需要填写关键词

人工种植牙抗菌表面的研究进展

2019-11-18 17:11  来源:口腔颌面修复学杂志
编辑:董春晨 吕亚林 阅读量:1718

    目前,钛及钛合金由于其优越的机械、化学及生物相容性能,广泛应用于生物医学领域,尤其是在口腔科的人工种植牙方面。人工种植牙成功的关键是形成骨结合,即植入物与骨组织直接接触,不存在除骨以外的其他组织。在种植体植入的初期,如果受到外界因素干扰,骨结合的过程将会受到影响,甚至向纤维结合的方向发展,导致种植失败,其中微生物感染是导致种植牙失败的主要原因之一。

    微生物感染,即通过细菌粘附,近而破坏术区周围组织,影响供血,导致植入物松动甚至脱落。细菌粘附一般分为两个阶段,第一阶段是细菌与材料表面初步结合,第二阶段是细菌表面蛋白质与材料表面结合,形成生物膜,完成黏附。因此,抗菌成为影响植入物骨结合的重要因素。本文通过表面处理和涂层技术对改进植入物的抗菌性能进行阐述。

    1.表面处理

    表面处理技术是通过物理、化学或两者相结合的方式对钛基底表面进行改性(如表面形貌、粗糙度、亲水性等),改变其表面微观结构,其中一些表面处理方法能形成有利于骨细胞黏附的抑菌表面。

    1.1紫外线处理

    紫外线是一种电磁波(波长315-380nm),可通过与材料接触从而改变其理化和生物性质。钛经紫外线处理后的引导骨再生能力加强。紫外线处理钛后,其表面形成氧空位,使Ti4+离子转化为Ti3+离子,吸附自由水,形成超亲水表面。同时产生活性氧,进行二次氧化,去除表面碳氢化合物,氧化分解表面杂质,也提高了抗菌性。另有研究发现紫外光处理的钛可抑制口腔微生物群落的附着,干扰生物膜形成。紫外线处理种植体表面24h后对人牙龈成纤维细胞粘附、增殖和胶原释放等方面的行为产生积极影响。但也有研究表明紫外线照射对种植体的骨结合并无明显影响。

    1.2阳极氧化

    钛或钛合金表面经阳极氧化法可形成纳米薄膜层,由分布均匀,排列整齐的TiO2纳米管组成,具有良好的抗腐蚀和生物相容性,有利于成骨细胞黏附,同时具有抗菌性。直径为60-80nm的TiO2纳米管具有更强的亲水性,亲水性越高,细胞越能在其表面粘附、增殖、分化。紫外线光照120min后,光催化TiO2表面的放线菌和具核梭杆菌的存活率低于商业纯钛对照表面,表现出抗菌性的潜力。

    1.3微弧氧化

    微弧氧化是在金属材料表面生成氧化膜的表面改性方法,生成的氧化膜与基底结合牢固,表面成多孔蜂窝状微米级孔隙。Lin等在微弧氧化的钛种植体内加入铋,与放线杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在琼脂进行扩散实验,发现掺杂铋后比单纯微弧氧化的钛有更高的抗菌活性。通过紫外线催化后的微弧氧化纯钛表面产生了超亲水性,促进成骨细胞黏附和增殖。

    2.抗菌涂层

    细菌感染主要通过细菌黏附增殖,在植入物表面形成菌斑生物膜,影响供血,破坏周围组织,导致植入物松动、脱落。细菌黏附分为两个阶段,一是细菌快速与材料表面结合,过程快速可逆,二是细菌表面的蛋白质与材料表面分子结合,过程缓慢而不可逆。因此,抑制细菌黏附和清除细菌至为重要。然而,植入物表面形成成熟的菌斑生物膜后,即使应用抗生素和反复的外科冲洗也难以去除。所以,抗菌性成为植入物取得长期稳定性的关键。

    通过抗菌表面防止植入物表面形成菌斑生物膜,是防止致病菌感染的有效途径。可通过抑制或杀死细菌来防止致病菌的早期黏附。抗菌肽、无机抗菌金属元素(银、铜、锌等)和抗生素(万古霉素、庆大霉素等)等是常见的抗菌材料,通过物理吸附、化学共价键结合或者生物涂层的方法接枝到种植体表面。然而物理吸附方式由于吸取问题,无法获得长期稳定性;化学共价键结合方式,需通过不同的化学反应,化学反应的中间产物存在生物毒性或不可控性,影响其生物活性,从而影响稳定性;生物涂层的降解吸取也影响了其在临床上的广泛应用。

