引用本文： 刘鹏, 樊博, 邹磊, 吕利军, 高秋明. 钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性策略研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(10): 1300-1313. doi: 10.7507/1002-1892.202306025 复制
钛基植入物是骨科应用最广泛的内植物类型，例如钛合金髓内钉、钛合金关节和人工椎体等，具有高强度、耐腐蚀性好、力学性能与骨组织相近等优势[1-3]。但钛基植入物应用时仍存在两方面问题：第一，其表面具有生物惰性，植入体内后与周围骨组织整合较差，甚至发生无菌性松动。第二，植入体内后存在感染风险，是目前骨科手术后最严重并发症之一。主要发生机制是细菌黏附于钛基植入物表面后会形成生物膜并繁殖，阻碍成骨细胞黏附，最终导致植入物周围组织感染；而生物膜难清除，对抗生素有极强耐药性，增加了治疗难度[4-5]。
为克服上述两大难题，近年来诸多学者尝试对钛基植入物进行表面改性。例如，在钛基植入物表面制备羟基磷灰石等促成骨活性涂层，以达到增强骨整合目的；或采用二氧化钛（TiO2）纳米管负载抗菌药物的表面改性方式，以达到避免感染的目的。然而，上述单一功能改性处理无法同时满足抗菌、促进成骨等多种临床要求。因此，钛基植入物表面抗菌/促成骨双功能改性受到越来越多关注，主要通过表面改性方式将抗菌物质与促成骨活性物质联合固定在钛表面，达到避免感染和促进骨整合的双重目的。现回顾相关文献，总结目前钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性策略，以供后续研究参考。
1 钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性要素及构建工艺
1.1 抗菌物质及促成骨活性物质需具备要素
目前，钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性中常用抗菌物质包括抗生素（万古霉素、庆大霉素）、抗菌肽、无机抗菌剂（金属纳米颗粒及离子、氮化硅、石墨烯等）、有机抗菌剂（季铵化合物、聚乙二醇、N-卤胺）等。理想的抗菌物质应具备以下两个特点：① 对细菌有良好的抗黏附和清除性能。研究表明，植入物表面的多细胞生物膜可以保护细菌免受宿主免疫系统侵害[6]，且由于细菌黏附是生物膜形成的第一步，故复合涂层中抗菌物质的良好抗黏附性能可以有效避免细菌生物膜建立[7]。② 释放安全性。抗菌物质的选择应充分考虑安全性，即无局部不良反应、无细胞毒性、不干扰骨结合。部分抗菌物质在释放过程中可能对周围组织产生影响，例如银离子及其纳米颗粒等抗菌物质虽然具有广谱抗菌性能、极少产生耐药菌株等优点，但过量释放对细胞具有毒性。
促成骨活性物质需具备要素：① 与抗菌物质广泛相容；② 良好生物相容性、无细胞毒性、促进骨诱导及骨整合；③ 可生物降解或可吸收，植入人体后不需再次手术取出；④ 具有抗生素递送和缓释功能。
1.2 抗菌/促成骨活性物质复合涂层构建工艺
良好的复合涂层构建工艺应具备稳定性和灵活性。稳定性主要包括复合涂层与钛基底结合紧密、涂层中抗菌物质与促成骨活性物质良好相容、涂层厚度均匀一致。灵活性即通过控制工艺参数能调整涂层中抗菌物质的含量以及植入体内后抗菌物质的释放速率。目前，构建复合涂层常用工艺包括逐层自组装技术、阳极氧化、微弧氧化、电泳沉积法等。① 逐层自组装技术是一种通过自发交替逐层沉积在固体载体上形成超薄膜（聚电解质多层膜）的方法，可以通过添加不同物质或调整自组装材料的物理和化学性质，实现针对性缓释给药[8]。② 阳极氧化是一种电化学工艺，通过改变阳极氧化过程中的电压等参数，可以在钛基植入物上制备均匀可控的TiO2纳米管。研究表明，TiO2纳米管不仅具有良好生物相容性和抗菌能力，还可用作抗菌剂载体[9]。③ 微弧氧化可通过改变电解质组成，将银、铜、锌等元素掺入涂层中，从而增强涂层抗菌能力与成骨能力。④ 电泳沉积法是一种通过直流电场将悬浮液中的粒子沉积在基材表面的技术，因可以在钛表面获得负载抗生素的复合涂层受到关注。与激光熔覆、等离子喷涂等技术相比，该方法主要优势在于可以在室温下多组分单步沉积复合涂层，可通过调整不同沉积参数（如施加的电压、时间、电极距离）或悬浮特性（浓度、PH值）来控制沉积在钛基材上的抗菌剂剂量，制备具有所需形态和涂层厚度受控的均匀涂层[10-11]。另外，碱热处理、溶胶-凝胶、电化学沉积、激光熔覆等技术也可用于构建钛基植入物表面的抗菌/促成骨复合涂层。
2 抗生素/促成骨活性物质复合涂层
抗生素与促成骨活性物质的复合涂层是目前钛基植入物表面最常见的抗菌/促成骨双功能改性策略。该复合涂层可采用逐层自组装技术、电泳沉积法、化学涂覆法、静电纺丝等工艺构建，通过物理吸附、共价接枝、TiO2纳米管等方式负载抗生素，尤其是TiO2纳米管负载抗生素，其优势在于涂层中抗生素的释放量与时间可通过控制纳米管直径和结构等参数来调节[12]；涂层负载的促成骨活性物质包括羟基磷灰石、丝素蛋白、多巴胺、壳聚糖。
2.1 抗生素涂层优势及种类
