施翔文 吳一芃 徐永清*

骨髓炎（osteomyelitis）是一種由感染引起的骨組織急性或慢性炎癥性疾病，以漸進性、炎癥性骨破壞為特征，復(fù)發(fā)頻繁，難以治愈。病灶徹底清除后通常會出現(xiàn)骨缺損，而骨缺損處是感染較易復(fù)發(fā)的部位，其骨組織學(xué)和生物力學(xué)重建需要一個漫長的過程，已成為骨髓炎治療研究的重點[1]。感染性骨缺損的傳統(tǒng)治療方法包括：徹底清創(chuàng)輔助抗生素治療[2]、Ilizarov 技術(shù)[3]和Masquelet 技術(shù)。而這些方法存在諸多缺陷，如骨髓炎徹底清創(chuàng)后遺留骨缺損依舊容易復(fù)發(fā)；Ilizarov外固定支架笨重，易誘發(fā)感染，依賴患者高度配合[4]；Masquelet 技術(shù)需要二階段手術(shù)，且目前最佳二期手術(shù)時間還存在爭議[5]。近年來以生物支架材料為核心修復(fù)感染性骨缺損的方法逐漸興起，相較于傳統(tǒng)方法，大多數(shù)生物支架材料本身具備優(yōu)異殺菌能力、強機械支撐能力和強骨誘導(dǎo)能力三大特性，植入后在縮短手術(shù)時間、改善患者預(yù)后方面也具有顯著優(yōu)勢，已經(jīng)成為感染性骨缺損修復(fù)領(lǐng)域極具潛力的植入性材料[6]。現(xiàn)就生物支架材料的相關(guān)研究進展進行綜述。

1 修復(fù)感染性骨缺損生物支架材料的理想特性

在修復(fù)感染性骨缺損中植入生物支架材料的目標(biāo)是支撐缺損部位的骨組織，最終原位降解被新生成的骨組織取代，同時兼具抗感染、誘導(dǎo)骨生長等功能。為了無限接近自體骨移植治療感染性骨缺損的效果，理想情況下的生物支架材料應(yīng)兼具以下特性：①早期生物力學(xué)支撐作用[7]，要求植入物可以提供早期的力學(xué)支撐，直至形成穩(wěn)定的新骨，否則可能導(dǎo)致植入材料的過早塌陷，最終導(dǎo)致植骨失?。虎诠莻鲗?dǎo)作用，指新生骨組織沿移植物逐漸長入的過程，其中必須保持一定的連貫性，才能保證有連貫性骨痂形成；③骨誘導(dǎo)作用[8]，促進成骨細胞增殖；④良好的生物相容性；⑤可降解性[9]，可被新生組織替代，且降解的速度與骨生長速度應(yīng)保持一致；⑥易塑形性，移植后可保持穩(wěn)定的形態(tài)；⑦孔隙率，100 ～400 μm孔徑最佳[10]，利于細胞的生長和黏附；⑧持續(xù)的抗菌作用[11]，抗生素或其他抗菌成分通過與病灶直接接觸發(fā)揮作用。

2 生物支架材料修復(fù)感染性骨缺損的應(yīng)用

2.1 天然生物衍生材料

2.1.1 膠原

目前已有研究表明，膠原（collagen，COL）是骨骼細胞外基質(zhì)中的重要組成部分，Ⅰ型膠原表現(xiàn)出良好的生物相容性和成骨誘導(dǎo)性，并降低抗原性，易于人體吸收[12]；但單純膠原支架生物降解率過快、機械強度較差，大多與羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）等無機材料聯(lián)合應(yīng)用。據(jù)相關(guān)文獻報道[13]，基于HA 的膠原支架仿制類似人骨的亞纖維納米結(jié)構(gòu)，平均孔徑142.2 μm，已被用于大鼠根尖周炎術(shù)后的骨缺損修復(fù)，植入后缺損中心出現(xiàn)大量新骨沉積，有新鮮血管形成。Fang等[14]利用特異性脫鈣細胞外基質(zhì)與萬古霉素通過靜電相互作用和化學(xué)鍵交聯(lián)合成新型抗菌材料，該材料在體內(nèi)外實驗中均有效抑制生物膜形成，在支架降解的同時持續(xù)6周釋放萬古霉素，保持原有的殺菌能力，且對成骨作用無影響。雖然現(xiàn)有研究表明，膠原成骨誘導(dǎo)性和抗菌性能優(yōu)異，但探索機械性能強的支架制備方法仍是難題。

