骨关节结核局部药物缓释材料研究进展

李大伟 马远征

结核病长期以来严重影响人们健康和生活质量，我国是全球22个结核病高负担国家之一，发病例数在印度之后，列世界第二［1］。骨关节结核是除周围淋巴结结核外，最多见的肺外结核，约占结核病总数的3%～5%。骨关节结核如诊疗不及时，极易造成病灶部位组织破坏、寒性脓肿及窦道形成，导致局部畸形或出现截瘫症状等。药物治疗是治疗骨关节结核的基石，但是骨关节结核需要长期的全身抗结核药物治疗，可能造成周围神经损害，肝、肾毒性作用，免疫系统不良反应等。而药物进入体内能否产生药效，很大程度上取决于病灶中的药物浓度［2］。骨关节结核的病理特点，影响药物渗透至病灶，难以在病灶内达到足够的药物浓度。局部缓释给药途径是研究热点，结合骨关节结核手术治疗自身特点，近年来在植骨替代材料负载抗结核药物方面取得了一些突破，笔者对目前骨关节结核局部药物缓释材料的研究进展进行阐述。

骨关节结核局部药物缓释材料的特点及理化性能要求

骨关节结核病灶组织中包括干酪样坏死物质、死骨、寒性脓肿、结核肉芽组织，以及结核分枝杆菌菌群。在非硬化型病灶中外围被纤维结缔组织包裹，硬化型（约占脊柱结核70%）中，病灶的外围为一硬化壁，即硬化骨。在非硬化型病灶中一线抗结核药物浓度可以达到最低抑菌浓度以上。但是在硬化型中，硬化骨局限了病灶的发展，但几乎无血运，硬化骨内抗结核药物仅为最低抑菌浓度，达不到杀菌浓度，并形成屏障阻碍药物进入病灶中。而隐匿于坏死及干酪样病灶的菌群只对利福平和吡嗪酰胺敏感。极低的药物浓度及病变局部的相对封闭环境、缺氧等复杂因素致使硬化骨内坏死及干酪样病灶中的菌群难以被杀灭，成为结核复发的潜在因素［3］。因此，通过局部给药途径直接将药物置于病灶之内，在局部释放抗结核药物，有利于结核病的治疗。

骨关节结核局部药物缓释体系的优势在于，在局部可达到较高的杀菌浓度，有利于杀灭或抑制结核分枝杆菌的生长、繁殖，减少因局部药物浓度低导致的耐药；血药浓度低，全身不良反应小；避免因手术形成的瘢痕组织及硬化骨阻碍抗结核药物达到病灶内；药物载体材料代替或修复骨缺损，在植入病灶后逐步被机体降解、释放药物的同时，最终被骨组织替代。

理想的骨关节结核局部药物缓释材料体系应具有良好的生物相容性，对细胞有良好的亲和力，细胞对材料有高的黏附率；材料在体内具有骨传导性及骨诱导性；具备生物降解性质，与骨修复相匹配的生物降解速率［4］，无免疫原性，材料及其降解产物对机体无不良反应；具有良好的可塑性、适宜的孔径、孔隙率和机械强度，有良好的物理、化学性能，并且便于医用消毒；具有缓释药物的功能，材料与药物间无不良相互影响；缓释材料降解时间长，药物作用维持2～3个月以上；多种一线抗结核药物联合用药，局部缓释的药物浓度稳定。

骨关节结核局部药物缓释材料进展

1970年Buchholz和 Engelbrecht［5］将庆大霉素加入聚甲基丙烯酸甲酯中预防人工关节感染，取得良好效果。近30年来在系列新的生物相容性好的无机材料和有机高分子材料基础上，逐渐发展骨科领域植入的抗结核药物缓释系统。目前，国内外的抗结核局部药物缓释体系主要有两大类，在支架材料上负载抗结核药物体系和抗结核药物缓释微球类制剂。利用支架材料负载抗结核药物体系，既具有局部药物缓释作用，兼具修复骨缺损的骨传导性、甚至骨诱导作用。近年国内外对于抗结核药物缓释材料系统的研究较多，笔者按照材料的性质进行分述。

