生物支架材料修复感染性骨缺损的研究进展*

施翔文 吴一芃 徐永清*

骨髓炎（osteomyelitis）是一种由感染引起的骨组织急性或慢性炎症性疾病，以渐进性、炎症性骨破坏为特征，复发频繁，难以治愈。病灶彻底清除后通常会出现骨缺损，而骨缺损处是感染较易复发的部位，其骨组织学和生物力学重建需要一个漫长的过程，已成为骨髓炎治疗研究的重点[1]。感染性骨缺损的传统治疗方法包括：彻底清创辅助抗生素治疗[2]、Ilizarov 技术[3]和Masquelet 技术。而这些方法存在诸多缺陷，如骨髓炎彻底清创后遗留骨缺损依旧容易复发；Ilizarov外固定支架笨重，易诱发感染，依赖患者高度配合[4]；Masquelet 技术需要二阶段手术，且目前最佳二期手术时间还存在争议[5]。近年来以生物支架材料为核心修复感染性骨缺损的方法逐渐兴起，相较于传统方法，大多数生物支架材料本身具备优异杀菌能力、强机械支撑能力和强骨诱导能力三大特性，植入后在缩短手术时间、改善患者预后方面也具有显著优势，已经成为感染性骨缺损修复领域极具潜力的植入性材料[6]。现就生物支架材料的相关研究进展进行综述。

1 修复感染性骨缺损生物支架材料的理想特性

在修复感染性骨缺损中植入生物支架材料的目标是支撑缺损部位的骨组织，最终原位降解被新生成的骨组织取代，同时兼具抗感染、诱导骨生长等功能。为了无限接近自体骨移植治疗感染性骨缺损的效果，理想情况下的生物支架材料应兼具以下特性：①早期生物力学支撑作用[7]，要求植入物可以提供早期的力学支撑，直至形成稳定的新骨，否则可能导致植入材料的过早塌陷，最终导致植骨失败；②骨传导作用，指新生骨组织沿移植物逐渐长入的过程，其中必须保持一定的连贯性，才能保证有连贯性骨痂形成；③骨诱导作用[8]，促进成骨细胞增殖；④良好的生物相容性；⑤可降解性[9]，可被新生组织替代，且降解的速度与骨生长速度应保持一致；⑥易塑形性，移植后可保持稳定的形态；⑦孔隙率，100 ～400 μm孔径最佳[10]，利于细胞的生长和黏附；⑧持续的抗菌作用[11]，抗生素或其他抗菌成分通过与病灶直接接触发挥作用。

2 生物支架材料修复感染性骨缺损的应用

2.1 天然生物衍生材料

2.1.1 胶原

目前已有研究表明，胶原（collagen，COL）是骨骼细胞外基质中的重要组成部分，Ⅰ型胶原表现出良好的生物相容性和成骨诱导性，并降低抗原性，易于人体吸收[12]；但单纯胶原支架生物降解率过快、机械强度较差，大多与羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、磷酸三钙（tricalcium phosphate，TCP）等无机材料联合应用。据相关文献报道[13]，基于HA 的胶原支架仿制类似人骨的亚纤维纳米结构，平均孔径142.2 μm，已被用于大鼠根尖周炎术后的骨缺损修复，植入后缺损中心出现大量新骨沉积，有新鲜血管形成。Fang等[14]利用特异性脱钙细胞外基质与万古霉素通过静电相互作用和化学键交联合成新型抗菌材料，该材料在体内外实验中均有效抑制生物膜形成，在支架降解的同时持续6周释放万古霉素，保持原有的杀菌能力，且对成骨作用无影响。虽然现有研究表明，胶原成骨诱导性和抗菌性能优异，但探索机械性能强的支架制备方法仍是难题。