2.1.2 殼聚糖

殼聚糖（chitosan，CS）是一種天然聚合物，具有良好的生物降解性和無毒特性[15-16]，被認為是最有前途的生物材料之一。抗菌方面殼聚糖也有一定優(yōu)勢，Monteiro等[17]將α-螺旋抗菌肽固定在殼聚糖涂層上制備復(fù)合支架，對金黃色葡萄球菌活性和細菌吸附能力進行評估，結(jié)果顯示能顯著減少細菌的黏附，但殼聚糖加入人血漿蛋白后殺菌能力下降，具體機制有待深入研究。Wang等[18]設(shè)計了一種具有順序釋放系統(tǒng)的羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖/骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（HACC/BMP2）生物復(fù)合材料，作用機理是強力抗菌劑HACC 的突然釋放，隨后誘導(dǎo)BMP2 釋放以修復(fù)感染性骨缺損。結(jié)果顯示該殼聚糖復(fù)合物在體內(nèi)外都有很強的抗菌效果，顯著增強了骨誘導(dǎo)作用，可作為一種治療感染性骨缺損的潛在支架材料。目前，關(guān)于殼聚糖單獨應(yīng)用于感染性骨缺損的臨床研究較少，最直接原因就是其機械支撐能力差，多以涂層的形式出現(xiàn)。

2.1.3 藻酸鹽

對于骨髓炎的治療，藻酸鹽（alginate）凝膠優(yōu)點包括可以適應(yīng)不規(guī)則形狀的骨缺損、易于抗生素等配體的附著等。Xing等[19]制備了一種可注射的抗感染支架材料，該構(gòu)建體為纖維蛋白凝膠支架和萬古霉素藻酸鹽珠形成的復(fù)合物，用于評估其治療兔脛骨感染性骨缺損的抗感染和成骨潛能，在植入后1個月和3個月，影像學(xué)評估和微生物學(xué)檢查提示萬古霉素的持續(xù)釋放顯著降低了骨髓炎的Norden評分，并減少了骨髓炎的復(fù)發(fā)率。

綜上，天然生物衍生材料均具有良好生物相容性，但機械支撐能力差是一個“通病”，要想使其在感染性骨缺損修復(fù)中得到推廣應(yīng)用，應(yīng)致力于增強自身機械強度或通過摻雜其他材料來實現(xiàn)。

2.2 人工合成無機材料

2.2.1 羥基磷灰石

羥基磷灰石（HA）具有良好的生物相容性，負載抗生素給藥系統(tǒng)的HA 在提高局部抗生素濃度的同時，可在感染性骨缺損修復(fù)中起臨時支架作用，從而促進骨組織的再生，具有重要的研究應(yīng)用價值。夏德萌等[20]使用負載萬古霉素納米結(jié)構(gòu)HA 植入12 只SD 大鼠體內(nèi)治療感染性骨缺損，術(shù)后4周X線顯示缺損處已經(jīng)基本愈合，8周后完全愈合，證明該材料可通過持續(xù)穩(wěn)定釋放萬古霉素來控制感染，表現(xiàn)出了良好的抗菌性能和骨傳導(dǎo)功能，而且對細胞無毒性作用。Weng等[21]將載銀納米顆粒、納米羥基磷灰石和還原石墨烯氧化物復(fù)合制備成三維多孔支架，結(jié)果顯示促進兔橈骨感染性骨缺損修復(fù)，有效抑制生物膜的形成，其中銀納米顆粒含量為4%時，抗菌效果最好。

2.2.2 二氧化硅

二氧化硅（Silicon dioxide，SiO2）能夠促進支架材料的降解，常被用于包裝支架材料的涂層以加快降解。Krishnan 等[22]觀察了負載萬古霉素的SiO2涂層納米羥基磷灰石/明膠治療慢性骨髓炎的療效，該支架可持續(xù)釋放萬古霉素，具有長達30天的殺菌性能，植入骨髓炎模型體內(nèi)在3 個月內(nèi)清除細菌并促進新骨形成。納米級SiO2具有低細胞毒性、高孔隙率、高機械強度和生物相容性等多種優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生物支架材料，未來前景廣闊[23]。

