卿云安 李瑞延 劉貫聰 梁豪君 張彥博 秦彥國*

納米銀粒子改性種植體的研究進展*

卿云安 李瑞延 劉貫聰 梁豪君 張彥博 秦彥國*

關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療終末期關(guān)節(jié)疾病和老年股骨頸骨折最常用的有效手段，在臨床研究中，無菌性松動和假體周圍感染是造成假體植入失敗的主要原因。而良好的骨整合性是使假體保持長期穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此如何提高骨整合能力是骨組織工程研究關(guān)注的熱點。納米銀粒子（Silvernanoparticles）的抗菌能力備受推崇，它可以有效減少假體周圍感染；同時有研究指出它還具備一定的促成骨能力，這將對無菌性松動有改善作用。以上優(yōu)點使納米銀改性種植體受到廣泛關(guān)注，本文就納米銀改性種植體的應(yīng)用作一綜述。

納米銀；骨整合；種植體；表面改性

“骨整合”是Branemark提出用于描述鈦合金固定到骨組織的術(shù)語[1]，良好的骨整合性能是假體能夠長期穩(wěn)定植入的關(guān)鍵，所以如何提高骨整合能力一直是我們研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，種植體表面的理化性能是骨整合的關(guān)鍵，有效的表面改性方法可提高種植體的骨整合能力[2]。目前表面改性的方法[3]大致分為兩類：物理改性和化學(xué)改性。物理改性包括：物理氣相沉積、離子注入和光刻技術(shù)；化學(xué)改性法包括：酸蝕、過氧化、堿處理、陽極氧化、功能分子通過共價交聯(lián)、化學(xué)氣相沉積和水熱改性等。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，金屬銀可以被制成納米級的顆粒。研究表明納米銀具有極大的比表面積、小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，同時具有廣譜抗菌性和細(xì)菌對其無耐藥性的優(yōu)點[4]。其抗菌作用主要是通過釋放銀離子實現(xiàn)，與銀離子相比，同等程度的納米銀顆粒對細(xì)胞毒性更小，并且能長時間穩(wěn)定釋放低濃度銀離子抗菌，這些優(yōu)勢使納米銀在種植體中具有很好的應(yīng)用前景[5]。本文就納米銀改性種植體表面的應(yīng)用作一綜述。

1 納米銀的合成

納米銀的合成有很多方法，目前主要包括物理、化學(xué)、生物等三大類方法[6]。物理方法主要為電解和熱解，具有快速、不涉及危險化學(xué)品的優(yōu)點，但產(chǎn)量低，能耗高，易造成溶劑污染[7,8]?；瘜W(xué)方法主要是使用有機溶劑制備納米銀，這種方法生產(chǎn)容易，成本低，產(chǎn)量高，但容易引入有害化學(xué)物質(zhì)[9]。目前備受關(guān)注的是簡單、經(jīng)濟、高效、安全、環(huán)保的生物方法制備納米銀[10]。Shankar等[11]利用酪氨酸和色氨酸作為還原和封端劑合成了納米銀；Murugan[12]通過仿生途徑利用藥用植物相思白皮的樹皮提取物作為生物還原劑應(yīng)用于硝酸銀溶液，這種方法能合成大小和形狀都均勻的納米銀顆粒，并加強了抗菌能力，能夠滿足各種應(yīng)用的需要。Elsupikhe[13]在超聲輻射條件下，用卡帕卡拉膠作為穩(wěn)定劑和還原劑制備了分布均勻的納米銀顆粒，并且隨著卡帕卡拉膠濃度的增加，納米銀顆粒的數(shù)量也增加。

2 納米銀的生物活性

強大的抗菌作用是銀離子的主要生物特點，而納米銀能穩(wěn)定緩釋出低濃度的銀離子，并且由于其極大的表面接觸面積，使納米銀的抗菌能力增強。除了抗菌特點外，最新的研究表明合適濃度的納米銀不僅無細(xì)胞毒性，而且有良好的生物相容性，具備一定的促成骨能力，但其具體的機制還存在爭議。

