钛植入物表面抗菌涂层的研究进展

近年来,钛及钛合金等骨植入材料以其卓越的机械性能和良好的生物相容性广泛应用于生物医学领域。然而在临床实践中,细菌在材料表面的黏附以及术后感染问题可能导致植入失败。根据抗菌机制,本文从抗细菌黏附、接触杀菌和光控杀菌等方面详细阐述了钛植入物的抗菌表面设计。通过采用不同技术对钛或基于钛的合金植入物进行表面修饰,抑制细菌黏附并促进骨整合,将扩大多功能钛基植入物在骨科领域的应用范围。     

骨科植入物表面细菌生物膜形成及植入物表面的抗菌改性

背景:近来大量研究证实,骨科植入物感染与植入材料表面形成细菌生物膜有关。由于全身应用抗生素的效果不甚理想,加之不良反应较大,所以应选择在植入物局部采用与细菌生物膜黏附释放机制针锋相对的抗感染手段。目的:探讨植入物术后易感及耐药因素,并结合此因素介绍近年来逐渐被接受的各种抗菌涂层的效果和机制。方法:检索Scopus数据库、中国科技期刊数据库(重庆维普)1990-01/2010-01有关骨科植入物术后感染,细菌生物膜及植入物表面抗菌改性相关研究。结果与结论:在植入物表面生物相容性,耐磨耐腐蚀性研究进展的同时,抗菌性的研究也在进行。植入物表面抗菌改性的理念被广泛接受。可以说细菌的"零黏附"即是抗菌改性的终极目标。可是虽然各种抗菌涂层的研究繁多,大多都集中于体外实验阶段,相关动物实验甚至体内实验研究甚少。所以现今的理念依旧停留于植入物周围的机体自身免疫防御才是主要的抗感染机制。故加强植入物抗菌方面的生物学研究迫在眉睫,既不影响骨性融合又对周围组织影响微小的抗菌涂层可能就是今后研究方向。     

骨组织工程植入物的表面修饰

文题释义：骨组织工程：是应用生物学和工程学的原理,研究开发能够修复、维持和改善骨组织功能的生物替代物的一门研究。替代物包括自体组织、同种异体组织、异种组织和人工合成物质。 表面修饰：通过无机成分、有机成分或改变植入物表面地貌的方法来对骨科植入材料进行表面的生物修饰,从而改善骨植入物的生物性能。 背景：骨组织工程植入物已被广泛应用于骨科治疗,但现有的骨植入物往往还存在着力学性能差、免疫反应、微生物感染、愈合不良等缺点,不同的表面修饰技术可以有效弥补这些不足。 目的：对现有骨组织工程植入物的表面修饰技术做一综述。 方法：由第一作者检索 2000至2019年 PubMed数据库、中国知网、维普中国期刊网等收录的与骨组织工程表面修饰相关的文献,优先选择近期发表或发表在权威杂志上的文章。英文检索词为“bone tissue engineering;bone implant;surface modification;coating”,中文检索词为“骨组织工程;骨植入物;表面改性;涂层”。 结果与结论：通过无机成分、有机成分或改变植入物表面地貌的方法来对骨组织工程植入材料进行表面生物修饰,不同程度地改善了骨植入物的成骨性、骨传导性、抑菌性、生物相容性等。但是要将这种新植入体应用与临床,还需要解决一下问题：如何确定不同表面修饰成分的最佳浓度,最大限度地促进骨愈合和抑制细菌活性,且避免其他不良反应;如何避免随着时间的推移,这些骨组织工程植入物发生表面磨损而产生的颗粒导致的异物反应和免疫反应;如何将各种生长因子、蛋白质、和其他生物分子纳入涂层,而不损害其各自的化学结构和功能;如何以协同和可控的方式引导生长因子和分子的释放。 ORCID: 0000-0001-7045-7776(方旭) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