    2.1有机分子

    抗菌肽(antimicrobial peptide,AMP)是一类具有抗菌活性的碱性多肽物质,具有广谱抗菌活性,可快速查杀靶标。AMP通常是阳离子,可与细菌表面的聚阴离子相结合。AMP疏水侧链与膜疏水部分相结合,而AMP的亲水部分在膜内分解,导致膜穿孔,细菌因内容物渗出而死亡。

    抗菌肽MagaininI通过聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)的交联作用接枝到氧化钛表面。其中PEG不仅是抗黏合剂,还可共价接枝抗菌肽。接枝后表面的菌落数为空白对照组的50%。因此,该表面能降低细菌黏附,并可对黏附细菌的生长有抑制作用。Yazici等借助自动肽合成器制备出一种嵌合多肽(TiBP1-GGG-AMP,TiBP2-GGG-AMP),将其修饰到到钛表面,可显著减少变链球菌,大肠杆菌和表皮葡萄球菌的黏附。基于这种多肽的嵌合方法,可设计出针对多种细菌的抗菌肽,扩大抗菌肽的应用。AMP也可负载在无机物涂层表面发挥作用。

    Narbat等构建磷酸钙-抗菌肽涂层,可在30min内杀灭金黄色葡萄球菌和铜绿色假单胞菌。另一种常见AMP叫GL13K,来自腮腺分泌蛋白,体外实验表明GL13K涂层能抑制种植体周围炎的致病菌牙龈卟啉单胞菌、格氏链球菌和铜绿色假单胞菌的生物膜生长。通过物理吸附,可将hLf1-11作为一种有效的AMP,对钛表面进行功能化修饰,显著减少链球菌的细菌粘附和生物膜形成。然而抗菌肽合成的成本较高,合成过程复杂,生物安全性有待验证,限制其临床推广。寻找新的制作方法,降低成本,成为进一步推广的关键。

    壳聚糖可通过增加微生物细胞壁及细胞膜通透性、与微生物DNA结合等机制抑制微生物,使钛基涂层具有一定的抗菌性。壳聚糖也具有诱导成骨作用。Ghimire等通过盐酸多巴胺修饰钛基表面,再将壳聚糖与多巴胺共价接枝,制备的涂层可阻止细菌对成骨样细胞的入侵,显著增加细菌对抗生素的易感性,减少植入物相关感染和骨结合不良的发生。但壳聚糖的成骨性能尚存在争议。

    Gilabert等在钛基底表面形成表面上蚀刻了平行的微凹槽,使壳聚糖在16μm深的凹槽底部以薄涂层的形式沉积,但未观察到MC3T3-E1前成骨细胞黏附在壳聚糖涂层上,证实其不具有成骨功能。壳聚糖可和透明质酸组成复合多糖涂层,两种聚合物均具有抗菌作用。经处理后的表面,亲水性增加,干扰细菌和种植体之间的表面连接,从而抑制细菌黏附。还可与精甘天冬氨酸肽(arginyl glycylaspartic acid,RGD)结合应用,即RGD。RGD整合到壳聚糖-透明质酸涂层,由于聚合物链变成,降低了理夫绪兹-凡德瓦尔力,减少金黄色葡萄球菌的黏附,同时由于RGD的成骨作用,为骨结合和抗菌双重目的提供了新思路。

    壳聚糖借助其带正电荷的特点,吸附带负电荷的药物,成为药物载体。在钛基底表面,采用层层自组装技术,制备出壳聚糖-海藻酸盐-米诺环素的抗菌多层涂层。壳聚糖-海藻酸盐涂层因其表面电荷而具有亲水性,可产生生物静力,在米诺环素完全释放后仍具有抗菌能力。这种设计可抑制种植手术过程中细菌对种植体的即刻定植,从而预防和减少种植体周围炎的发生。但壳聚糖仍存在长期控释能力不足的缺点,有待进一步研究。

    2.2无机物

    无机抗菌素材料与传统的有机抗菌剂相比具有许多优点,化学稳定性,耐热性和作用时间长。银(Ag)、氟(F)、锌(Zn)、钙(Ca)、氯(Cl)、碘(I)、铜(Cu)、铈(Ce)或硒(Se)等可通过阳极氧化作用与钛或羟基磷灰石涂层结合,需释放到周围组织中方能发挥抑菌作用。其中,银离子因强力的抗菌效果、良好的热稳定性、持久的抗菌效果,并对细胞及组织无明显毒性,尚未发现增加细菌耐药性的风险,因此受到部分学者的关注。银的主要抗菌作用是通过释放Ag+,Ag+与细菌细胞壁相互作用,干扰细菌细胞壁的通透性,使蛋白质失活和DNA裂解。

