植成功率至关重要。目前关于钛种植体表面抗菌改性研究中,局部载药涂层因全身毒副作用小、抗菌性强等优势而备受关注。

    1.局部药物载体

    1.1羟基磷灰石载体

    羟基磷灰石(HA)的组成和晶体结构与骨矿物质相似,具有良好的生物相容性和骨传导性,将其作为治疗骨科疾病的骨替代体已得到广泛应用。18世纪初期,LeGeros等首次利用凝胶法在常温下制备获得片状HA,避免高温分解和热应力过大等制备缺陷,同时证明其作为药物载体的可行性。近年来,学者提出一种新的基于分子水平单体无机聚合反应的溶胶一凝胶法,将单体在分子水平混合,然后在低温下反应,生成多组份的材料。利用该方法制备HA时可将药物掺入钙磷酸盐成分或者液相介质中,而非将药物载入材料表面或孔隙内,与传统的HA局部载药涂层相比,可在一定程度上控制药物的释放速率。

    在过去的十几年间,学者进行了大量关于HA作为抗生素载体的研究。通过大量体外及动物实验已经证实,载抗生素HA可以作为种植手术中控制感染的预防性措施,同时也可作为一种骨组织感染的治疗手段。随着研究的逐渐深入,骨形态发生蛋白(BMP)、β转化生长因子、抗炎药、抗肿瘤药甚至激素类药物也被载入HA而进行成骨、抗炎、抑制肿瘤细胞生长等方面的研究。但是随着临床应用的增加,HA涂层表现出一定的局限性。由于磷酸钙在体液中有一定的溶解性,植入一段时间后可能发生涂层崩解,导致骨结合失败。脱落的涂层颗粒在种植体周围积聚后,激发多种吞噬细胞反应,破骨细胞活跃引起骨吸收,导致种植体松动;涂层脱落使细菌容易侵入,甚至引发种植体周围炎。因此为提高药物载体与钛基底的结合力,二氧化钛纳米管(TNT)以及TNT-HA复合涂层逐渐被国内外学者所关注。

    1.2二氧化钛纳米管载体

    自从Zwilling等对TNT首次报道以来,学者进行大量实验,探究TNT在生物医学领域的应用。研究发现理化性能良好的TNT作为局部药物载体在人体植入装置表面改性方面具有很大的应用价值,例如整形外科移植、血管支架和牙科种植体等。Popat等2007年报道了TNT作为牛血清蛋白及溶菌酶载体的可行性。Dittmar等在血管支架材料表面制备出具有良好生物相容性的TNT,并将其作为紫杉醇载体,体外释放实验中观察到紫杉醇的缓慢、持续释放,证明了TNT可以作为药物缓释载体。此外,已有研究证明TNT作为抗菌剂载体时,抗菌剂不仅沉积于材料表面,甚至有一定数量的药物渗透进入纳米管。将庆大霉素,银离子,氧化锌等抗菌物质载入TNT中,可明显抑制种植体表面细菌的黏附和生长。研究显示,通过阳极氧化法和水热处理法在钛种植体表面分别得到锌、TiO2纳米粒子掺杂的TNT涂层,通过改变反应条件调整金属的掺入浓度,这些掺杂金属的TNT涂层具有良好的抗菌活性和促进骨髓干细胞成骨分化进而增强骨结合的作用。

    HA与TNT作为药物载体时,在控制抗菌剂的稳定和持久释放方面仍待完善。植入早期药物的突释现象通常难以避免,此时药物的大量释放可以预防细菌的黏附,但也会导致局部药物浓度过高和药物的浪费。随着时间的延长,释放入周围组织的抗生素急剧减少而可能导致耐药菌的产生,甚至产生细胞毒副作用。药物的释放速率由载体的表面形态、几何尺寸和药物分子的大小共同决定。有研究通过控制抗菌剂的形貌、大小或通过改变载体的结构为抗菌剂释放提供“开关”等方法控制释药速率,但目前均尚未应用于临床。此外,作为骨内种植体,如何在发挥抗菌性的同时促进周围骨结合则是种植体表面改性的另一研究热点。近年来,研究表明骨髓干细胞的分化对生长因子的作用时机具有极强敏感性,将载有BMP或TGF-β等生物分子的材料植入即刻,药物便可作用于周围细胞,然而此时产生的药效却不利于骨髓干细胞的分化。因此,如何更加精确地控制局部载药系统的释药速率,研究者们提出了新的思路,通过构建一种生物降解性药物载体,以载体内聚合物分子对周围环境中刺激因素的反应为基础,通过改变聚合物的降解速率来调控药物释放动力学。

