骨科领域的突破：非浸出抗菌新概念

背景

随着医学的进步和发展，骨植入物的应用也越来越多，但是由于细菌喜欢栖息在固体表面，因此细菌或微生物在骨植入物表面的寄生往往会损害其生物学功能，给患者带来过多的创伤。因此，具有抗菌表面的生物医学植入物非常重要，但是，要设计同时具有抗菌性、抗腐蚀性、生物相容性且无毒的生物材料十分困难。

近年来，随着纳米技术的发展，纳米结构通过物理作用灭菌的能力以及优异的抗菌性引起了科学家们的极大兴趣。由于镁合金固有的抗菌能力，以及优异的机械/物理化学性能和自然可降解性，镁合金已在骨科领域得到了探索。

韩国U&i公司生产的K-MET镁合金螺钉应用手部骨折手术[1]

镁合金螺钉植入兔子颌骨后不同时间降解的剩余形貌[2]

但是，由于镁合金的自然降解过程会导致Mg2+离子的浸出使得pH值升高和产氢增加，因此很难控制镁合金的降解速率，从而阻碍了基于镁的植入物的临床采用。

近期，中国科学院深圳先进技术研究院人体组织与器官退行性研究中心研究员王怀雨与香港城市大学教授朱剑豪、河海大学教授吴国松以及中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员庄杰等开展合作在镁（Mg）上原位生成二维纳米薄片，并在体外和体内系统地确认了抗菌活性，耐腐蚀性和生物相容性。纳米薄片将机械张力施加到细菌膜上，从而在接触时破坏细菌结构并通过物理相互作用产生细胞内应力，使得细菌被机械过程杀死，几乎没有副作用，证明了一种非浸出的抗菌概念。

如图1所示，研究人员经水热处理后，在Mg表面垂直形成二维纳米薄片。当处理时间为4和8h（HT4和HT8）时，表面仍然存在裸露部分，形成松散的薄膜。水热处理12h（HT12）后，Mg表面覆盖约1µm厚的致密纳米薄片，超声清洗后，纳米薄片的形态得以保留。纳米薄片层的锯齿形结构增加了表面粗糙度，起到抑制细菌生长的作用。

图1. 不同处理时间的样品形貌

耐腐蚀性能

研究人员通过浸没法评估样品的耐腐蚀性能。结果如图2所示，浸入水中的Mg出现较大裂纹，HT4和HT8的表面观察到部分纳米薄片脱落，而HT12的表面完好无损，这表明随着水热处理时间的延长，耐腐蚀性能逐渐增强。

图2. 样品在培养基中浸泡3小时后的表面形貌
生物相容性
镁合金由于降解过程中会导致周围流体的强碱化及氢的释放/积累，损坏细胞并抑制骨骼的形成，使得其临床应用收到了严重阻碍。从图3a-c可以看出，HT12的成骨细胞存活率明显优于Mg，图3d显示细胞很好地扩散到HT12表面，并表现出一些絮状，而Mg上细胞仍保持圆形且密度较低，表明HT12利于成骨细胞的生长，具有优异的生物相容性。

图3.生物相容性测试

抗菌性能

除了良好的耐腐蚀性和生物相容性外，固有的抗菌性能对于临床应用也至关重要，因为细菌感染往往是植入失败的主要原因。图4显示研究人员对样品的抗菌性能进行了评估，在3h时，HT组均显示出比Mg更强的抗菌能力，且HT12组最强，其抗菌率高于99％。

图4.抗菌性能测试

从图5可以看出，对照组中的葡萄球菌和大肠杆菌保持完整的正常形态；Mg上的细菌可以观察到外膜突起（实心箭头）和破裂（虚线箭头），这是由于pH和离子浓度的升高引起的膨胀应力导致；而HT12上的细菌膜显出凹陷（实心箭头）和拉伸（虚线箭头）形态，表明HT12对细菌的灭活过程是“机械灭菌”，由纳米薄片施加在细菌上的物理作用导致膜的严重变形和最终死亡。

图5.不同样品上葡萄球菌和大肠杆菌的形态

临床应用

理想的植入物应同时具有抗菌能力、抗发炎能力和生物相容性。因此，研究人员使用大鼠模型评估HT12样品。通过观察手术部位和组织学结果来评估抗炎效果，结果如图6所示，对照组和Mg均发生了严重的炎症（黑色箭头），HT12仅表现出轻度的炎症，这是由于组织的正常免疫反应所致。

图6. 抗炎性能测试

此外，从图7的恢复效果可以明显看出，HT12组表现出了最佳的毛发恢复效果和最小的组织肿胀，而且伤口没有明显的发炎迹象，具有出色的临床应用性。

图7. 植入14天后的手术部位图像

研究人员所采用的水热处理法，能够同时对Mg的抗菌性能、耐腐蚀性和生物相容性进行改善，这是迄今为止首次系统性研究，这种在Mg上原位制造二维纳米薄片的抗菌平台，不仅易于扩展至商业生产具有巨大的临床应用潜力，而且为其他多功能生物材料的设计提供了新的研究方向。我们相信这项技术未来在生物医学将得到广泛应用，将极大地推动骨植入物材料的研究！

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201902089

参考文献：

[1] Lee J W, Han H S, Han K J, et al. Long-term clinical study andmultiscale analysis of in vivo biodegradation mechanism of Mg alloy[J]. Proc.Natl. Acad. Sci. USA, 2016, 113, 716.

[2] Niu J L, Xiong M P, Guan X M, et al. The in vivo degradationand bone-implant interface of Mg-Nd-Zn-Zr alloy screws: 18 monthspost-operation results[J]. Corros. Sci, 2016, 113, 183。

—完—

来源：高分子科学前沿