一、天然高分子药物缓释材料

天然高分子材料主要为植物胶类和蛋白质类，用于医学的有明胶、胶原、海藻酸盐、壳聚糖等，材料对人体无毒性、可制成微球、膜状或纤维状，通过包载药物，可在体内持续释放药物2～8周。材料的缺点是具有一定的抗原性，不同批次材料间纯度差别大、可重现性差。此外，由于材料的强度差，在负重部位骨缺损修复中的应用受到局限。牛惠生等［6］采用明胶作为载体，加载异烟肼，制成抗结核药物缓释海绵，置入手术后的骨结核病灶缺损处，通过核素示踪技术，证实缓释材料体系可缓慢释放异烟肼约1个月。部分学者报道采用异烟肼、利福平与明胶制成的缓释药膜，置入骨结核手术后病灶处，27例患者中，有1例复发，但临床研究无对照组，亦无确切药代动力学研究结果作为支撑［7］。

二、人工骨类药物缓释材料

人工骨主要为钙磷类物质，包括羟基磷灰石、磷酸三钙、生物玻璃、磷酸钙骨水泥、硫酸钙等。此类无机化合物的化学成分与人体骨骼的无机成分组成相似，可用作药物缓释载体；在体内可降解、无毒性，具备良好的机械强度和骨传导性能。材料具备多孔结构可负载多种药物、骨生长因子等。药物释放速度可通过调节材料本身孔径及添加剂的含量来调控。单一采用人工骨的缺点是，降解后影响局部微环境pH值，陶器类人工骨可塑性差，人工骨材料降解速度较慢，与骨修复速度不匹配［8］。陈安民等［9］研制利福平－多孔羟基磷灰石人工骨核治疗骨结核的植入式缓释剂，形状为中空圆柱体，实验证实在体内至少可持续释放有效浓度的药物27周，对结核分枝杆菌有明显的抑菌作用。秦世炳等［10］用含妥布霉素的医用硫酸钙颗粒或自体骨与硫酸钙颗粒混合物用于骨关节结核手术后骨缺损的修复，临床观察表明，上述材料体系对促进骨修复以及提高骨结核治愈率起到积极的作用。

三、聚内酯类药物缓释材料

以聚乳酸（PLA）、聚乳酸－羟基乙酸（PLGA）等为代表的脂肪族聚酯类合成高分子由于可以通过化学合成批量生产，产品性能可以控制、重复性好，适宜于工程化的要求，而且可以通过改变合成高分子的结构、组成来调控力学性能和生物降解速度，以满足不同生物医学领域应用的需求；它们在生物体内又可由于水解反应而使得酯键断裂、发生降解，降解产物乳酸或乙醇酸又可通过三羧酸循环进一步代谢成对人体组织没有毒害作用的二氧化碳和水，因此已获得我国和美国等国家批准认证，可以用于制备植入人体的医疗材料。材料植入人体后具有一定的初始力学性能；可降解材料的力学性能下降速度与骨愈合速度相匹配。Hsu、Kailasam等［11－12］对负载有异烟肼的圆柱体状PLGA材料进行系列研究，研究释药特性，以及对骨缺损的修复作用进行研究，表明该缓释材料体系具备6周以上的局部缓释异烟肼能力，并且材料的缓释降解速率与骨修复速度相匹配。但是聚内酯类材料缺乏良好的亲水性、生物活性及足够的机械强度，且被水解后生成大量带羧基的低分子产物，其可降低生物内环境的pH值，较低的pH值会引起机体的炎症反应，对机体造成损伤。

四、天然骨类材料

应用于临床的天然骨类材料主要为同种异体骨加工而成，包括冻干骨、脱钙骨基质、脱蛋白骨基质、脱细胞骨基质等，具备骨传导作用和一定的骨诱导活性。具有多孔结构，微孔大小规则，可负载多种药物。但单独作为药物载体尚存在骨强度不足、残留免疫原性、载药量比较小、可塑性差等缺点。

