多孔阳极氧化铝在骨科植入药物缓释系统中的应用前景分析

2020-12-23李长艳张西强

山东医学高等专科学校学报 2020年5期

李长艳，张西强

(山东医学高等专科学校，山东临沂 276000)

目前，常用的给药方式为口服或者注射等，但此类方式药物一般在体内维持时间较短，浓度波动幅度较大，药效不理想，甚至会产生副作用。虽然通过多次小剂量的给药可以避免药物浓度大幅度波动，但是容易给患者造成压力，在临床实践中较难实现。因此，如何实现药物小剂量缓慢释放并且减少患者压力成为研究的热点。

药物缓释系统是随着医学的发展而新兴的一种给药技术，其中最关键的是药物载体的选择。多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina，PAA)是典型的自组织生长的纳米孔阵列材料，具有相对长程有序的纳米孔结构，并且因其良好的生物相容性，在骨修复材料中已经得到了广泛的应用。如果将药物通过有效方法装载进纳米孔洞内将有可能实现药物的缓慢释放，进而为在骨科植入药物缓释系统中的应用提供理论依据。

1 PAA的特点

铝的PAA膜是高纯铝片在一定温度下经热处理后，在酸性溶液(如硫酸、草酸、磷酸)中经电化学阳极氧化处理得到的自组织生长的Al2O3多孔薄膜，其纳米结构可被形容为一种密堆积排列的圆柱形晶胞，每个晶胞包含一个中心孔。该薄膜具有以下特点：(1)纳米孔阵列呈六角形高度有序排列，分布均匀且取向一致，分布密度高(109～1011/cm2)，并且与基体表面垂直；(2)具有很好的可控性，其胞孔大小受不同类型的电解液影响较明显，因此可以根据使用目的选择不同类型的电解液，得到不同孔径(5～420 nm)的纳米孔道；(3)可以通过制备PAA时的电流密度、氧化时间、电解液浓度及温度以及电压等工艺参数控制PAA纳米孔洞的深度；(4)PAA的制备工艺相对比较简单，对于外界环境和仪器设备的要求也不高，是一种便捷获取有序纳米结构的方法。

2 PAA的应用

基于PAA的特点，使其在医用金属材料的表面生物学和力学改性方面得到了大家的青睐。目前，已经有研究者利用PAA特殊的二维平面蜂窝多孔结构，将其应用于一维纳米材料合成、电介质、微反应以及表面修饰等领域。2004年，Briggs等人将铝沉积在钛合金表面，然后通过阳极氧化的方法在其表面制备出纳米PAA层，这种经过改性的钛合金表面降低了表面磨擦，并且保持了钛合金重量轻、弹性模量近似骨的特点，而且PAA还能有效防止钛离子溶解释放进入人体。另外，PAA相互平行的大面积六角形排列的纳米孔道，已经被成为生物活性物质的优良载体，如将硅纳米颗粒等填充到阳极氧化铝纳米孔洞中，使其具有特定的生物学功能，这种新型的生物材料将在种植体的表面涂层具有很好的应用价值。此外，PAA表面纳米孔结构不仅能够模拟骨组织中胶原纤维的尺寸和排列，而且骨组织本身无机矿物质颗粒(<100 nm)与PAA表面纳米孔尺寸相近。从仿生学的角度，PAA表面纳米孔结构可以较好的模拟自然组织中ECM的结构从而可能更适合成骨细胞功能[1]。因此，基于PAA的以上优势，其在骨科植入型材料中会有很好的应用前景。

3 骨科植入药物缓释系统分析

细菌感染是植入体中常见的并发症，即使消毒和无菌操作过程非常严格，仍然会有0.5%～3%的感染率存在[2-3]。早期表现的植入失败一般与外科植入术中污染或宿主受损有关，而晚期表现的植入失败大多因为种植体周围出现炎症。研究发现，植入体与其周围组织比较容易形成生物膜，细菌在生物膜内生长可以躲避抗菌因子，进而导致局部骨破坏。传统治疗方法是在治疗骨损伤的同时全身应用足量高浓度的抗生素防治感染[4]，但是由于骨组织周围供血较少，所以局部病灶部位的抗生素浓度很难达到有效水平。因此，如何使生物材料在植入时就具有抗菌功效成为目前抗菌材料发展的新思路。针对以上问题，如果在植入体表面有目的的引入具有特殊性质的表面结构，使其与周围组织具有很好的相容性并且能够有效抗菌，那么，这种生物材料将在临床骨修复中具有重要的应用价值。

在骨科植入型缓释系统负载抗菌药物时，一般选用万古霉素和庆大霉素。但在临床应用中如果使用剂量控制不好，也可能产生一系列的毒副作用，比如血尿、肾中毒、耳中毒等。因此，在临床应用中希望该类抗生素能够缓慢释放。前期的研究，作者已经利用PAA纳米多孔的结构，以钙-硅基(CaO-SiO2)生物活性玻璃为载体，设计了钙-硅-铜 (CaO-SiO2-CuO)三元体系的生物活性玻璃，采用适当的方法将其装载入PAA纳米孔腔中，构建出了同时具有促进成骨活性和长期有效抗菌能力的表面，为新型人工植入材料的表面功能化设计提供了理论和实验依据[5]。本文作者期望运用大孔阳极氧化铝的优良特性，并借鉴制备CaO-SiO2-CuO/PAA的方法将抗菌药物负载到大孔阳极氧化铝中，将可能实现药物可控缓慢释放，从而制备出具有药物缓释功能的抗菌植入型骨科材料。