2.1.2 壳聚糖

壳聚糖（chitosan，CS）是一种天然聚合物，具有良好的生物降解性和无毒特性[15-16]，被认为是最有前途的生物材料之一。抗菌方面壳聚糖也有一定优势，Monteiro等[17]将α-螺旋抗菌肽固定在壳聚糖涂层上制备复合支架，对金黄色葡萄球菌活性和细菌吸附能力进行评估，结果显示能显著减少细菌的黏附，但壳聚糖加入人血浆蛋白后杀菌能力下降，具体机制有待深入研究。Wang等[18]设计了一种具有顺序释放系统的羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖/骨形态发生蛋白2（HACC/BMP2）生物复合材料，作用机理是强力抗菌剂HACC 的突然释放，随后诱导BMP2 释放以修复感染性骨缺损。结果显示该壳聚糖复合物在体内外都有很强的抗菌效果，显著增强了骨诱导作用，可作为一种治疗感染性骨缺损的潜在支架材料。目前，关于壳聚糖单独应用于感染性骨缺损的临床研究较少，最直接原因就是其机械支撑能力差，多以涂层的形式出现。

2.1.3 藻酸盐

对于骨髓炎的治疗，藻酸盐（alginate）凝胶优点包括可以适应不规则形状的骨缺损、易于抗生素等配体的附着等。Xing等[19]制备了一种可注射的抗感染支架材料，该构建体为纤维蛋白凝胶支架和万古霉素藻酸盐珠形成的复合物，用于评估其治疗兔胫骨感染性骨缺损的抗感染和成骨潜能，在植入后1个月和3个月，影像学评估和微生物学检查提示万古霉素的持续释放显著降低了骨髓炎的Norden评分，并减少了骨髓炎的复发率。

综上，天然生物衍生材料均具有良好生物相容性，但机械支撑能力差是一个“通病”，要想使其在感染性骨缺损修复中得到推广应用，应致力于增强自身机械强度或通过掺杂其他材料来实现。

2.2 人工合成无机材料

2.2.1 羟基磷灰石

羟基磷灰石（HA）具有良好的生物相容性，负载抗生素给药系统的HA 在提高局部抗生素浓度的同时，可在感染性骨缺损修复中起临时支架作用，从而促进骨组织的再生，具有重要的研究应用价值。夏德萌等[20]使用负载万古霉素纳米结构HA 植入12 只SD 大鼠体内治疗感染性骨缺损，术后4周X线显示缺损处已经基本愈合，8周后完全愈合，证明该材料可通过持续稳定释放万古霉素来控制感染，表现出了良好的抗菌性能和骨传导功能，而且对细胞无毒性作用。Weng等[21]将载银纳米颗粒、纳米羟基磷灰石和还原石墨烯氧化物复合制备成三维多孔支架，结果显示促进兔桡骨感染性骨缺损修复，有效抑制生物膜的形成，其中银纳米颗粒含量为4%时，抗菌效果最好。

2.2.2 二氧化硅

二氧化硅（Silicon dioxide，SiO2）能够促进支架材料的降解，常被用于包装支架材料的涂层以加快降解。Krishnan 等[22]观察了负载万古霉素的SiO2涂层纳米羟基磷灰石/明胶治疗慢性骨髓炎的疗效，该支架可持续释放万古霉素，具有长达30天的杀菌性能，植入骨髓炎模型体内在3 个月内清除细菌并促进新骨形成。纳米级SiO2具有低细胞毒性、高孔隙率、高机械强度和生物相容性等多种优点，被广泛应用于生物支架材料，未来前景广阔[23]。