2.2.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃（bioactive glass，BAG）本身是一種抗菌骨替代物，被用于治療感染性骨缺損。BAG-S53P4是迄今為止在體外研究中抑制細菌生長最有效的生物活性玻璃[24]。目前BAG-S53P4 已經(jīng)進入臨床研究層面，Romanò等[25]發(fā)現(xiàn)BAG-S53P4治療慢性骨髓炎與傳統(tǒng)負載抗生素的鈣基替代物治療一樣有效，BAG-S53P4通過與骨基質(zhì)結(jié)合促進組織生長，從而促進新骨形成，且能改變局部環(huán)境，減少細菌黏附。Malat 等[26]的一項回顧性研究中，使用BAG-S53P4治療了50例感染性骨缺損的患者，平均4個月后40/50 例患者（80%）能夠完全負重，12 個月后35/50 例（70%）達到骨性愈合，僅有7/50 例（14%）感染加重，BAG-S53P4主要通過其抗菌、骨傳導(dǎo)和血管生成特性發(fā)揮作用。Lindfors 等[27]使用BAG-S53P4 治療116 例患有慢性骨髓炎的患者，平均隨訪時間更長，為31個月，治愈率達90%，進一步證明了BAG優(yōu)異的抑菌能力，為其作為感染性骨缺損的良好支架材料提供臨床支撐。然而，關(guān)于BAG成骨的具體分子機制目前還未闡明，臨床隨訪時間也局限于3年以內(nèi)，治療骨髓炎的遠期效果還有待觀察。

無機材料的優(yōu)勢在于容易獲取和制作，隨著人工合成技術(shù)的成熟，其應(yīng)用越來越廣泛。然而一些無機材料如HA 雖然具備良好的骨傳導(dǎo)功能，但缺乏骨誘導(dǎo)特性，使其臨床應(yīng)用受到一定程度限制，因而常常需要復(fù)合具有骨誘導(dǎo)功能的材料，才能達到促進骨生長的目標(biāo)，這也是無機材料未來的發(fā)展方向。

2.3 人工合成有機高分子材料

目前人工合成高分子聚合物種類較多，其中以聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚三亞甲基碳酸酯（poly trimethylene carbonate，PTMC）、聚乳酸-羥基乙酸共聚體［poly（lactic-coglycolic）acid，PLGA］、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、聚己酸內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）應(yīng)用最為廣泛。最早用于感染性骨缺損治療的合成聚合物是PLA 材料，但該材料與人體骨骼的生物相容性存疑，Gunatillake等[28]使用PLA假體進行研究時，發(fā)現(xiàn)植入部位出現(xiàn)炎癥性異體反應(yīng)和骨再生減少，主要原因是酸性產(chǎn)物降解和隨后局部pH的降低，這成為PLA材料的應(yīng)用難題。之后PTMC的發(fā)現(xiàn)解決了這一問題，因為其降解產(chǎn)物不是酸性。Neut等[29]通過體外實驗研究發(fā)現(xiàn)載慶大霉素的PTMC 膜在脂肪酶溶液中降解時表現(xiàn)出良好的抗生素釋放動力學(xué)和生物膜抑制性能。Qiao等[30]將抗生素更換為莫西沙星得到了相似的結(jié)果，證明以PTMC 為基礎(chǔ)的有機材料在治療骨髓炎中具有抗生素載體的潛力。上述支架雖然成骨性能優(yōu)越、抗菌能力顯著，但機械性能偏低，不適用于承重部位的大段感染性骨缺損修復(fù)。Hasan等[31]以PLGA、PEG、PCL聚合物為基質(zhì)制備負載萬古霉素的新型ABVF 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在松質(zhì)骨區(qū)域能提供良好的力學(xué)支撐，同時持續(xù)6 周釋放萬古霉素，直接與金黃色葡萄球菌作用，為感染性骨缺損修復(fù)帶來新的方向。

盡管PLA、PLGA 和PCL 等高分子材料在修復(fù)感染性骨缺損中具有很大發(fā)展?jié)摿?，但依然存在不可忽視的缺點，包括親水性差、細菌吸附能力差、容易誘發(fā)炎癥反應(yīng)、機械性能欠佳等，這些都是未來需要解決的問題。