    1.3生物降解性载体

    水凝胶是一种三维交联的亲水性聚合物,可用于负载多种生物分子。同时,在骨形成和改建过程中机体会表达多种金属基质蛋白酶(MMP)。研究中选择可被MMP降解的多肽序列,经药物修饰后与水凝胶进行交联反应,在MMP的酶切作用下,随着多肽的降解,所载药物得以释放。此外,pH-敏感性的药物载体可根据周围组织酸碱性而改变自身降解速率进而调节释药速率。例如在治疗以酸性微环境为特征的骨髓炎时,可将抗生素载入HA后在材料表面合成一层pH-敏感性的聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球,这些微球在周围微环境酸碱度变化的刺激下发生构象改变,与单纯加载抗生素的HA涂层相比,能够更加精确地控制释药速率。口腔菌斑生物膜也表现为偏酸性的微环境,研究者用pH-敏感性的嵌段共聚物纳米粒子作为抗菌素载体治疗相关感染,抗菌效果显著提高。

    2.各类抗菌剂

    2.1传统抗生素

    自20世纪七十年代,抗生素就被掺入骨水泥中,研究发现掺有抗生素的骨水泥联合全身抗生素预防给药可以控制骨水泥粘接全关节术后无菌性松动、深部感染等并发症的发生。因此,学者开始尝试在钛种植体表面制备载抗生素涂层。庆大霉素具有热稳定性、抗菌谱广等特征,是钛种植体表面制备载抗生素涂层常用的抗生素之一。甲硝唑作为临床常用的治疗厌氧菌感染的药物,也被用于种植体表面抗菌涂层的制备与研究中,体外实验证明载甲硝唑抗菌涂层对牙龈卟啉单胞菌抗菌效果显著。随着研究的不断深入,各种载药释药系统不断改善,但是获得能在有效浓度内长期释放抗生素的抗菌涂层仍有难度,单纯的物理吸附法载药会导致抗生素的突释,将抗生素改性后与载体共价结合可以获得长期抗菌能力,但又存在低于最小抑菌浓度范围下长期释放药物,进而产生新抗生素耐药菌的风险。

    2.2非抗生素类有机抗菌剂

    考虑到非抗生素类有机抗菌剂产生耐药菌的低风险性,氯己定、氯二甲酚等广谱抗菌剂,在日常生活中得到广泛应用。氯己定为双胍类化合物,对G+、G-细菌和真菌都具有较强的抗菌作用,可明显减少口腔菌斑生物膜的形成。研究表明氯己定可以吸附到钛表面的HA涂层或氧化层,并且对金黄色葡萄球菌、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进一步探索研究。

    2.3金属抗菌离子

    在自然界中一些金属离子本身具有抑制或杀灭微生物的作用,无机抗菌剂银、锌、铜已被用于制备种植体表面抗菌涂层。研究发现在生物陶瓷中掺银离子可显著抑制细菌在材料表面黏附,高浓度银离子杀菌效果极强;掺银离子TNT对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等具有良好的抗菌性,同时还可增强二氧化钛光催化抗菌性。近年来纳米银抗菌材料的研究逐渐兴起,该材料具有极强的抗菌性,起效快,作用时间长,且不易耐药。但随着研究的不断深入也暴露出一些问题,如银离子的富集对人体和哺乳动物的危害等。因此载银抗菌材料的应用范围和使用剂量仍需进一步探索。锌离子已被证实具有抗菌作用,我们课题组通过水浴法制备载氧化锌纳米粒子的TNT抗菌涂层,发现该涂层既能抑制细菌在种植体表面的黏附,又可促进骨髓干细胞的成骨向分化。

    2.4抗菌肽

    抗菌肽是多细胞生物自身防御系统产生的具有高效广谱抗菌活性的小分子肽,具有抗菌谱广、不易产生耐药性等特点。许多学者甚至认为阳离子抗菌肽可能成为传统抗生素的潜在替代品。近年来研究表明生物体内的天然抗菌肽可作为人工合成抗菌肽的模板,通过物理浸润或共价结合等方式将人工合成的抗菌肽Tet-213、Tet-20、HHC-36和GL13K等掺入种植体表面的药物载体,在体内、外实验中均表现出良好的抑菌性与组织相容性。HHC-36是一种时效性很高的广谱抗菌剂,已成为目前大量定量构效关系研究的对象。将其掺入HA或TNT内,均可有效抑制金黄色葡萄球菌感染发生。学者将HHC-36的C末端进行修饰后的抗菌肽命名为Tet-213,物理浸润法将Tet-213载入钛表面多孔HA中,该载药涂层对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌抑菌性强,并且未发现对MG-63人骨肉瘤细胞的细胞毒性作用。将人唾液腺分泌蛋白中的部分氨基酸序列人工修饰后获得阳离子抗菌肽GL13K,研究证明GL13K可与细菌内毒素结合进而阻止其发挥作用,经其修饰的种植体具有良好的理化性能和组织相容性,对铜绿单胞杆菌、大肠杆菌具有良好的抗菌性。

    种植体表面构建局部载药抗菌涂层旨在通过表面修饰赋予种植体抗菌性能,预防术后感染或对种植体周围炎进行早期干预治疗,大量的体外实验甚至临床前动物实验已经证明这些抗菌涂层的抗菌效果明显优于传统的全身抗生素治疗。但目前相关临床研究的实施面临诸多困难,相信随着材料学的发展以及生物研究技术的进步,一定会有安全而高效的改性技术应用于临床。

编辑: 陆美凤

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