2.1 納米銀的抗菌機制

銀抗菌的作用在幾千年前就被發(fā)現(xiàn)，并且有很長的應(yīng)用歷史[14]。而據(jù)目前的研究，納米銀能穩(wěn)定緩釋銀離子，產(chǎn)生廣譜、強效、持久的抗菌作用[5]。雖然關(guān)于納米銀抗菌的作用機制被廣泛研究，但至今沒有形成完整的體系?，F(xiàn)有的機制有[15,16]：納米銀與細(xì)菌接觸的表面積大，吸附在細(xì)菌表面的納米銀釋放的銀離子很容易進入菌體與含巰基的酶蛋白結(jié)合，降低酶活性，導(dǎo)致細(xì)菌死亡；納米銀直接損傷細(xì)菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，造成菌體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流失，導(dǎo)致細(xì)菌死亡；納米銀抑制了呼吸鏈，導(dǎo)致三磷酸腺苷（ATP）無法合成，從而影響細(xì)菌的代謝和DNA復(fù)制。納米銀在菌體內(nèi)產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生大量的活性氧自由基和反應(yīng)性氮中間物，這些產(chǎn)物能導(dǎo)致細(xì)菌死亡[17]。

2.2 納米銀促成骨機制

納米銀除了具備抗菌特點外，合適劑量的納米銀還有一定的促成骨能力。Levy[18]發(fā)現(xiàn)納米銀對細(xì)胞活性的影響存在劑量依賴性，在的濃度下有細(xì)胞毒性，但在g/mL的濃度下可誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞分化。Pauksch[19]同樣發(fā)現(xiàn)納米銀對細(xì)胞的影響存在劑量和作用時間依賴性，納米銀在濃度高于時有細(xì)胞毒性，而在無細(xì)胞毒性的濃度下，納米銀能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖及細(xì)胞因子釋放。Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn)納米銀在濃度時能夠促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增值，在濃度時明顯促進成骨分化，但在大于濃度時，骨髓干細(xì)胞的活性受到抑制。并在進一步的動物模型試驗中證明了其對骨折模型小鼠有促進骨愈合的作用。Qin等[21]研究了納米銀對尿源性干細(xì)胞成骨分化的影響，結(jié)果顯示納米銀在，的濃度下能夠促進該細(xì)胞的成骨分化，但硝酸銀對照組沒有促進成骨分化的效果，所以得出結(jié)論認(rèn)為納米銀本身促進細(xì)胞成骨分化而不是其釋放的銀離子產(chǎn)生的作用，而當(dāng)納米銀濃度大于4 g/mL時有明顯的細(xì)胞毒性?？梢钥闯黾{米銀在合適的濃度下具有提高細(xì)胞活性、促進成骨的作用，一旦超過安全劑量就會產(chǎn)生細(xì)胞毒性，但關(guān)于納米銀的安全劑量還未達(dá)成共識，還需更多的研究證據(jù)。

3 納米銀改性種植體表面的應(yīng)用

目前，關(guān)于納米銀在改性種植體表面的應(yīng)用有很多研究，其負(fù)載到種植體表面的方法很多。有直接將納米銀負(fù)載到種植體表面的，也有為了獲得更多功能，將納米銀與生物活性涂層或其它大分子整合后聯(lián)合改性種植體表面的?？傊?，目的都是讓種植體具備更好的生物相容性。