对于人工关节置换术等采用钛基植入物的手术，围术期通常全身应用抗生素（口服、肌肉注射、静脉注射）以减少内植物相关感染的发生[13]。然而，由于假体周围组织区域缺乏正常血供，全身递送方式难以使抗生素在该区域扩散。此外，长期过度使用抗生素可能导致耐药菌产生及血液、肝脏、肾脏等循环系统损伤。研究表明，相较于全身抗生素递送方式，钛基植入物表面的抗生素/促成骨活性物质复合涂层中的抗生素可以直接在假体周围释放，提高药物生物利用率，使内植物表面细菌浓度最小化，有效抑制生物膜形成，同时降低全身毒性[14]。
局部应用的抗生素应选择致敏性低、无局部不良反应、无细胞毒性、不干扰骨结合的广谱抗生素，在此基础上可根据疾病种类个体化选择。目前在钛基植入物表面的抗生素/促成骨活性物质复合涂层中多选择万古霉素[15]、庆大霉素、头孢类抗生素等。万古霉素是一种糖肽类抗生素，肽聚糖可干扰细菌细胞壁合成，与其他抗生素无交叉耐药性，耐药菌株极少，最适用于治疗和预防骨髓炎和深部感染[16]。兔胫骨骨髓炎模型研究表明，钛合金表面的万古霉素涂层可有效抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌导致的骨感染[17]。庆大霉素是一种广谱氨基糖苷类抗生素，可与不同抗生素联合使用，主要治疗由革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌和链球菌）引起的感染，目前已广泛用于钛基植入物的表面改性[18-19]。
2.2 促成骨活性物质种类
近年来，钛基植入物表面的抗菌/促成骨活性物质复合涂层相关研究中，研究较多的促成骨活性物质主要包括三类[20-21]。① 壳聚糖、透明质酸、丝素蛋白、明胶、聚乙二醇等天然或合成高分子材料。它们常用于构建药物载药涂层，不仅具有一定生物相容性，还可构建多孔结构以负载抗菌药物。② 生物陶瓷材料，主要包括生物活性玻璃、羟基磷灰石、可吸收磷酸钙等。③ 石墨烯及其衍生物的碳纳米材料，近年来因其良好的机械性能、抗菌性能和生物性能，被用作钛基植入物表面涂层并构建药物缓释系统。
2.3 抗生素/促成骨活性物质复合涂层种类
2.3.1 万古霉素/丝素蛋白
丝素蛋白是一种天然大分子材料，具有良好生物相容性和降解性，能促进骨骼和软骨再生，目前常通过3D生物打印、静电纺丝等技术制备丝素蛋白基支架[22-23]。Fathi等[12]采用静电纺丝技术制备丝素蛋白纤维，然后将其和万古霉素联合掺入钛基植入物表面的TiO2纳米管中，结果显示该复合涂层可以有效减少金黄色葡萄球菌的黏附，促进人骨肉瘤细胞（MG-63）的黏附、增殖。该研究还发现，TiO2纳米管和丝素蛋白纤维的直径、孔隙率等参数会影响抗生素的释放量与释放时间。有研究将丝素蛋白纤维和万古霉素联合固定在钛材料表面的TiO2纳米管中，结果表明该复合涂层能促进MG-63细胞的黏附和增殖，丝素纤维的使用使万古霉素突释率从裸钛的88%降为20%，并且万古霉素释放时间显著延长[24]。
由此可见，万古霉素/丝素蛋白复合涂层赋予了钛基植入物抗菌和促成骨性能，丝素蛋白纤维不仅提高了钛基植入物的生物相容性，还降低了涂层中抗生素的突释率，延长释放时间。另外丝素蛋白纤维内部结构、TiO2纳米管直径等参数也会影响复合涂层中抗生素的释放曲线。
2.3.2 万古霉素等抗生素/多巴胺
目前，多巴胺已广泛用于钛表面修饰，研究表明多巴胺涂层可提高钛基植入物表面的骨诱导能力[25]。多巴胺是一种接枝分子，通过多巴胺将抗生素接枝在钛表面后，抗生素可持续释放且在数天内维持局部高抗菌浓度[26-27]。近年来，有学者在钛基植入物表面设计了聚多巴胺与抗生素复合涂层，并探究该涂层抗菌与促成骨作用。 He等[26]通过调整多巴胺聚合时间和表面粗糙度，在钛基植入物表面构建了头孢噻肟钠/多巴胺复合涂层，发现该涂层具有良好抗菌和生物相容性。Zhang等[27]采用化学涂覆法在钛基植入物表面制备了米诺环素/聚多巴胺复合涂层，结果表明该涂层能促进人BMSCs黏附、增殖和矿化，降低变异链球菌的附着率。
另外，多巴胺分子中含有多种官能团，可物理或化学键合其他具有高生物相容性的化合物，例如多巴胺功能化的透明质酸（sulphated hyaluronic acid-dopamine，sHA-DA）。Guarise等[28]在钛基植入物表面制备了万古霉素/sHA-DA复合涂层，研究表明该复合涂层能在体内有效对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌导致的急性局部细菌感染，同时促进钛基植入物表面骨生长。He等[29]通过交替沉积技术将多巴胺和透明质酸固定在载万古霉素的钛纳米管表面，显示该涂层具有更高的载药量和更稳定的万古霉素释放曲线，体外抗菌实验显示该涂层能抑制金黄色葡萄球菌生长，大鼠骨感染种植体模型实验显示钛基植入物周围无骨髓炎及骨膜反应，且骨整合性能更好。因此，在抗生素/多巴胺复合涂层中，多巴胺不仅能作为活性物质单独应用，还可利用其自身官能团的优势联合透明质酸等高生物相容性化合物，在构建钛基植入物表面抗菌/促成骨复合涂层中具有极大应用潜力。
2.3.3 万古霉素等抗生素/壳聚糖
壳聚糖是一种生物聚合物，具有良好生物相容性、可降解性、无毒性和抗菌性能，已被广泛用作抗生素载体[30]。虽然载有抗生素的壳聚糖涂层已被证明具有强抗感染能力，但单纯壳聚糖/抗生素复合涂层中抗生素的初始释放率依然过高[31-34]。