骨修复中可吸收材料降解行为的研究进展

可降解骨植入物因可避免骨修复后植入物取出的二次手术,或减少永久性植入物存在的炎症等问题,备受临床医生和研究者们的关注。然而,用于构建植入物的生物材料因其固有属性而存在降解太快或太慢、机械性能或成骨能力不足等问题,从而限制了其临床转化应用。为了解决现有可降解植入物在临床应用中的瓶颈,学者们通过表面功能涂层修饰、晶体结构或多孔结构优化、功能元素/小分子掺杂等方式,以调控生物材料的降解行为和成骨能力。综述可降解植入材料(包括金属、生物陶瓷、天然聚合物和合成聚合物)的降解机制、降解行为的调控方法及其对力学性能和骨再生的影响,以期为开发降解行为依附于新生骨形成的新型可降解骨植入材料提供参考。     

骨科内植物多功能涂层研究进展

无菌性松动和植入物周围感染是骨科内固定术失败的两个主要原因,随着手术数量的日益增长,如何降低此类手术失败风险变得格外重要。在这个领域中,近期大量的研究工作致力于研制各种各样的内植物涂层,而这些涂层大多只具有抗感染作用而无骨整合作用;或者只具有骨整合作用而不具备抗感染作用。但是要使内植物长期有效,理想的涂层应兼顾骨整合和抗感染这两个功能。本文将对同时具有骨整合性和抗感染性的多功能涂层近期的研究进展和未来研究方向进行综述。     

溶胶浸渗结合电沉积制备氧化镁-磷酸钙复合抗菌涂层

背景:磷酸钙(CaP)涂层被广泛用于改善钛植入物与骨的整合,但存在感染风险,因此有必要赋予CaP涂层抗菌能力。目的:通过氧化镁(MgO)溶胶浸渗制备MgO-CaP复合涂层,评价其体外抗菌能力和细胞相容性。方法:通过滴定法确定CaP电沉积的电解液条件,在钛表面制备CaP涂层(记为Ti-CaP);采用不同质量分数(15%,30%,50%)的MgO溶胶浸渗处理CaP涂层并煅烧成为MgO-CaP复合涂层,分别记为Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg,表征涂层的微观形貌、拉伸性能、临界载荷与体外Mg²⁺释放情况。将金黄色葡萄球菌菌液分别接种于纯钛片及Ti-CaP、Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg表面,24,48 h后采用稀释涂布平板法检测抗菌率。将小鼠成骨细胞悬液分别接种于纯钛片及Ti-CaP、Ti-CaP-15Mg、Ti-CaP-30Mg和Ti-CaP-50Mg涂层钛片表面,采用CCK-8法检测细胞增殖,计算细胞存活率;同时观察复合涂层浸泡于DMEM培养基中的微观形貌变化。结果与结论:(1)电沉积在钛...     

钛基表面纳米银复合涂层的缓释性能

背景:骨科植入材料表面改性可以减少或避免细菌黏附,利用金属表面的特殊涂层释放抑菌及杀菌成分可以预防骨科术后感染。目的:选择不同的制备参数,在医用纯钛表面沉积羟基磷灰石/纳米银复合涂层,观测复合材料表面银离子在模拟体液中的缓释性能。方法:利用脉冲电化学方法,在含银、钙、磷离子的溶液中实现纳米银和羟基磷灰石在钛表面的共沉积,再高温烧结处理制得复合涂层钛材料,用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪对其形貌、组成进行表征。将分别含有0.5,1 mmol/L银的复合涂层钛材料浸泡在模拟体液中,在不同的时间点用原子能吸收光谱法检测Ag+浓度。结果与结论:复合涂层是由纳米针状羟基磷灰石和点状的银颗粒相互交织成的网状结构,纳米银颗粒在涂层中均匀分布。高温处理后涂层变得致密,羟基磷灰石的晶化度提高,银颗粒在烧结后无团聚现象。在模拟体液中,第1-7天Ag+释放量最大,第7-30天Ag+释放量趋于稳定并维持有效抗菌浓度。含0.5 mmol/L银复合涂层钛材料在30 d时Ag+释放总量低于细胞毒性浓度,含1.0 mmol/L银复合涂层钛材料在30 d时Ag+释放总量接近细胞毒性浓度的临界值,因此含0.5 mmol/L银电解液制备的材料用于临床更安全可靠。     