五、复合材料体系

鉴于单一载体材料作为骨关节结核缓释载药体系用于修复骨缺损，可能存在力学强度差，只具备骨传导能力，不具备骨诱导能力，可塑性较差，亲水性差，微观结构影响细胞黏附，影响微环境pH值等缺点，达不到理想的治疗骨关节结核兼具修复骨缺损能力。近些年，将2种或2种以上生物活性材料结合，集中不同材料的优点于一种材料之中的复合材料体系的研究和应用引起了国内外学者的广泛关注。

骨组织本身呈不规则的多孔结构，材质含有钙、磷等成分，所以含有钙、磷成分的支架能在骨细胞生长过程中提供所需的成分而对于骨组织的修复有明显的促进作用。另一方面，由于单纯的钙、磷无机材料存在加工性能、力学性能差等缺点，用聚内酯等高分子复合的骨修复支架具有更好的性能。笔者等［13］研制了含有钙、磷成分，并具有不规则孔隙结构的PLGA支架，结果表明，该支架可明显有利于对骨缺损的修复，并具备体内、体外释放抗结核药物的良好的药代动力学性能。张宏其等［14］采用同种异体骨载异烟肼－壳聚糖制备缓释微球，复合材料具备平稳释放异烟肼56d以上的性能，并且具有提供力学支撑、修复骨缺损的作用。

因此，发展局部给药途径的缓释抗结核药物系统，在手术中植入清除的骨关节结核病灶区，在局部较长时期内形成高于最低抑菌药物浓度的环境，有利于杀灭或抑制病灶内残余的结核分枝杆菌菌群。同时缓释药物的载体若具有植骨替代作用，在植入病灶后被机体降解、释放药物的同时，逐步被骨组织替代，可加速病灶愈合。因而，局部药物缓释材料体系的研发是治疗骨关节结核的具有前景的重要研究方向。

［1］World Health Organization．Global tuberculosis control report 2012．Geneva：WHO，2012［2012－12－08］．http：／／apps．who．int／iris／bitstream／10665／75938／1／9789241564502＿eng．pdf．

［2］吴启秋．对骨关节结核手术适应证的认识．结核病与胸部肿瘤，1998，（2）：1－3．

［3］戈朝晖，王自立，魏敏吉．脊柱结核病灶中抗痨药物浓度的测定．中华骨科杂志，2004，25（2），97－101．

［4］Lloyd AW．Interfacial bioengineering to enhance surface biocompatibility．Med Device Technol，2002，13（1）：18－21．

［5］Buchholz HW，Engelbrecht H．Depot effects of various antibiotics mixed with Palacos resins．Chirurg，1970，41（11）：511－515．

［6］牛惠生，李怀芬，叶文忠，等．缓释植入型抗结核药异烟肼明胶海绵的实验研究．天津药学，1992，4（3）：7－10．

［7］孟晓林，时和同．缓释抗结核药佐治脊柱结核合并巨大冷脓肿．蚌埠医学院学报，2001，26（2）：148．

［8］Fujibayashi S，Senaha Y，Yoshihara S，et al．Long－term follow－up study of bioactive bone cement for repairing a segmental defect in a canine femur．J Long Term Eff Med Implants，2001，11（1／2）：93－103．

［9］陈安民，孙淑珍．利福平—陶瓷人工骨核（R－PHA）治疗骨结核的实验研究与临床应用．中华骨科杂志，1992，12（1）：18－22．

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［13］李大伟，马远征，杨飞，等．β－磷酸三钙／聚乳酸－聚羟基乙酸／异烟肼缓释材料制备与分析．中国防痨杂志，2013，35（5）：309－313．

［14］张宏其，高琪乐，郭虎兵，等．人同种异体骨载异烟肼－壳聚糖缓释微球的制备和体内外释药特性．中国组织工程研究，2012，16（3）：479－483．