因此，有学者开始尝试在单纯壳聚糖/抗生素复合涂层中掺入生物活性玻璃[35-36]、明胶[37]、二氧化硅[38]、羟基磷灰石[39]等物质，探究能否进一步控制抗生素释放速率、周期以及提高生物相容性。Ordikhani等[35]采用电泳沉积法在壳聚糖/万古霉素复合涂层中添加生物活性玻璃，该涂层表现出更好的细胞亲和性，药物初始突释率约40%，随后超过4周连续洗脱，证明了其长期药物递送潜力，并且对金黄色葡萄球菌抗菌率达100%。Patel等[36]在氨苄青霉素/壳聚糖复合涂层中添加生物活性玻璃后，氨苄青霉素释放长达10～11周，且该涂层能促进MC3T3-E1细胞的黏附、增殖和成骨分化。他们的另一项研究在氨苄青霉素/壳聚糖复合涂层中添加明胶，观察发现该涂层不仅能促进成骨细胞黏附和增殖，还能通过调整电泳沉积工艺参数和涂层中明胶含量，控制氨苄青霉素释放速率，改善药物释放曲线[37]。Yang等[39]在万古霉素/壳聚糖复合涂层中添加羟基磷灰石后，抗生素突释率由80%降为55%，且释放更持久稳定，体外细胞实验和动物实验均表明该涂层能促进成骨样细胞增殖、分化和矿化，有效预防和治疗骨髓炎。Tang等[40]在庆大霉素/壳聚糖复合涂层中添加中草药柚皮苷和明胶后，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率分别达72.16%和65.9%，并且能促进成骨细胞黏附、增殖和分化。
综上，在单纯抗生素/壳聚糖复合涂层中额外添加生物活性玻璃、羟基磷灰石、明胶、壳聚糖等活性物质，不仅能显著提升钛基植入物生物相容性，还能降低抗生素初始突释率、延长抗菌时间。
2.3.4 万古霉素/其他促成骨活性物质
大量体内外实验表明，庆大霉素/羟基磷灰石或万古霉素/羟基磷灰石复合涂层可以达到良好抗菌和促成骨目的，且采用TiO2纳米管负载药物的方式展现出更长的抗生素释放时间[41-43]。另外，氧化石墨烯/明胶/装有万古霉素的TiO2纳米管复合涂层[44]、胶原蛋白/羟基磷灰石/万古霉素复合涂层[45]、琼脂糖水凝胶/庆大霉素复合涂层[46]等均展现出了良好的生物性能与药物缓释能力。
3 抗菌肽/促成骨活性物质复合涂层
相较抗生素，抗菌肽具有广泛抗菌谱，细菌不易对其产生耐药性，可以通过灵活设计氨基酸序列，获得具有抗炎、抗氧化等生物学功能更丰富的抗菌肽[47]。抗菌肽能有效避免细菌耐药的主要机制是其破坏细胞膜非常快，不会进入细菌内部，因此可以在不激活适应性免疫情况下达到抗菌效果。近年来，有学者采用将抗菌肽与羟基磷灰石、磷酸钙、丝素蛋白、BMP-2等促成骨活性物质复合构建涂层。Abbasizadeh等[48]采用静电纺丝技术在钛表面构建抗菌肽（HHC-36）/丝素蛋白/羟基磷灰石复合涂层，结果表明该涂层能有效诱导成骨细胞分化，同时保持抗菌活性长达21 d。Liu等[49]在钛表面构建HBD-3（一类广谱抗菌多肽）/BMP-2/羟基磷灰石纳米颗粒复合涂层后，与大肠杆菌、金黄色葡萄球菌共孵育7 d，结果显示钛基植入物不仅表面无活细菌，还能促人BMSCs黏附、增殖和成骨分化。
除上述策略外，还有学者尝试将双肽（抗菌肽及具有促成骨活性的肽）联合固定在钛表面。Tang等[50]采用阳极氧化工艺通过聚多巴胺将抗菌肽（GL13K）与骨形成肽1联合涂层于经双酸蚀刻的钛表面，抗菌性能测试显示该涂层对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到60.24%和68.46%。Wang等[51]采用同样工艺将抗菌肽（HHC36肽）和促成骨肽（RGD肽）加入多孔钛合金表面的钛酸锶纳米管中，抗菌性能测试显示该涂层对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过95%，成骨性能测试显示该涂层能够促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和成骨分化。
4 无机抗菌剂/促成骨活性物质复合涂层
4.1 无机金属元素/促成骨活性物质复合涂层
由于抗生素耐药细菌菌株日益发展，当前耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等细菌引起的感染治疗复杂。相较上述抗生素/促成骨活性物质复合涂层策略，基于抗菌金属元素（抗菌金属纳米颗粒、离子及其氧化物）涂层的优势在于其广谱抗菌性和多种抗菌机制，并且细菌几乎不对其产生耐药性[52]。目前研究常用于构建该类复合涂层的金属元素包括银、锌、铜等。
然而，从毒理学角度分析，高剂量应用银等金属纳米颗粒通常伴随着对真核细胞和原核细胞的毒性作用[53]。因此，在使用金属纳米颗粒作为钛表面涂层的抗菌组分时，必须尽可能避免其高剂量释放导致的细胞毒性作用。为此，研究者们将金属纳米颗粒与羟基磷灰石、多巴胺、丝素蛋白等活性物质进行联合涂层，尝试在保留涂层抗菌性能的同时减少金属离子带来的细胞毒性。
4.1.1 银/促成骨活性物质复合涂层
银纳米颗粒是研究最广泛的金属纳米颗粒抗菌剂，具有广谱抗菌性能、细胞毒性低、稳定性强、极少产生耐药菌株等特点。然而，银对细胞具有毒性，过量的银纳米颗粒会导致正常细胞凋亡或坏死，降低植入物生物相容性，研究表明细胞毒性和抗菌作用都与银纳米颗粒从钛表面释放方式密切相关[54]。