钛植入体表面钽功能涂层制备及性能表征北大核心

背景:钛合金因其良好的生物相容性被广泛应用于临床骨科,但其作为生物惰性材料缺乏骨诱导活性,易导致植入假体松动,因此有必要对钛植入体表面进行改性来增强其成骨活性。目的:利用溶胶凝胶法在钛表面制备钽功能涂层,并对涂层的理化性质及成骨性能进行表征。方法:利用溶胶凝胶法在医用钛片表面制备钽功能涂层,采用扫描电镜及能谱分析对涂层的表面形貌及元素组成进行表征,通过接触角测试评估钛片、钽片、钽涂层的表面亲水性。将兔骨髓间充质干细胞分别接种于钛片、钽片、钽涂层上,利用扫描电镜观察材料表面细胞黏附形态,荧光染色观察材料表面细胞黏附及存活,CCK-8法检测细胞增殖活性,碱性磷酸酯酶显色及茜素红S染色评估材料表面细胞的成骨分化能力。结果与结论:(1)扫描电镜显示,涂层表面均匀分布着大小一致的纳米级颗粒,且表面涂层均一,未见裂纹产生;元素分析结果显示,钽涂层表面的元素主要为Ta、O、Ti元素;钽涂层表面的亲水性优于钛片、钽片;(2)接种12 h后的扫描电镜显示,细胞在钛片和钽片表面的黏附形态相似,呈长梭形,向周边伸出少量丝状伪足;细胞在钽涂层表面呈铺展态黏附生长,向远处伸出大量丝状伪足并与相邻细胞连接;(3)接种72 h后的荧光染色显示,细胞在钽涂层表面几乎均呈铺展态黏附生长,黏附细胞的数量多于钛片、钽片,并且钽涂层表面的活细胞数量多于钛片、钽片(P <0.05);(4)CCK-8法检测结果显示,钽涂层表面的细胞增殖速率快于钛片、钽片(P <0.05);(5)钽涂层表面细胞的碱性磷酸酶含量和钙结节形成数量均多于钛片、钽片;(6)结果表明,钽涂层修饰后的钛表面更利于骨髓间充质干细胞的黏附及成骨分化。     

钛基表面纳米银复合涂层体外抗菌活性及生物安全性评价

背景:羟基磷灰石是骨的主要成分,具有诱导成骨细胞的功能。纳米银具有广谱和高效的抗菌效果,钛基表面羟基磷灰石/纳米银复合涂层材料既有生物活性又具有抗菌特性。目的:研究钛基表面羟基磷灰石/纳米银复合涂层体外抗菌作用及影响因素,评价钛基表面羟基磷灰石/纳米银复合涂层的生物相容性和安全性。方法:选取浓度0,0.5,1.0 mmol/L银溶液制备钛基表面沉积的羟基磷灰石/纳米银复合涂层样品,将其浸提液与金黄色葡萄球菌与材料共培养,进行体外抗菌定性分析。按照国家和国际标准化组织对生物材料相容性检测标准,对健康成年昆明小鼠、新西兰兔进行热原试验、溶血试验、急性毒性试验、皮肤刺激试验,综合评价材料的生物相容性和安全性。结果与结论:钛基表面沉积制备的羟基磷灰石/纳米银复合涂层材料体外对金黄色葡萄球菌有明显抗菌作用,复合材料中银含量越高抗菌作用越明显,且动物实验中未出现明显的热原反应、溶血反应、急性毒性反应、皮肤刺激反应,与不含银的纯羟基磷灰石材料相比,生物相容性差异无显著性意义。说明钛基表面沉积制备的羟基磷灰石/纳米银复合材料,体外对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌作用,且具有良好的生物相容性。     

MAO纯钛骨诱导能力及生物相容性的骨内植入试验研究

目的对用一定参数微弧氧化(microarc arc oxidation,MAO)处理的纯钛材料进行动物骨内植入实验,以评价MAO处理的纯钛材料骨诱导性及组织相容性。方法纯钛片经过一定参数的微弧氧化处理,在无菌手术条件下植入新西兰大白兔的胫骨里,以相同规格的钛片作对照,在两个月后取出钛片,对取出的MAO纯钛行扫描电镜观察及能谱分析以观察其表面形貌及钙磷元素的变化,再结合组织学方法评价MAO纯钛的生物相容性及骨诱导性。结果所有实验动物在实验过程中未发现明显植入区感染等异常现象,扫描电镜观察及能谱分析发现材料表面的钙、磷所占比例均下降,但是钙含量下降更明显,组织学观察,两组材料周围的骨组织未发现异常的炎症细胞集聚和浸润,对照组周围无骨组织生成,试验组未见到MAO纯钛试件涂层脱落现象,且材料表面生成约200微米厚的的成熟新生骨组织。结论MAO处理的纯钛具有良好骨组织相容性及诱导骨形成的能力。     