2.4 復(fù)合材料

2.4.1 多類型材料的復(fù)合材料

用于修復(fù)感染性骨缺損的復(fù)合材料常由兩種或兩種以上的材料組成，如以無機材料為基體，以有機材料為強化基體支架，來制備具有多重優(yōu)勢的仿生復(fù)合多孔支架。Wang等[32]在兔慢性骨髓炎模型上評價左氧氟沙星介孔的二氧化硅微球/納米羥基磷灰石/聚氨酯復(fù)合支架治療感染性骨缺損的療效，發(fā)現(xiàn)在新骨形成過程中該材料有利于細胞的黏附和增殖，并能顯著降低組織內(nèi)炎性細胞的數(shù)量，12周前材料結(jié)構(gòu)的完整性為骨修復(fù)提供了機械支持，12周后降解促進了新骨的形成，達到了修復(fù)缺損、控制炎癥的雙重作用。為進一步驗證其體外作用，Kuang 等[33]將前文的復(fù)合支架與骨髓間充質(zhì)干細胞共培養(yǎng)，進行了成骨和抗菌性能評估，發(fā)現(xiàn)該材料顯著增強成骨標(biāo)志物骨鈣蛋白（OCN）等18 種成骨標(biāo)志物的表達，抑制細菌菌落生長，體內(nèi)外都得到了相似的結(jié)果。當(dāng)然，無機材料相互混合得到的復(fù)合材料也具有優(yōu)異的性能，Zhou 等[34]對比研究了4種不同濃度（0%、10%、30%、50%）的負載萬古霉素明膠/β-磷酸三鈣復(fù)合支架治療兔慢性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）骨髓炎的療效，其中30%含量的β-磷酸三鈣具有最佳孔隙率、連通性和控釋性能，植入后萬古霉素隨著明膠降解被可控釋放，從而達到抗菌目的，表現(xiàn)出良好的感染控制和骨缺損修復(fù)能力。Boyle等[35]在骨髓炎模型中對比磷酸鈣-硫酸鈣復(fù)合材料與商用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的骨傳導(dǎo)和骨吸收能力，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料不僅保留了磷酸鈣的成骨特性和強大抗壓強度，還延長了抗生素的洗脫時間，在改善骨重建過程中發(fā)揮重要作用。Cheng 等[36]制備載有萬古霉素的生物活性玻璃與PLGA 復(fù)合的骨組織工程支架，與純PLGA 支架相比，具有更好的細胞相容性和成骨細胞分化特性，可增強抗菌活性并抑制生物膜的形成。

2.4.2 涂層復(fù)合材料

對于感染性骨缺損的治療，常需要在支架材料的基礎(chǔ)上添加抗感染成分，表面涂層成為運用最為廣泛的方式之一，其最大優(yōu)點是提供了抗感染成分與感染部位直接接觸的條件，主要有抗生素涂層和金屬離子涂層等。髓內(nèi)釘是較早被用于涂層研究的載體，Thonse等[37]將抗生素骨水泥涂層交鎖髓內(nèi)釘用于治療20 例感染性骨缺損患者，17/20例患者（85%）達到骨性愈合，其余3/20 例患者（15%）均實現(xiàn)控制感染的目標(biāo)，抗生素骨水泥涂層直接接觸感染病灶，產(chǎn)生抗菌作用，一次手術(shù)將抗感染和骨穩(wěn)定兩個目標(biāo)同時實現(xiàn)。但髓內(nèi)釘黏附性、穩(wěn)定性差，Cho 等[38]提出一種基于抗生素涂層的鉸鏈螺紋棒技術(shù)，該螺紋棒的鉸鏈與骨水泥結(jié)合將增加黏附力，從而降低斷裂的風(fēng)險，用該技術(shù)治療40例感染性骨缺損患者，其中18例置入單根抗生素涂層螺紋棒，22例置入兩個獨立的抗生素涂層螺紋棒并通過鉸鏈連接，經(jīng)觀察細菌培養(yǎng)轉(zhuǎn)陰率為85%（34/40例）。這種鉸鏈?zhǔn)降脑O(shè)計為提高生物支架材料的穩(wěn)定性提供了一種較為新穎的思路，值得進一步研究。另外，越來越多的金屬離子也被發(fā)現(xiàn)具有抗菌特性，如銀、鋅和銅[39]。Tong等[40]發(fā)現(xiàn)新型“鋅-銅”金屬泡沫對金黃色葡萄球菌具有有效抗菌性能，尤其是加熱后抗菌性能更佳，這可能與熱處理后形成氧化鋅層并阻礙細菌侵入有關(guān)，為今后的抗菌性機制研究提出一種新方向。Zhang 等[41]報道純硅酸氫鈣骨水泥在植入最初幾個小時內(nèi)就表現(xiàn)出明顯的抗菌效果，然后用5%或10%的鋅或銅部分取代后抗菌效果延長，兔頜面部感染性缺損區(qū)觀察到大量骨再生?？蓞⒄沾朔▽⑼繉痈鼡Q為抗菌能力更強的其他金屬離子，以獲得更佳的抗菌性能。值得注意的是，目前關(guān)于金屬涂層復(fù)合支架材料治療感染性骨缺損的臨床研究非常少，有待進一步驗證其臨床抗菌效果。未來各種涂層的摻雜應(yīng)用，如抗生素和金屬離子混合，以及具體混合的比例，可能成為涂層復(fù)合材料的探索方向。