3.1 納米銀單獨注入種植體表面

Qin等[22]通過等離子體浸沒離子注入法將納米銀負(fù)載到鈦合金表面，通過實驗證明，該載銀表面無明顯的細(xì)胞毒性，并通過抑制細(xì)菌的粘附和icaAD轉(zhuǎn)錄，有效的減少了表皮葡萄球菌生物膜的形成。Qin等[23]通過同樣的方法對不銹鋼的表面進行改性，研究結(jié)果表明，含銀粒子的不銹鋼表面在體外實驗中能抑制細(xì)菌粘附和生物膜的形成，減少了植入物相關(guān)感染，并且無細(xì)胞毒性。通過提高細(xì)胞擴散、啟動細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK1/2）信號、上調(diào)成骨相關(guān)基因的表達(dá)等機制促進骨髓干細(xì)胞的成骨分化。研究發(fā)現(xiàn)種植體表面的納米結(jié)構(gòu)有較好的生物相容性，有利于細(xì)胞的粘附和增殖[24]，這為納米銀與表面納米結(jié)構(gòu)復(fù)合達(dá)到更好的生物相容性的可能提供了依據(jù)。Wang[25]通過水熱法在鈦表面構(gòu)建一層鈦納米管，然后將納米銀負(fù)載到納米管上，結(jié)果表明該載銀納米管層結(jié)構(gòu)在實驗中穩(wěn)定釋放的低濃度的納米銀對大腸桿菌有高達(dá)99.99%的抑制率，同時該結(jié)構(gòu)還可以促進成骨。他認(rèn)為納米銀穩(wěn)定釋放的銀離子是抗菌的關(guān)鍵，而促成骨主要是表面鈦納米管存在大量的氫氧根（OH–）所起的作用。在Gao[26]的實驗中，他通過磁控濺射和氧化的方法，得到了載氧化銀納米管的表面結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示：該結(jié)構(gòu)有97%的抑菌率，載銀二氧化鈦陣列與非載銀陣列對成骨細(xì)胞的增值、分化的影響無明顯差異，這也印證了Wang[25]的觀點。Zheng等[27]用等離子體浸沒離子注入法將的銀粒子引入經(jīng)H2O2處理產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)的鈦表面，觀察其抗菌和成骨性能。研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料展現(xiàn)了強大的抗菌的能力，能夠殺死其表面93.99%的變形鏈球菌、93.57%的牙齦卟啉單胞菌、89.78%的白色念珠菌，而且通過增加細(xì)胞的活力、粘附、及成骨基因的表達(dá)等機制促進成骨。

3.2 納米銀與生物涂層整合共同負(fù)載到種植體表面

通過對種植體表面進行生物活性涂層改性能增加生物材料的相容性、提高細(xì)胞活性[28]。如羥基磷灰石（HA）能促進骨整合，種植體表面的HA涂層能促進細(xì)胞的粘附、分化，和骨再生[29]。此外HA還能與多種微量元素結(jié)合，提高骨整合的效率。Tian等[30]通過溶膠-凝膠法和銀鏡反應(yīng)，在鈦表面獲得載銀羥磷灰石抗菌涂層。結(jié)果表明，載銀羥磷灰石抗菌涂層的鈦合金不僅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的抵抗能力，同時還能促進骨髓干細(xì)胞的增殖、粘附以及骨誘導(dǎo)，使材料的生物相容性和骨傳導(dǎo)性得到提高。Massa等[31]利用組合溶膠-凝膠和蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法，在鈦合金表面制備了載納米銀多孔二氧化硅涂層。溶膠-凝膠方法使納米粒高度有序的分布在鈦表面，并能精確的控制銀的含量。實驗發(fā)現(xiàn)該復(fù)合涂層不僅能殺死粘附在其表面的細(xì)菌，還能通過抑制細(xì)菌生物膜的形成來抑制細(xì)菌粘附，對伴放線菌放線桿菌能達(dá)到60%的抑制率。殼聚糖（CS）也稱甲殼胺，是至今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一種天然堿性多糖，是一種具有良好生物容性和可降解的生物大分子多糖，對人體無毒且具有廣譜抗菌性[32]。蔣衛(wèi)娟等[33]在殼聚糖微球上負(fù)載納米銀顆粒，發(fā)現(xiàn)納米銀顆粒的加入顯著提高了殼聚糖微球的抗菌性能，并且殼聚糖微球?qū){米銀顆粒有很好的緩釋作用，提高了載銀殼聚糖微球的生物安全性。骨形態(tài)蛋白2（BMP-2）是一種重要的生長因子，可以促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞遷移和向成骨細(xì)胞分化來誘導(dǎo)骨形成[34]。Xie等[35]利用電化學(xué)沉積和靜電固定的方法將納米銀、（BMP-2）、殼聚糖（CS）與HA結(jié)合，并將它們負(fù)載到鈦表面。實驗中各涂層釋放的銀離子濃度在0.13～0.12 mg/L之間，具有一定的細(xì)胞毒性。但和對照組相比，殼聚糖的加入減輕了細(xì)胞毒性，并且在體內(nèi)、體外實驗中發(fā)現(xiàn)BMP/CS/Ag/HA涂層具有良好的骨傳導(dǎo)性和抗菌能力，并能促進骨髓干細(xì)胞分化。Zhong等[36]利用逐層自組裝的方法，通過電荷差異，在鈦表面制備了相變?nèi)芫?透明質(zhì)酸-殼聚糖/納米銀復(fù)合涂層。這種新型的涂層制備方法具有環(huán)保、快速、簡單的特點。結(jié)果顯示在開始的4天內(nèi)對葡萄球菌的抑菌率接近100%，兩周后的抑菌率也在65%～90%之間，這說明該涂層能夠使植入物長期保持強效穩(wěn)定的抗菌能力，并且低濃度的納米銀還展示出了較好的生物相容性。

