细菌触发自卫型银/抗生素复合涂层的构建及其抗菌机制的研究

Hard tissue implants are in great demand, about 10% of which will fail to fulfill their functions within one or two decades, with postoperative infection and poor osseointegration as major causes for those implant failures. To enable the implant surfaces with combined antibacterial properties and osteointegrative potentials has been the focuse and frontier to tackle these issues. However, there are three problems in this scenario: (1) the passive release of antibacterial agent will induce cytotoxicity, deteriorate the early osseointegration process, and increase the infection risks; (2) the limited loading amount and the invalid release of the reagent will reduce the duration of its antibacterial activity; (3) these functionalized surfaces may result in the formation of drug-resistant bacteria and their antibacterial effects remain to be improved. Therefore, in this project, a bacteria-triggered self-defensive silver/antibiotics composite coatings are designed and constructed on the surface of implant materials by using chitosan-based materials as carriers with pH responsive and biocompatible properties and exploiting silver/antibiotics as the antibacterial agents, to reveal the interaction mechanism between carriers and antibacterial agents and to study the pH responsive release behavior and the antibacterial mechanism of the agents within the coatings. This work will provide scientific basises for the surface functionalization of hard tissue implant materials, in terms of the interaction mechanisms among the proposed composite coatings, bacteria, cells and tissues with effectively controllable approaches, which show significant research values and application prospects .

硬组织植入物需求量大，但依然有约10%的植入物在10~20年内就过早地失效，感染和骨整合不良是造成这类生物惰性材料植入失败的主要原因，通过表面改性使其兼具良好的抗菌性能和骨整合能力是当前的研究热点和前沿。但目前研究存在三个问题：(1)由于抗菌剂被动释放而产生的细胞毒性不利于早期骨整合，使感染的风险加大；（2）有限的携载量和无效释放导致抗菌周期较短；（3）易于产生耐药菌，抗菌效力有待提高。为此，本项目拟以具有pH值响应特性、生物相容性良好的壳聚糖基复合材料为载体，携载银/抗生素复合抗菌剂，在硬组织材料表面设计和构建细菌触发自卫型银/抗生素复合涂层，揭示载体与抗菌剂之间相互作用机制、pH响应释放和抗菌机理，从而建立细菌触发型银/抗生素复合涂层与细菌、细胞和组织之间的生物学相互作用机制及其有效调控方法，为硬组织植入物表面功能化提供科学依据，相关的研究具有重要的研究价值和应用前景。

矫形外科植入物和种植牙目前临床需求大，且其需求量随着人类寿命的提高必将迅速增加。但感染和骨整合不良会造成植入物失效。因此，通过表面改性技术调控植入物的表面特性，赋予其抗菌和骨整合功能已经成为硬组织植入物研究的前沿热点。然而，目前的研究集中在单一提高骨整合性能或抗菌性能，即使少量能够兼顾抗菌和骨整合性能的涂层也具有抗菌剂被动释放以及易产生耐药性等问题。因此，本项目以具有优异pH响应特性的物质为调控涂层，携载金属离子复合物作为成骨抗菌药物，在硬组织材料表面设计和构建了细菌触发自卫型复合涂层。我们已经按计划完成了所有的研究计划要点，包括：（1）携载银/庆大霉素的丝素蛋白/壳聚糖复合涂层的制备及研究；（2）丝素蛋白基涂层结构调控对成骨抗菌性能影响的研究；（3）丝素蛋白基涂层携载不同金属离子复合物质的成骨抗菌研究。研究发现，（1）具有pH响应特性的壳聚糖或丝素蛋白主要是通过其电荷变化以及结构变化来对金属离子复合药物的释放进行控制。（2）金属离子（银离子和铜离子）与抗生素或其它物质能够增强抗菌效果，是因为它们两者能够通过不同的杀菌路径对细菌的膜层结构、细菌内的蛋白结构/DNA结构、以及细菌内的ROS产量产生影响，其产生的效果要远远大于两者效果简单的结合，使得即使在各自亚致死浓度条件下的结合使用依然能够产生有效抗菌作用。（3）涂层的促成骨性能来源于两个方面。一是选择的膜层如壳聚糖、丝素蛋白和聚多巴胺都具有较好生物相容性，有利于细胞成骨分化的物质；另一方面，在正常生理环境下，膜层中释放的金属离子复合物保持着缓慢且低浓度的水平，有利于细胞的成骨分化及血管生成。总得来说，在该项目中我们制备了一种细菌自响应的抗菌涂层，其能够随着环境pH值的变化而实现其成骨和抗菌生物功能之间的转换。经过对膜层体系的优化，我们开发出了一种安全有效，且简便易行，适用范围广的自响应抗菌涂层。发表了SCI收录论文16篇，培养了博士研究生6名。