骨科植入物表面纳米管载药及其抗感染性能研究

? Prevention and treatment of orthopedic infections after surgery has been highly concerned. Nano-modification or drug-loading system on the implant surface is one of the main promise methods. Our previous study have showed that nano-titanium surface obviously promoted the proliferation of osteoprogenitor cells and inhibited the bacterial biofilm formation compared to non-modified titanium surface. We also synthesised a new quaternized chitosan which could inhibit the bacterial adhesion and biofilm formation on the implant. Based on these results, this study will further investigate the effects of titanium nanotube with different topography on the adhesion and biofilm formation caused by common clinical pathogens. The quaternized chitosan will be loaded into titanium nanotube to enhance their antibacterial effect. We will also evaluate the osteogenic activity of nanosurface and drug loading system. Meanwhile the adhesive and growth mechanism of the bacteria and osteogenic precursor cells on titanium nanotube surface will be analysed. Finally, the animal study will be done to find if the new self-clean surface on the implant could prevent orthopaedic infections and promote better osteointegration between the implant and bone.

防治骨科术后感染已受到高度的关注，其手段很多，其中内植物表面的纳米化改性就是有效途径之一。前期的研究结果表明，纳米化的钛表面相对于普通钛表面更有利于骨前体细胞的增殖，同时明显抑制细菌生物膜在钛表面的形成；研制的新型壳聚糖季铵盐材料对骨科临床常见致病菌的黏附和生物膜形成均有较好的抑制作用。本研究将在上述研究基础上，通过体外研究和动物实验进一步探讨不同尺度的钛纳米管对临床上常见致病菌黏附和生物膜形成的影响及其机制；将新型壳聚糖季铵盐负载入钛纳米管，探讨载药表面对骨科常见致病菌形态及功能的影响，以及其表面的骨生物活性变化；分析微生物细菌和骨前体细胞在不同纳米表面的黏附和生长机制，最终研发出基于钛金属骨科植入物的最优纳米化表面及载药体系，形成阻止细菌定殖、防止植入物感染的自清洁材料表面，达到有效预防骨科植入物感染同时促进与骨组织良好整合的目的。

骨科植入物术后感染是临床上人工关节置换、骨折内固定等手术的主要并发症，而细菌在植入材料表面的黏附和生物膜形成是感染发生的关键环节。本项目的研究目标是通过材料表面的纳米管改性和载药，来抑制细菌在金属钛表面的黏附和生物膜形成，进而防止术后感染的发生。 . 本研究已开展的主要研究内容和结果包括： 利用改进的两步阳极氧化法在钛表面制备了内径为80nm、120 nm、160 nm、200 nm，长度约为200 nm的纳米管，真空冷冻干燥法载入庆大霉素及具备抗菌能力的壳聚糖季铵盐（HACC），发现载药钛纳米管具有较强的抑制生物膜形成的能力。以负载庆大霉素为例，和普通钛表面相比，在接种细菌培养4h、24 h、48 h后，各组载药纳米管样品表面可显著抑制细菌的黏附及生物膜形成，其中载药的200 nm纳米管的抗菌作用最明显；在与细菌培养4 h、24 h后，各组未载药纳米管表面细菌黏附增殖数量明显降低，其中80 nm纳米管对细菌黏附的抑制作用最强。负载壳聚糖季铵盐的钛纳米管对耐药细菌也具有较好的作用。另外载药钛纳米管仍然具有较好的成骨活性。各组未载药与载药纳米管（尤其是80 nm纳米管）均可显著促进hMSCs在其表面的黏附、增殖、细胞骨架铺展及成骨分化；且同一管径的纳米管在载药前后无明显差异。. 项目组进一步采用了大鼠股骨内钛棒植入、同时注射金葡菌的感染预防模型，术后3、6周评估，大体观察、X线片、显微CT显示，普通钛棒组和钛纳米管组股骨内均表现出明显的髓腔内化脓性感染征象，有死骨的形成和植入物的松动，而负载药物（庆大霉素或壳聚糖季铵盐）组股骨标本中没有明显感染征像，骨整合良好。钛棒取材后行共聚焦显微镜观察发现，负载药物组钛棒表面只有散落的红色死亡细菌及零星分布的绿色活菌。而普通钛棒组表面形成了一层较致密的生物膜。. 这些研究结果提示，金属骨科植入物表面进行纳米管修饰和载药，可有效预防骨科植入物感染的发生，同时促进植入物-骨之间的整合。这为最终研发出具备自清洁抗感染功能的新型骨科植入物奠定了良好的实验基础。