4 總結(jié)和展望

銀離子有良好的抗菌作用，而納米銀能穩(wěn)定緩釋銀離子維持抗菌能力。大量的研究證明，納米銀在與生物涂層結(jié)合后，納米銀的抗菌效果能長期穩(wěn)定存在，可以有效減少假體周圍感染。同時合適濃度的納米銀與種植體結(jié)合還可促進細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)成骨，并增加其生物相容性，提高種植體的骨整合能力。此外納米銀與生物大分子、不同涂層復(fù)合后所得的多功能涂層能夠在一定程度上減緩納米銀的細(xì)胞毒性，同時提高骨整合能力和生物相容性。因此納米銀改性種植體有很好的應(yīng)用前景。但關(guān)于納米銀的安全有效劑量并未達(dá)成共識，而且目前大部分實驗都是在體外或動物體內(nèi)進行測試，納米銀改性的植入物在人體微環(huán)境中的作用效果還需要研究。所以未來的研究方向主要是通過制備功能涂層，使納米銀改性的種植體能在人體微環(huán)境中長期、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用。

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Research progress of silver nanoparticles modified implants

Qing Yunan,Li Ruiyan,LiuGuancong,et al.The Second HospitalofJilinUniversity,ChangchunJilin,130000,China

Arthroplasty is the most common and effective method for the treatment of end stage joint disease and femoral neck fracture in the elderly.In the clinical study,aseptic loosening and infection were the main reasons for failure of prosthesis implantation.Excellent bone integration is the key to maintain long-term stability of the prosthesis,so how to improve the ability of bone integration is a hot topic in the research of bone tissue engineering.The antibacterial ability of silver nanoparticles is highly respected and it can effectively reduce the infection around the prosthesis.At the same time,it also has a certain ability to contribute to bone formation,which will reduce the aseptic loosening.These advantages make silver nanoparticles modified implants have been widely concerned.This is a review of the application of silver nanoparticles modified implants.

Silver nanoparticles;Osseointegration;Implant;Surface modification

R318.08

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.04.017

swgk2016-11-00273

卿云安（1992-）男，碩士。研究方向：骨關(guān)節(jié)外科。

*[通訊作者]秦彥國（1976-）男，博士，主任醫(yī)師。研究方向：骨關(guān)節(jié)外科。

2016-11-25）

1吉林省科技發(fā)展計劃項目（20150414006GH）；2吉林省省級產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)專項資金項目（2016C037）

吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林長春130000