Balancing osteoblast functions and bacterial adhesion on functionalized titanium surfaces

The demand for orthopedic and dental implants will continue to grow, and for these applications, titanium and its alloys have been used extensively. While these implants have achieved high success rates, two major complications may be encountered: the lack of bone tissue integration and implant-centered infection. The surface of the implant, through its interactions with proteins, bacteria and tissue cells, plays a determining role in the success or failure of the implant. Ideally, to enhance the success of implants, their surfaces should inhibit bacterial colonization and concomitantly promote osteoblast functions. In this article, we discuss strategies for tailoring implant surfaces by exploiting the differences in the response of bacteria and osteoblasts to proteins and surface structures. Nevertheless, limitations still exist in the quest for an ideal implant surface. Further advances in this field will require concurrent development in surface modification techniques and a better understanding of the complex and highly inter-related events occurring at the implant surface after implantation.     

Bioactive titanium implant surfaces with bacterial inhibition and osteoblast function enhancement properties

Infection in orthopedic implant surgery is a serious complication and a major cause of implant failure. Upon implant insertion, a contest between microbial colonization and tissue integration of the implant surface ensues. This race for the surface determines the probability of tissue integration or infection, and the surface properties of the substrate have an important role to play in determining the outcome. A number of strategies have been developed for the modification of implant surfaces to promote bone cell (osteoblast) functions and inhibit bacterial adhesion and growth. In this article, a review is given of these surface modification strategies, in particular those which can achieve the dual aim of bacterial inhibition and simultaneous enhancement of osteoblast functions.Surfaces of these types can be expected to have excellent potential for orthopedic applications.     

3D打印钛金属骨科植入物应用现状

3D打印技术近年来在骨科植入医疗器械领域发展迅速,由于其能够根据患者需求个性化地定制植入物形状,并且精确控制植入物的复杂微观结构,从而实现植入物外形和力学性能与人体自身骨的双重适配。生物医用钛及钛合金作为目前骨科植入物的主要原材料,具有优越的生物相容性,与3D打印技术结合,成为各国科学家以及医疗器械厂家研发的热点,促进3D打印钛金属骨科植入物的商业化。针对3D打印钛金属骨科植入物的特点、钛金属粉末要求、已上市产品情况、临床研究、存在的问题以及标准和审评规范等的现状与发展进行论述和展望。     

医用聚醚醚酮材料骨整合改性的研究进展

聚醚醚酮（PEEK）材料具有良好的生物相容性、优异的机械性能、与骨组织相似的力学性能等优点,目前已广泛应用于临床各个领域。由于固有的生物惰性,使种植体与骨组织不相整合,从而限制了其作为骨科植入材料的应用。提高PEEK骨整合性成为目前研究的热点。研究者将具有促进成骨细胞增殖和分化的材料（如生物陶瓷、金属材料、生物因子等）通过物理或化学方式修饰于材料表面,或者采用表面物理修饰（如粗糙度、孔隙率、纳米结构等）提高其骨整合性。随着研究的逐步深入,PEEK的成骨活性得到增强,在临床上有了更大的应用前景。本文主要对上述提到的近些年用于提高PEEK生物活性的方法作一综述,旨在为研究者提供参考,并对未来发展提出展望。     

Increased osteoblast and decreased Staphylococcus epidermidis functions on nanophase ZnO and TiO2