因此，为了避免银离子的爆发性释放，目前常采用将银纳米颗粒与羟基磷灰石[55-57]、磷酸钙[58-59]、丝素蛋白[60]、多巴胺[61]、壳聚糖[62]等活性物质联合涂层，或将银纳米颗粒加载到TiO2纳米管中[63-64]的涂层策略，从而减少银纳米颗粒的暴露，降低银离子释放速率，使银离子持续稳定向周围组织中释放，降低细胞毒性的同时延长抗菌效果。见表1。
表1
常见钛基植入物表面基于银元素的抗菌/促成骨改性策略
Table1.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on silver on titanium-based implants
4.1.2 锌/促成骨活性物质复合涂层
锌是人体内一种微量元素，约30%储存在骨骼中，是许多参与骨代谢蛋白质的必需辅因子，其含量病理性降低会损害骨骼生长[65]。氧化锌纳米颗粒是一种常见的含锌金属氧化物纳米颗粒，毒性低、生物相容性好，可以加速骨骼生长和矿化，并且具有良好抗菌性能[66]。体外研究表明，钛合金表面的锌离子或氧化锌纳米颗粒涂层具有良好抗菌能力和生物相容性[67-68]。为进一步提高钛合金表面锌涂层抗菌与成骨性能，目前常将锌涂层与羟基磷灰石纳米颗粒 [69-70]、壳聚糖 [71-72]、TiO2纳米管[73]及其他活性物质[74]联合涂层。见表2。
表2
常见钛基植入物表面基于锌元素的抗菌/促成骨改性策略
Table2.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on zinc on titanium-based implants
4.1.3 铜/促成骨活性物质复合涂层
铜是金属材料中的合金元素，也是人体必需元素，已被证明具有促进成骨和抗菌能力，还可通过刺激内皮细胞来促进血管生成[75-76]。近年来，有学者尝试在钛合金表面铜涂层的基础上联合TiO2涂层[77]或添加羟基磷灰石[78]、磷酸钙[79]等生物活性物质。另外，将铜结合到钛材质的医疗器械中以增强其抗菌活性已引起广泛关注，例如钛铜合金。研究表明，钛铜合金在体内外均具有优异抗菌性能[80]，因此近年来学者们致力于研究钛铜合金的表面改性策略，希望在保留钛铜合金抗菌性能的同时提高其生物相容性。有研究表明，在钛铜合金表面制备的氧化铜/氧化亚铜等基于铜离子释放的涂层，能够促进人脐静脉内皮细胞与MC3T3-E1细胞增殖，从而改善钛铜合金的成骨诱导能力[76, 81]。还有研究者通过喷砂和酸蚀工艺对钛铜合金进行表面改性后，发现该复合涂层能促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和成骨分化，对金黄色葡萄球菌的抑制作用显著提高[82]，在种植体周围炎症的动物模型中能有效抵抗细菌感染引起的骨吸收，同时促进骨整合[75]。见表3。
表3
常见钛基植入物表面基于铜元素的抗菌/促成骨改性策略
Table3.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on copper on titanium-based implants
4.1.4 其他无机金属元素/促成骨活性物质复合涂层
镁是人体必需的微量元素，67%储存在骨骼中，具有抗菌活性，主要作用机制是镁离子能牢固吸附并穿透细菌的细胞壁，降解病原菌的蛋白质，使细菌细胞合成酶活性丧失，导致细菌失去增殖能力并死亡；另外镁离子可以促进人成骨细胞整合素的表达，增强成骨细胞的黏附[70，83]。钛合金表面镁离子涂层已被证明具有良好的生物相容性和抗菌能力[84-86]。近年来，学者们将镁离子涂层和具有高生物相容性或协同抗菌能力的物质联合涂层，希望进一步提高钛合金表面镁基涂层的抗菌和促成骨性能。
钽、锰等其他元素也被尝试应用于钛表面的涂层中。研究表明钽具有阻止生物膜形成的抗菌特性，Zhang等[87]采用磁控溅射技术将其注入到钛盘上，体内外实验结果显示该涂层对具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌具有良好的抗菌活性，通过刺激骨形成蛋白的表达促进种植体的骨整合。Zhao等[88]采用微弧氧化工艺将锰离子掺入钛基植入物具有微孔结构的TiO2涂层中，显示涂层中的锰离子能够稳定释放，抑制大肠杆菌在其表面的生长，促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和分化。见表4。
表4
常见钛基植入物表面基于镁元素的抗菌/促成骨改性策略
Table4.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on magnesium on titanium-based implants
4.2 非金属无机物/促成骨活性物质复合涂层
无机生物元素的加载是增强钛种植体抗菌和成骨活性的潜在途径，常用于钛基表面改性的无机元素有氟、氮、硅、磷、钙、硒等，无机化合物有磷酸钙、氮化硅、硅酸钙、石墨烯等。