2.2.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃（bioactive glass，BAG）本身是一种抗菌骨替代物，被用于治疗感染性骨缺损。BAG-S53P4是迄今为止在体外研究中抑制细菌生长最有效的生物活性玻璃[24]。目前BAG-S53P4 已经进入临床研究层面，Romanò等[25]发现BAG-S53P4治疗慢性骨髓炎与传统负载抗生素的钙基替代物治疗一样有效，BAG-S53P4通过与骨基质结合促进组织生长，从而促进新骨形成，且能改变局部环境，减少细菌黏附。Malat 等[26]的一项回顾性研究中，使用BAG-S53P4治疗了50例感染性骨缺损的患者，平均4个月后40/50 例患者（80%）能够完全负重，12 个月后35/50 例（70%）达到骨性愈合，仅有7/50 例（14%）感染加重，BAG-S53P4主要通过其抗菌、骨传导和血管生成特性发挥作用。Lindfors 等[27]使用BAG-S53P4 治疗116 例患有慢性骨髓炎的患者，平均随访时间更长，为31个月，治愈率达90%，进一步证明了BAG优异的抑菌能力，为其作为感染性骨缺损的良好支架材料提供临床支撑。然而，关于BAG成骨的具体分子机制目前还未阐明，临床随访时间也局限于3年以内，治疗骨髓炎的远期效果还有待观察。

无机材料的优势在于容易获取和制作，随着人工合成技术的成熟，其应用越来越广泛。然而一些无机材料如HA 虽然具备良好的骨传导功能，但缺乏骨诱导特性，使其临床应用受到一定程度限制，因而常常需要复合具有骨诱导功能的材料，才能达到促进骨生长的目标，这也是无机材料未来的发展方向。

2.3 人工合成有机高分子材料

目前人工合成高分子聚合物种类较多，其中以聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚三亚甲基碳酸酯（poly trimethylene carbonate，PTMC）、聚乳酸-羟基乙酸共聚体［poly（lactic-coglycolic）acid，PLGA］、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、聚己酸内酯（polycaprolactone，PCL）应用最为广泛。最早用于感染性骨缺损治疗的合成聚合物是PLA 材料，但该材料与人体骨骼的生物相容性存疑，Gunatillake等[28]使用PLA假体进行研究时，发现植入部位出现炎症性异体反应和骨再生减少，主要原因是酸性产物降解和随后局部pH的降低，这成为PLA材料的应用难题。之后PTMC的发现解决了这一问题，因为其降解产物不是酸性。Neut等[29]通过体外实验研究发现载庆大霉素的PTMC 膜在脂肪酶溶液中降解时表现出良好的抗生素释放动力学和生物膜抑制性能。Qiao等[30]将抗生素更换为莫西沙星得到了相似的结果，证明以PTMC 为基础的有机材料在治疗骨髓炎中具有抗生素载体的潜力。上述支架虽然成骨性能优越、抗菌能力显著，但机械性能偏低，不适用于承重部位的大段感染性骨缺损修复。Hasan等[31]以PLGA、PEG、PCL聚合物为基质制备负载万古霉素的新型ABVF 复合材料，发现在松质骨区域能提供良好的力学支撑，同时持续6 周释放万古霉素，直接与金黄色葡萄球菌作用，为感染性骨缺损修复带来新的方向。

尽管PLA、PLGA 和PCL 等高分子材料在修复感染性骨缺损中具有很大发展潜力，但依然存在不可忽视的缺点，包括亲水性差、细菌吸附能力差、容易诱发炎症反应、机械性能欠佳等，这些都是未来需要解决的问题。