    Yoshinari等采用离子动态混合法制备银改性纯钛表面,发现可有效减少牙龈卟啉单胞菌和放线杆菌的黏附。Ewald等通过物理气相沉积在钛表面获得钛/银抗菌层,发现涂层表面表皮葡萄球菌和肺炎杆菌黏附明显减少,而对上皮细胞和成骨细胞无毒性。Li等制备了负载银的明胶微球,并将其与多孔钛结合制成抗菌植入物。负载银的表面能抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生长。明胶微球载体还可控制银的释放速率,达到较高的抗菌效果。通过壳聚糖涂层也能达到类似效果。

    Mishra等用硅烷锚定在钛基表面形成壳聚糖-聚乙烯醇-银涂层,壳聚糖作为缓释载体,使Ag+长期持续释放。Travan等利用双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯及三乙二醇三甲基丙烯酸酯,通过物理吸附的方式将银-壳聚糖混合液沉积在钛基表面,体内体外试验证实该涂层能稳定释放银及抗生物膜形成。银具有抗细菌、真菌等优点,但其诸多生物效应的机制尚不明确,且在体内的缓释作用时间、如何控制银离子的缓释仍未解决,长期动物实验也比较少,如何确保银纳米颗粒的长期应用对人体无不良反应,减少其毒性,仍需大量的实验室和临床研究。

    石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的理化特性和生物相容性,是化学气相沉积的经典产物,但技术难点在于其在基体上的转移。传统的湿传递技术易使水留在涂层和基体之间,从而产生褶皱和裂缝。基于热压法的干传递技术解决了这一问题。同时也发现石墨烯涂层有良好的生物相容性,还能抑制变形链球菌和大肠杆菌的生物膜形成。Jin等通过电镀和紫外光照射在钛表面形成薄膜,将氧化石墨烯(graphene oxide,GO)与银纳米颗粒结合,对变形链球菌和牙龈卟啉单胞菌具有明显的抑制粘附和生长的作用。此外,细胞活力与涂层中氧化石墨烯和银的含量成反比。

    Qiu等指出了GO层数的重要性。与细胞-细菌共培养过的纯钛表面相比,氧化石墨烯改性后的钛表面具有更高的细胞表面覆盖率。氧化石墨烯层数增加,活性氧含量增加,具有抗菌和成骨作用。Qian等研究了负载二甲胺四环素的氧化石墨烯,对金黄色葡萄球菌、变形链球菌和大肠杆菌,氧化石墨烯直接接触杀伤与盐酸二甲胺四环素缓释杀伤联合作用,且无细胞毒性。

    2.3抗生素

    局部给药是一种对抗生物膜的有效方法,具有部分优点。首先,局部高剂量不会引起任何全身毒性,可在特定的部位获得较高疗效。此外,局部提供抗生素可针对特定的种植周炎病原体,防止产生耐药性。为达到体外抗菌药物控释的目的,研制了各种表面涂层。抗生素的应用,最关键的要求是广谱性和耐热性,因为涂层过程通常是在高温下进行的。庆大霉素抗菌谱相对较广,还是一种罕见的耐热抗生素,是应用最广泛的钛涂层抗生素之一。此外,头孢菌素、卡苄西林、阿莫西林、头孢曼多、妥布霉素、万古霉素等也被应用于种植体涂层。利用庆大霉素和纳米球形颗粒化学裂解后共价接枝到钛基表面,通过模拟感染后的酸性介质环境,可调控庆大霉素的释放,起到抑制金黄色葡萄球菌的作用,但其生物活性方面还有待验证。

    Rams等利用聚多巴胺涂层的邻苯二酚结构将抗生素头孢噻肟钠接枝到钛表面,具有良好的生物相容性,且可有效抑制大肠杆菌和变形链球菌的黏附和增殖。但抗生素涂层随着药物释放,当低于最低抑制浓度时,涂层将失去抗菌作用,且释放后对周围组织的毒性也有待研究。

    3.小结

    综上所述,物理改性的表面处理和化学及生物改性的涂层技术为减少人工牙种植体表面细菌感染从而促进骨结合的常用方法。物理改性无论是技术要求还是价格方面均相对较低,但改性时间短,抗菌存在一定的局限性;化学改性昂贵,存在一定的技术难度;而抗菌肽和壳聚糖等生物活性表面研究由于其优越的抗菌性能及可操作性越来越受欢迎,使其被广泛应用,但其也存在不稳定的缺点。有关利于种植体骨结合的抗菌方法还有待于日后进一步研究。

编辑: 陆美凤

网友评论

XML 地图 | Sitemap 地图