研究表明，硒纳米颗粒表现出强大的抗菌活性，然而高剂量硒有毒性。Zhou等[91]采用微弧氧化法将不同含量的硒和固定剂量磷酸钙掺入钛表面的微孔TiO2涂层中，发现适当剂量硒可促进BMSCs成骨分化，且对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率达90%以上。氟不仅具有优异的细胞相容性，而且具有良好的抗菌能力，是人体骨骼中必需微量元素，在调节成骨中起着重要作用。Zhou等[92]将不同含量的氟和固定剂量磷酸钙掺入钛表面的微孔TiO2涂层中，发现适当剂量氟能够提高植入物的抗菌和成骨活性。Auñón等[93]采用阳极氧化在钛合金表面制备了含氟和磷的TiO2纳米管，然后在纳米管中负载了庆大霉素/万古霉素，动物体内研究表明该涂层可预防金黄色葡萄球菌引起的假体周围感染，且与未涂层的钛合金相比，体外细胞相容性增强。
此外，也有学者在钛表面制备了氮化硅、硅酸钙、石墨烯等无机物，经过测试均展现出良好的抗菌效能及成骨效能。Zanocco等[94]在钛基表面制备了致密的氮化硅涂层，体外实验证实该涂层能抑制表皮葡萄球菌的黏附和增殖，促进人成骨肉瘤细胞（Saos-2）在其表面的成骨效率。Buga等[95]采用电喷雾沉积法在钛合金表面制备了硅酸钙涂层，体外抗菌实验表明与未涂层组钛合金相比，硅酸钙表面抗菌率更高；与人MSCs共培养14 d后，涂层组表面人MSCs的ALP水平比未涂层组高13%。Gu等[96]采用化学气相沉积和热处理法在纯钛盘表面制备了石墨烯涂层，体外抗菌实验表明与未涂层组钛相比，石墨烯涂层表面菌落数更少，并且能增强人脂肪源性干细胞和人BMSCs黏附、成骨分化。
4.3 多种无机元素/促成骨活性物质复合涂层
除了基于银、锌、铜、镁、硅等单一元素的抗菌/促成骨改性策略外，有研究者尝试将两种及以上元素组合涂层，探究多种元素联合涂层时对钛基植入物抗菌性能和生物相容性的影响，目前最常见的是锶/银[97-98]、镁/银[99]、锌/银[100-102]、钽/铜[103]、镁/铜[104]、铜/锶[105]、镓/锶[106]、铜/锌[107]等组合。
此外，也有研究者将非金属元素加入金属组合元素涂层中。Zhou等[108]将钙、磷、钴、氟和锶联合固定在钛表面的微孔TiO2涂层中，结果表明这种涂层能促进BMSCs增殖、成骨分化和兔股骨植入物模型中的骨整合，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌灭杀能力高。Zhao等[109]用微弧氧化法将镁、铜、氟联合固定在钛表面的微孔TiO2涂层中，结果表明这种涂层对金黄色葡萄球菌的抗菌率高达90.8%±3.2%，同时能够促进MC3T3-E1细胞的黏附、增殖、分化及矿化。
有学者对涂层中多种金属离子的比例及含量对钛合金的抗菌/促成骨性能影响进行了更深入研究。Han等[99]将不同比例的镁、银离子注入钛基植入物表面的氮化钛涂层中，探究两者比例对钛基植入物细胞黏附和抗菌性能的影响，结果表明，镁、银离子为1∶1时，钛合金表现出最佳的生物相容性和抗菌活性。Cheng等[97]将不同剂量的锶和银固定在钛表面TiO2纳米管中，结果表明当改变锶和银的含量及纳米管直径时，钛基植入物的抗菌性能和大鼠胫骨植入物模型中的骨整合程度也会发生变化。Wolf-Brandstetter等[110]在钛表面制备了含有铜和锌的磷酸钙涂层，通过电化学沉积工艺调节涂层中铜和锌的含量，结果表明高锌和高铜含量的钛表面细菌覆盖率最低，而高锌和低铜含量的钛表面对人BMSCs的成骨刺激效果最佳。Zhang等[107]采用微弧氧化技术将不同剂量的铜和锌固定在钛表面TiO2涂层中，结果表明当涂层中锌含量低时，金黄色葡萄球菌对铜离子的减少量非常敏感；而当涂层中锌含量增高时，锌离子在促进成纤维细胞功能和抑制金黄色葡萄球菌中起关键作用。Zhang等[102]将不同剂量的羟基磷灰石纳米颗粒、银、氧化锌纳米颗粒采用激光熔覆法固定在钛上，结果表明当银/氧化锌/羟基磷灰石的质量分数比为7∶3∶90时，表现出最佳的抗菌功效和成骨能力，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为96.5%和85.8%，兔股骨植入物模型显示这种比例的涂层具有良好的骨诱导性能和骨整合能力。综上，通过调整工艺可以调节涂层中金属的含量配比，且涂层中多种金属离子的比例及含量是影响钛合金整体抗菌和成骨性能的重要因素之一。见表5。
表5
常见钛基植入物表面基于多种无机元素组合的抗菌/促成骨改性策略
Table5.
Common antibacterial/oeteogenesis modification strategies based on inorganic substances combination on titanium-based implants
5 有机金属骨架（metal organic frameworks，MOFs）/促成骨活性物质复合涂层
MOFs是一种新型抗菌剂，是金属离子的“仓库”，随着MOFs降解，其中的金属离子能够持续释放。研究表明MOFs的高比表面积和大孔隙率有利于金属纳米颗粒和生物分子等抗菌物质的有效封装和传输，因此利用MOFs对钛基植入物进行表面改性近年来受到越来越多的关注[112]。MOFs涂层可通过设计内部组分进行灵活调整，最终使钛基植入物整体兼具抗菌和促成骨能力，常见策略是在MOFs涂层设计过程中添加氟 [113]、锌 [114]、镁 [115]或在MOFs表面添加羟基磷灰石[116]等活性物质。见表6。
表6
钛基植入物表面基于MOFs的抗菌/促成骨改性策略
Table6.