Many engineers and surgeons trace implant failure to poor osseointegration (or the bonding of an orthopedic implant to juxtaposed bone) and/or bacteria infection. By using novel nanotopographies, researchers have shown that nanostructured ceramics, carbon fibers, polymers, metals, and composites enhance osteoblast adhesion and calcium/phosphate mineral deposition. However, the function of bacteria on materials with nanostructured surfaces remains largely uninvestigated. This is despite the fact that during normal surgical insertion of an orthopedic implant, bacteria from the patient's own skin and/or mucosa enters the wound site. These bacteria (namely, Staphylococcus epidermidis) irreversibly adhere to an implant surface while various physiological stresses induce alterations in the bacterial growth rate leading to biofilm formation. Because of their integral role in determining the success of orthopedic implants, the objective of this in vitro study was to examine the functions of (i) S. epidermidis and (ii) osteoblasts (or bone-forming cells) on ZnO and titania (TiO(2)), which possess nanostructured compared to microstructured surface features. ZnO is a well-known antimicrobial agent and TiO(2) readily forms on titanium once implanted. Results of this study provided the first evidence of decreased S. epidermidis adhesion on ZnO and TiO(2) with nanostructured when compared with microstructured surface features. Moreover, compared with microphase formulations, results of this study showed increased osteoblast adhesion, alkaline phosphatase activity, and calcium mineral deposition on nanophase ZnO and TiO(2). In this manner, this study suggests that nanophase ZnO and TiO(2) may reduce S. epidermidis adhesion and increase osteoblast functions necessary to promote the efficacy of orthopedic implants.     

医用钛合金材料表面改性对骨整合影响的研究进展

医用钛合金材料是临床应用中较为常见的骨科植入物材料之一,作为一种具备良好的生物相容性、耐腐蚀性以及机械强度的生物材料受到了学者的广泛关注。本文专注于PubMed和Web of Science数据库中的相关文献,着重论述4种不同的表面改性设计对医用钛合金材料骨整合性能的影响。在材料学结构设计不断创新和深入研究的背景下,针对医用钛合金材料表面改性设计对骨整合影响的研究发展现状进行综述。     

钛种植体表面改性策略及对骨整合的影响

背景：纯钛因具有优良的生物相容性、机械性能和与骨组织相近的弹性模量等被广泛应用于口腔种植领域。 目的：综述近年来钛金属种植体材料表面物理改性、化学改性和生物化学改性策略的研究进展。 方法：以“titanium,implant,surface modification,osseointegration”为检索词,检索PubMed数据库,以“钛,种植体,表面改性,骨整合”为检索词,检索中国知网数据库,限定时间范围为2007年1月至2013年2月。文献检索语种为英文和中文。纳入内容与钛种植体表面改性方法及其对骨整合影响密切相关的文献,排除重复文献。 结果与结论：计算机初检得到199篇文献,根据纳入排除标准,对其中76篇文献进行分析。钛种植体本身是生物惰性材料,通过表面改性对钛金属表面进行活化处理,使之具有生物功能性,与骨组织形成早期骨整合,是国内外口腔种植材料研究的热点问题。物理改性、化学改性和生物化学改性可缩短钛种植体种植周期,获得早期骨整合和更高的结合强度。今后的发展趋势是将多种改性方法有机结合,从分子水平深入研究钛金属材料表面与机体细胞和组织之间的界面分子作用机制,完善种植体的表面改性技术,实现种植体和骨组织的早期和更加稳定的骨整合。     

Cell surface characteristics of microbiological isolates from human percutaneous titanium implants in the head and neck.

Percutaneous implants are commonly associated with several problems, and different failure modes have been described. Infections constitute one serious complication which may lead to the removal of the implant. In contrast to infections around polymer implants, infections around skin-penetrating titanium implants anchored in the temporal bone are often cured by local treatment. Coagulase-negative staphylococci are the most common etiological agents in infections related to polymers whereas Staphylococcus aureus is considered as the main pathogen in infections around metallic implants. Microbial adhesion is a prerequisite for an infection. In the present study, the cell surface of microbes isolated from the skin around skin-penetrating titanium implants, with and without signs of infection, was characterized with respect to expression of cell surface hydrophobicity and to binding of immobilized fibronectin, vitronectin and collagen type 1 which could mediate adhesion. Expression of protein binding was similar in strains isolated from the two groups. No strain expressed a hydrophobic cell surface as determined by two-phase separation, and we conclude that the microenvironment around a titanium implant promotes expression of a hydrophilic rather than a hydrophobic cell surface which in turn makes many infections around a titanium implant curable by local treatment.