2.4 复合材料

2.4.1 多类型材料的复合材料

用于修复感染性骨缺损的复合材料常由两种或两种以上的材料组成，如以无机材料为基体，以有机材料为强化基体支架，来制备具有多重优势的仿生复合多孔支架。Wang等[32]在兔慢性骨髓炎模型上评价左氧氟沙星介孔的二氧化硅微球/纳米羟基磷灰石/聚氨酯复合支架治疗感染性骨缺损的疗效，发现在新骨形成过程中该材料有利于细胞的黏附和增殖，并能显著降低组织内炎性细胞的数量，12周前材料结构的完整性为骨修复提供了机械支持，12周后降解促进了新骨的形成，达到了修复缺损、控制炎症的双重作用。为进一步验证其体外作用，Kuang 等[33]将前文的复合支架与骨髓间充质干细胞共培养，进行了成骨和抗菌性能评估，发现该材料显著增强成骨标志物骨钙蛋白（OCN）等18 种成骨标志物的表达，抑制细菌菌落生长，体内外都得到了相似的结果。当然，无机材料相互混合得到的复合材料也具有优异的性能，Zhou 等[34]对比研究了4种不同浓度（0%、10%、30%、50%）的负载万古霉素明胶/β-磷酸三钙复合支架治疗兔慢性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）骨髓炎的疗效，其中30%含量的β-磷酸三钙具有最佳孔隙率、连通性和控释性能，植入后万古霉素随着明胶降解被可控释放，从而达到抗菌目的，表现出良好的感染控制和骨缺损修复能力。Boyle等[35]在骨髓炎模型中对比磷酸钙-硫酸钙复合材料与商用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的骨传导和骨吸收能力，发现该复合材料不仅保留了磷酸钙的成骨特性和强大抗压强度，还延长了抗生素的洗脱时间，在改善骨重建过程中发挥重要作用。Cheng 等[36]制备载有万古霉素的生物活性玻璃与PLGA 复合的骨组织工程支架，与纯PLGA 支架相比，具有更好的细胞相容性和成骨细胞分化特性，可增强抗菌活性并抑制生物膜的形成。

2.4.2 涂层复合材料

对于感染性骨缺损的治疗，常需要在支架材料的基础上添加抗感染成分，表面涂层成为运用最为广泛的方式之一，其最大优点是提供了抗感染成分与感染部位直接接触的条件，主要有抗生素涂层和金属离子涂层等。髓内钉是较早被用于涂层研究的载体，Thonse等[37]将抗生素骨水泥涂层交锁髓内钉用于治疗20 例感染性骨缺损患者，17/20例患者（85%）达到骨性愈合，其余3/20 例患者（15%）均实现控制感染的目标，抗生素骨水泥涂层直接接触感染病灶，产生抗菌作用，一次手术将抗感染和骨稳定两个目标同时实现。但髓内钉黏附性、稳定性差，Cho 等[38]提出一种基于抗生素涂层的铰链螺纹棒技术，该螺纹棒的铰链与骨水泥结合将增加黏附力，从而降低断裂的风险，用该技术治疗40例感染性骨缺损患者，其中18例置入单根抗生素涂层螺纹棒，22例置入两个独立的抗生素涂层螺纹棒并通过铰链连接，经观察细菌培养转阴率为85%（34/40例）。这种铰链式的设计为提高生物支架材料的稳定性提供了一种较为新颖的思路，值得进一步研究。另外，越来越多的金属离子也被发现具有抗菌特性，如银、锌和铜[39]。Tong等[40]发现新型“锌-铜”金属泡沫对金黄色葡萄球菌具有有效抗菌性能，尤其是加热后抗菌性能更佳，这可能与热处理后形成氧化锌层并阻碍细菌侵入有关，为今后的抗菌性机制研究提出一种新方向。Zhang 等[41]报道纯硅酸氢钙骨水泥在植入最初几个小时内就表现出明显的抗菌效果，然后用5%或10%的锌或铜部分取代后抗菌效果延长，兔颌面部感染性缺损区观察到大量骨再生。可参照此法将涂层更换为抗菌能力更强的其他金属离子，以获得更佳的抗菌性能。值得注意的是，目前关于金属涂层复合支架材料治疗感染性骨缺损的临床研究非常少，有待进一步验证其临床抗菌效果。未来各种涂层的掺杂应用，如抗生素和金属离子混合，以及具体混合的比例，可能成为涂层复合材料的探索方向。