Antibacterial/osteogenesis modification strategies of titanium-based implants based on metal organic frameworks
6 有机物/促成骨活性物质复合涂层
季铵化合物具有带正电荷的季铵基团，可以改变带负电荷细菌的膜渗透性，从而导致细胞质渗漏和细菌死亡，已被证明具有广谱抗菌性[117]。然而，季铵化合物本身没有促成骨活性，常需联合其他策略以达到钛基植入物表面具有促成骨能力的目的，例如对钛合金进行低温等离子体处理、在涂层中添加羟基磷灰石等活性物质。
Zhou等[118]将有机硅连接的季铵盐抗菌剂固定在经低温等离子体处理的钛表面，结果表明与未处理组相比，该涂层表面的BMSCs增殖能力提高了40%，同时能有效抑制金黄色葡萄球菌在其表面的增殖。Zhang等[119]采用层层自组装法将含有阳离子的季铵盐和负离子的羧基联合固定在钛表面，其中正电荷的季铵盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的体外抗菌性能，而带负电荷的羧基能够提高该涂层的骨诱导能力。Zhou等[120]将DMADDM（一种季铵盐型抗菌单体）和羟基磷灰石通过聚多巴胺聚合负载到钛表面，证实这种涂层具有抗菌和促成骨的“两阶段”能力，即在大鼠骨髓炎种植体模型植入后4周的高感染风险第1阶段释放DMADDM，能够有效抑制钛基植入物表面生物膜及周围浮游致病菌，第2阶段在经过 4 周释放后，能够促进人BMSCs 的成骨分化及大鼠股骨植体周围的新骨形成。Lin等[121]也进行了类似研究，他们采用层层自组装和多巴胺聚合法将季铵化羧甲基壳聚糖、胶原蛋白和羟基磷灰石联合固定在钛表面，在大鼠股骨感染种植体模型植入术后前4周，展现出接触杀灭和释放杀灭金黄色葡萄球菌特性，在4周后第2阶段，羟基磷灰石在感染有效控制下展现出增强成骨和促进骨结合的能力。
有机高分子化合物聚乙二醇是一种无毒、生物相容且高度亲水的抗生物污垢剂，能有效地减少细菌的非特异性吸附[122]。有学者创新性地将聚乙二醇与羟基磷灰石[123]、天冬氨酸+丝氨酸+丝氨酸的八联复合体[124]等生物相容性高的物质联合固定在钛表面，证实这种涂层具有良好的抗菌和成骨能力。另外有学者发现N-卤胺具有类似金属离子、季铵盐等物质的抗菌活性，它是包含一个或多个氮-卤素共价键的化合物，N-卤胺中的卤素通常包括氯、溴和碘，其中氯最常见[125]。Lan等[126]利用聚多巴胺将N-卤胺接枝到碱热处理的钛表面，结果证明该涂层具有良好抗菌性能和生物相容性。见表7。
表7
钛基植入物表面基于有机物的抗菌/促成骨改性策略
Table7.
Antibacterial/osteogenesis modification strategies based on organic substances on titanium-based implants
7 总结与展望
理想的抗菌/促成骨复合涂层应具有良好抗菌性能，在体外能促进成骨细胞黏附和增殖，在体内安全、稳定和有效。
在实验研究方面，目前对于钛基植入物表面双功能涂层中抗生素、金属纳米颗粒等抗菌物质的释放研究多局限在体外释放动力学，在体内的释放动力学研究较少，且实验菌几乎只采用了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，未能真正充分模仿体内的生物膜模型。因此，未来希望通过建立更可靠的体内释放学评价体系来研究改性钛种植体周围组织的不良反应，建立更完善的感染性骨缺损模型，探究其抗菌和成骨能力。另外，目前钛基植入物表面抗菌/促成骨双功能改性研究均在基础研究阶段，没有在临床上得到验证，未来需要更多的临床研究来充分解决并验证这些问题。对于钛基材料本身，目前实验研究几乎都采用了纯钛或Ti6Al4V合金，其弹性模量比骨更高，容易产生应力屏蔽现象，且其中铝（Al）元素和钒（V）元素对周围组织有潜在毒性作用，未来希望通过3D打印等技术开发无毒、耐磨及耐腐蚀性更好、与骨组织生物力学相仿的钛合金材料[127]。
在工艺方面，阳极氧化、微弧氧化等方法已经趋于成熟，例如阳极氧化工艺制备的TiO2纳米管，通过调整TiO2纳米管的直径等参数能够控制抗菌药物的载荷和释放。但目前构建抗菌/促成骨双功能涂层的部分制备工艺操作仍较复杂且有自身局限性。复杂性在于当赋予涂层多功能特性的同时，通常会使用两种或多种技术，从而增加了钛基植入物构建步骤和时间。另外部分工艺具有局限性，例如喷砂和酸蚀刻工艺对形成的涂层表面孔径和分布无法控制；等离子喷涂技术在钛基植入物表面涂层展现出较差的黏合强度，并且此类需高温加工的工艺可能会影响药物抗菌与缓释能力；层层自组装等技术若加工条件不严格会导致涂层脱落，容易导致抗菌药物丢失。磁控溅射等工艺成本高，所需设备昂贵。因此，未来需进一步优化工艺参数，以改善对抗菌药物的控释及增强涂层与钛基体的结合强度。最后，还需要考虑降低工艺成本，以便大规模制备涂层。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；课题经费支持没有影响文章观点及其报道
作者贡献声明 刘鹏：综述资料收集、总结、撰写；樊博：资料筛选，参与观点形成、文章审阅以及基金支持；高秋明、吕利军、邹磊：参与文章结构梳理以及逻辑形成
钛基植入物是骨科应用最广泛的内植物类型，例如钛合金髓内钉、钛合金关节和人工椎体等，具有高强度、耐腐蚀性好、力学性能与骨组织相近等优势[1-3]。但钛基植入物应用时仍存在两方面问题：第一，其表面具有生物惰性，植入体内后与周围骨组织整合较差，甚至发生无菌性松动。第二，植入体内后存在感染风险，是目前骨科手术后最严重并发症之一。主要发生机制是细菌黏附于钛基植入物表面后会形成生物膜并繁殖，阻碍成骨细胞黏附，最终导致植入物周围组织感染；而生物膜难清除，对抗生素有极强耐药性，增加了治疗难度[4-5]。