2.4.3 3D打印復(fù)合材料

骨科3D 打印支架中，金屬移植物的微孔設(shè)計是最顯著、最有優(yōu)勢的特征之一。首先可調(diào)整微孔大小或形貌；其次可改變微孔表面環(huán)境，例如覆蓋某些稀有金屬或磷酸鈣；再者可載入某些藥物或活性因子，使其緩釋并發(fā)揮其特殊功能[42]。Zhang 等[8]評估負載萬古霉素的微弧氧化（microarc oxidation，MAO）3D 打印多孔Ti6Al4V 復(fù)合支架在兔脛骨骨髓炎模型中的成骨功能和抗菌效果，實驗組兔脛骨幾乎未見細菌生長，表明感染在初期就得到有效控制，最關(guān)鍵因素是3D打印定制的微孔Ti6Al4V種植體具有高孔隙率，滿足骨傳導(dǎo)與抗菌性能的要求，這正是骨髓炎治療所必需的；而經(jīng)MAO 處理組相較于對照組（裸支架），動物感染狀況沒有改善，可能原因是MAO雖然決定萬古霉素的裝載和釋放，但具體載藥量和釋放時間需要更深入細致的研究。與傳統(tǒng)的植入物相比，微孔設(shè)計具有較大表面積，容易被細菌感染，如何兼具高孔隙率和低感染率仍是當(dāng)前微孔結(jié)構(gòu)骨支架待解決的問題。此外，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將3D打印生物支架材料的尺寸限制在納米級可以獲得更高的比表面積與體積比，從而提高其溶解性和表面催化活性。納米材料的良好成骨誘導(dǎo)性和優(yōu)異抗菌性也已在動物實驗中得到驗證。Zhang 等[9]觀察含3%銀納米羥基磷灰石/聚氨酯復(fù)合支架治療兔脛骨感染性骨缺損的療效，植入后利用納米結(jié)構(gòu)特性持續(xù)釋放Ag+，形成有效的抗菌環(huán)境，結(jié)果提示白細胞計數(shù)明顯下降，骨組織腫脹、骨壞死等骨感染癥狀明顯改善，且骨量在6周和12周時較對照組明顯增加。Lu等[43]開發(fā)了一種新型的抗菌銀/鈦納米羥基磷灰石/聚酰胺-66 支架材料，它含有不同濃度的銀離子和氧化鈦，植入兔骨髓炎模型治療后，結(jié)果證明該支架對金黃色葡萄球菌有很強的抗菌活性，促進成骨細胞的黏附和增殖，并刺激成骨調(diào)節(jié)因子的表達。Qadri等[44]利用“銀-銅-硼”復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)合成了能夠提供持續(xù)活性的金屬離子納米顆粒，與氧化鐵納米顆粒對照組相比，這些納米顆粒在小鼠骨髓炎模型中顯著減少細菌的數(shù)量。因此，納米層面上定制的生物支架材料在抗菌性能方面具有顯著的優(yōu)勢，必將引起骨科材料開發(fā)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

以上研究都嘗試將不同的材料進行復(fù)合，尋求一個修復(fù)感染性骨缺損最佳的構(gòu)成組分?？偟膩碚f，復(fù)合材料的優(yōu)勢在于可以兼具生物相容性、機械支撐、成骨誘導(dǎo)性和抗菌性等各方面特性，結(jié)合3D打印的高精度、快速、個性化定制的優(yōu)點，未來在感染性骨缺損修復(fù)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價值。

3 小結(jié)與展望

目前，生物支架材料正從單一走向復(fù)合，從宏觀走向微觀。用于修復(fù)感染性骨缺損的生物支架材料中，天然生物衍生材料與人工合成材料各有優(yōu)劣，均可用于骨髓炎療效和機制研究，以便對材料不斷改進。利用材料互相摻雜、3D打印、抗生素涂層以及特殊微孔設(shè)計相結(jié)合研制出的復(fù)合支架材料，綜合了抗菌、骨誘導(dǎo)、骨支撐、無毒、安全可靠等多方面優(yōu)勢，是將來新型生物支架材料發(fā)展的重要方向之一。

此外，骨髓炎不同于普通淺表組織的感染，其在解剖位置和病理機制上存在一定特殊性，發(fā)生機制至今未闡明。體外實驗有很大局限性，只有體內(nèi)實驗才是驗證生物支架材料療效的最佳方式，完全滿足骨髓炎炎癥微環(huán)境的各種條件。因此，未來感染性骨缺損新型修復(fù)材料的研究重點將是如何設(shè)計出在微觀上契合骨髓炎微環(huán)境變化的材料，如何把材料特性和骨髓炎的機制研究緊密結(jié)合，以期推動其臨床應(yīng)用。