2.4.3 3D打印复合材料

骨科3D 打印支架中，金属移植物的微孔设计是最显著、最有优势的特征之一。首先可调整微孔大小或形貌；其次可改变微孔表面环境，例如覆盖某些稀有金属或磷酸钙；再者可载入某些药物或活性因子，使其缓释并发挥其特殊功能[42]。Zhang 等[8]评估负载万古霉素的微弧氧化（microarc oxidation，MAO）3D 打印多孔Ti6Al4V 复合支架在兔胫骨骨髓炎模型中的成骨功能和抗菌效果，实验组兔胫骨几乎未见细菌生长，表明感染在初期就得到有效控制，最关键因素是3D打印定制的微孔Ti6Al4V种植体具有高孔隙率，满足骨传导与抗菌性能的要求，这正是骨髓炎治疗所必需的；而经MAO 处理组相较于对照组（裸支架），动物感染状况没有改善，可能原因是MAO虽然决定万古霉素的装载和释放，但具体载药量和释放时间需要更深入细致的研究。与传统的植入物相比，微孔设计具有较大表面积，容易被细菌感染，如何兼具高孔隙率和低感染率仍是当前微孔结构骨支架待解决的问题。此外，随着纳米技术的发展，将3D打印生物支架材料的尺寸限制在纳米级可以获得更高的比表面积与体积比，从而提高其溶解性和表面催化活性。纳米材料的良好成骨诱导性和优异抗菌性也已在动物实验中得到验证。Zhang 等[9]观察含3%银纳米羟基磷灰石/聚氨酯复合支架治疗兔胫骨感染性骨缺损的疗效，植入后利用纳米结构特性持续释放Ag+，形成有效的抗菌环境，结果提示白细胞计数明显下降，骨组织肿胀、骨坏死等骨感染症状明显改善，且骨量在6周和12周时较对照组明显增加。Lu等[43]开发了一种新型的抗菌银/钛纳米羟基磷灰石/聚酰胺-66 支架材料，它含有不同浓度的银离子和氧化钛，植入兔骨髓炎模型治疗后，结果证明该支架对金黄色葡萄球菌有很强的抗菌活性，促进成骨细胞的黏附和增殖，并刺激成骨调节因子的表达。Qadri等[44]利用“银-铜-硼”复合材料的协同效应合成了能够提供持续活性的金属离子纳米颗粒，与氧化铁纳米颗粒对照组相比，这些纳米颗粒在小鼠骨髓炎模型中显著减少细菌的数量。因此，纳米层面上定制的生物支架材料在抗菌性能方面具有显著的优势，必将引起骨科材料开发领域的广泛关注。

以上研究都尝试将不同的材料进行复合，寻求一个修复感染性骨缺损最佳的构成组分。总的来说，复合材料的优势在于可以兼具生物相容性、机械支撑、成骨诱导性和抗菌性等各方面特性，结合3D打印的高精度、快速、个性化定制的优点，未来在感染性骨缺损修复领域有巨大应用价值。

3 小结与展望

目前，生物支架材料正从单一走向复合，从宏观走向微观。用于修复感染性骨缺损的生物支架材料中，天然生物衍生材料与人工合成材料各有优劣，均可用于骨髓炎疗效和机制研究，以便对材料不断改进。利用材料互相掺杂、3D打印、抗生素涂层以及特殊微孔设计相结合研制出的复合支架材料，综合了抗菌、骨诱导、骨支撑、无毒、安全可靠等多方面优势，是将来新型生物支架材料发展的重要方向之一。

此外，骨髓炎不同于普通浅表组织的感染，其在解剖位置和病理机制上存在一定特殊性，发生机制至今未阐明。体外实验有很大局限性，只有体内实验才是验证生物支架材料疗效的最佳方式，完全满足骨髓炎炎症微环境的各种条件。因此，未来感染性骨缺损新型修复材料的研究重点将是如何设计出在微观上契合骨髓炎微环境变化的材料，如何把材料特性和骨髓炎的机制研究紧密结合，以期推动其临床应用。