为克服上述两大难题，近年来诸多学者尝试对钛基植入物进行表面改性。例如，在钛基植入物表面制备羟基磷灰石等促成骨活性涂层，以达到增强骨整合目的；或采用二氧化钛（TiO2）纳米管负载抗菌药物的表面改性方式，以达到避免感染的目的。然而，上述单一功能改性处理无法同时满足抗菌、促进成骨等多种临床要求。因此，钛基植入物表面抗菌/促成骨双功能改性受到越来越多关注，主要通过表面改性方式将抗菌物质与促成骨活性物质联合固定在钛表面，达到避免感染和促进骨整合的双重目的。现回顾相关文献，总结目前钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性策略，以供后续研究参考。
1 钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性要素及构建工艺
1.1 抗菌物质及促成骨活性物质需具备要素
目前，钛基植入物抗菌/促成骨双功能表面改性中常用抗菌物质包括抗生素（万古霉素、庆大霉素）、抗菌肽、无机抗菌剂（金属纳米颗粒及离子、氮化硅、石墨烯等）、有机抗菌剂（季铵化合物、聚乙二醇、N-卤胺）等。理想的抗菌物质应具备以下两个特点：① 对细菌有良好的抗黏附和清除性能。研究表明，植入物表面的多细胞生物膜可以保护细菌免受宿主免疫系统侵害[6]，且由于细菌黏附是生物膜形成的第一步，故复合涂层中抗菌物质的良好抗黏附性能可以有效避免细菌生物膜建立[7]。② 释放安全性。抗菌物质的选择应充分考虑安全性，即无局部不良反应、无细胞毒性、不干扰骨结合。部分抗菌物质在释放过程中可能对周围组织产生影响，例如银离子及其纳米颗粒等抗菌物质虽然具有广谱抗菌性能、极少产生耐药菌株等优点，但过量释放对细胞具有毒性。
促成骨活性物质需具备要素：① 与抗菌物质广泛相容；② 良好生物相容性、无细胞毒性、促进骨诱导及骨整合；③ 可生物降解或可吸收，植入人体后不需再次手术取出；④ 具有抗生素递送和缓释功能。
1.2 抗菌/促成骨活性物质复合涂层构建工艺
良好的复合涂层构建工艺应具备稳定性和灵活性。稳定性主要包括复合涂层与钛基底结合紧密、涂层中抗菌物质与促成骨活性物质良好相容、涂层厚度均匀一致。灵活性即通过控制工艺参数能调整涂层中抗菌物质的含量以及植入体内后抗菌物质的释放速率。目前，构建复合涂层常用工艺包括逐层自组装技术、阳极氧化、微弧氧化、电泳沉积法等。① 逐层自组装技术是一种通过自发交替逐层沉积在固体载体上形成超薄膜（聚电解质多层膜）的方法，可以通过添加不同物质或调整自组装材料的物理和化学性质，实现针对性缓释给药[8]。② 阳极氧化是一种电化学工艺，通过改变阳极氧化过程中的电压等参数，可以在钛基植入物上制备均匀可控的TiO2纳米管。研究表明，TiO2纳米管不仅具有良好生物相容性和抗菌能力，还可用作抗菌剂载体[9]。③ 微弧氧化可通过改变电解质组成，将银、铜、锌等元素掺入涂层中，从而增强涂层抗菌能力与成骨能力。④ 电泳沉积法是一种通过直流电场将悬浮液中的粒子沉积在基材表面的技术，因可以在钛表面获得负载抗生素的复合涂层受到关注。与激光熔覆、等离子喷涂等技术相比，该方法主要优势在于可以在室温下多组分单步沉积复合涂层，可通过调整不同沉积参数（如施加的电压、时间、电极距离）或悬浮特性（浓度、PH值）来控制沉积在钛基材上的抗菌剂剂量，制备具有所需形态和涂层厚度受控的均匀涂层[10-11]。另外，碱热处理、溶胶-凝胶、电化学沉积、激光熔覆等技术也可用于构建钛基植入物表面的抗菌/促成骨复合涂层。
2 抗生素/促成骨活性物质复合涂层
抗生素与促成骨活性物质的复合涂层是目前钛基植入物表面最常见的抗菌/促成骨双功能改性策略。该复合涂层可采用逐层自组装技术、电泳沉积法、化学涂覆法、静电纺丝等工艺构建，通过物理吸附、共价接枝、TiO2纳米管等方式负载抗生素，尤其是TiO2纳米管负载抗生素，其优势在于涂层中抗生素的释放量与时间可通过控制纳米管直径和结构等参数来调节[12]；涂层负载的促成骨活性物质包括羟基磷灰石、丝素蛋白、多巴胺、壳聚糖。
2.1 抗生素涂层优势及种类
对于人工关节置换术等采用钛基植入物的手术，围术期通常全身应用抗生素（口服、肌肉注射、静脉注射）以减少内植物相关感染的发生[13]。然而，由于假体周围组织区域缺乏正常血供，全身递送方式难以使抗生素在该区域扩散。此外，长期过度使用抗生素可能导致耐药菌产生及血液、肝脏、肾脏等循环系统损伤。研究表明，相较于全身抗生素递送方式，钛基植入物表面的抗生素/促成骨活性物质复合涂层中的抗生素可以直接在假体周围释放，提高药物生物利用率，使内植物表面细菌浓度最小化，有效抑制生物膜形成，同时降低全身毒性[14]。
局部应用的抗生素应选择致敏性低、无局部不良反应、无细胞毒性、不干扰骨结合的广谱抗生素，在此基础上可根据疾病种类个体化选择。目前在钛基植入物表面的抗生素/促成骨活性物质复合涂层中多选择万古霉素[15]、庆大霉素、头孢类抗生素等。万古霉素是一种糖肽类抗生素，肽聚糖可干扰细菌细胞壁合成，与其他抗生素无交叉耐药性，耐药菌株极少，最适用于治疗和预防骨髓炎和深部感染[16]。兔胫骨骨髓炎模型研究表明，钛合金表面的万古霉素涂层可有效抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌导致的骨感染[17]。庆大霉素是一种广谱氨基糖苷类抗生素，可与不同抗生素联合使用，主要治疗由革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌和链球菌）引起的感染，目前已广泛用于钛基植入物的表面改性[18-19]。
2.2 促成骨活性物质种类
近年来，钛基植入物表面的抗菌/促成骨活性物质复合涂层相关研究中，研究较多的促成骨活性物质主要包括三类[20-21]。① 壳聚糖、透明质酸、丝素蛋白、明胶、聚乙二醇等天然或合成高分子材料。它们常用于构建药物载药涂层，不仅具有一定生物相容性，还可构建多孔结构以负载抗菌药物。② 生物陶瓷材料，主要包括生物活性玻璃、羟基磷灰石、可吸收磷酸钙等。③ 石墨烯及其衍生物的碳纳米材料，近年来因其良好的机械性能、抗菌性能和生物性能，被用作钛基植入物表面涂层并构建药物缓释系统。
2.3 抗生素/促成骨活性物质复合涂层种类
2.3.1 万古霉素/丝素蛋白
丝素蛋白是一种天然大分子材料，具有良好生物相容性和降解性，能促进骨骼和软骨再生，目前常通过3D生物打印、静电纺丝等技术制备丝素蛋白基支架[22-23]。Fathi等[12]采用静电纺丝技术制备丝素蛋白纤维，然后将其和万古霉素联合掺入钛基植入物表面的TiO2纳米管中，结果显示该复合涂层可以有效减少金黄色葡萄球菌的黏附，促进人骨肉瘤细胞（MG-63）的黏附、增殖。该研究还发现，TiO2纳米管和丝素蛋白纤维的直径、孔隙率等参数会影响抗生素的释放量与释放时间。有研究将丝素蛋白纤维和万古霉素联合固定在钛材料表面的TiO2纳米管中，结果表明该复合涂层能促进MG-63细胞的黏附和增殖，丝素纤维的使用使万古霉素突释率从裸钛的88%降为20%，并且万古霉素释放时间显著延长[24]。
由此可见，万古霉素/丝素蛋白复合涂层赋予了钛基植入物抗菌和促成骨性能，丝素蛋白纤维不仅提高了钛基植入物的生物相容性，还降低了涂层中抗生素的突释率，延长释放时间。另外丝素蛋白纤维内部结构、TiO2纳米管直径等参数也会影响复合涂层中抗生素的释放曲线。
2.3.2 万古霉素等抗生素/多巴胺
目前，多巴胺已广泛用于钛表面修饰，研究表明多巴胺涂层可提高钛基植入物表面的骨诱导能力[25]。多巴胺是一种接枝分子，通过多巴胺将抗生素接枝在钛表面后，抗生素可持续释放且在数天内维持局部高抗菌浓度[26-27]。近年来，有学者在钛基植入物表面设计了聚多巴胺与抗生素复合涂层，并探究该涂层抗菌与促成骨作用。 He等[26]通过调整多巴胺聚合时间和表面粗糙度，在钛基植入物表面构建了头孢噻肟钠/多巴胺复合涂层，发现该涂层具有良好抗菌和生物相容性。Zhang等[27]采用化学涂覆法在钛基植入物表面制备了米诺环素/聚多巴胺复合涂层，结果表明该涂层能促进人BMSCs黏附、增殖和矿化，降低变异链球菌的附着率。
另外，多巴胺分子中含有多种官能团，可物理或化学键合其他具有高生物相容性的化合物，例如多巴胺功能化的透明质酸（sulphated hyaluronic acid-dopamine，sHA-DA）。Guarise等[28]在钛基植入物表面制备了万古霉素/sHA-DA复合涂层，研究表明该复合涂层能在体内有效对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌导致的急性局部细菌感染，同时促进钛基植入物表面骨生长。He等[29]通过交替沉积技术将多巴胺和透明质酸固定在载万古霉素的钛纳米管表面，显示该涂层具有更高的载药量和更稳定的万古霉素释放曲线，体外抗菌实验显示该涂层能抑制金黄色葡萄球菌生长，大鼠骨感染种植体模型实验显示钛基植入物周围无骨髓炎及骨膜反应，且骨整合性能更好。因此，在抗生素/多巴胺复合涂层中，多巴胺不仅能作为活性物质单独应用，还可利用其自身官能团的优势联合透明质酸等高生物相容性化合物，在构建钛基植入物表面抗菌/促成骨复合涂层中具有极大应用潜力。
2.3.3 万古霉素等抗生素/壳聚糖
壳聚糖是一种生物聚合物，具有良好生物相容性、可降解性、无毒性和抗菌性能，已被广泛用作抗生素载体[30]。虽然载有抗生素的壳聚糖涂层已被证明具有强抗感染能力，但单纯壳聚糖/抗生素复合涂层中抗生素的初始释放率依然过高[31-34]。
因此，有学者开始尝试在单纯壳聚糖/抗生素复合涂层中掺入生物活性玻璃[35-36]、明胶[37]、二氧化硅[38]、羟基磷灰石[39]等物质，探究能否进一步控制抗生素释放速率、周期以及提高生物相容性。Ordikhani等[35]采用电泳沉积法在壳聚糖/万古霉素复合涂层中添加生物活性玻璃，该涂层表现出更好的细胞亲和性，药物初始突释率约40%，随后超过4周连续洗脱，证明了其长期药物递送潜力，并且对金黄色葡萄球菌抗菌率达100%。Patel等[36]在氨苄青霉素/壳聚糖复合涂层中添加生物活性玻璃后，氨苄青霉素释放长达10～11周，且该涂层能促进MC3T3-E1细胞的黏附、增殖和成骨分化。他们的另一项研究在氨苄青霉素/壳聚糖复合涂层中添加明胶，观察发现该涂层不仅能促进成骨细胞黏附和增殖，还能通过调整电泳沉积工艺参数和涂层中明胶含量，控制氨苄青霉素释放速率，改善药物释放曲线[37]。Yang等[39]在万古霉素/壳聚糖复合涂层中添加羟基磷灰石后，抗生素突释率由80%降为55%，且释放更持久稳定，体外细胞实验和动物实验均表明该涂层能促进成骨样细胞增殖、分化和矿化，有效预防和治疗骨髓炎。Tang等[40]在庆大霉素/壳聚糖复合涂层中添加中草药柚皮苷和明胶后，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率分别达72.16%和65.9%，并且能促进成骨细胞黏附、增殖和分化。
综上，在单纯抗生素/壳聚糖复合涂层中额外添加生物活性玻璃、羟基磷灰石、明胶、壳聚糖等活性物质，不仅能显著提升钛基植入物生物相容性，还能降低抗生素初始突释率、延长抗菌时间。
2.3.4 万古霉素/其他促成骨活性物质
大量体内外实验表明，庆大霉素/羟基磷灰石或万古霉素/羟基磷灰石复合涂层可以达到良好抗菌和促成骨目的，且采用TiO2纳米管负载药物的方式展现出更长的抗生素释放时间[41-43]。另外，氧化石墨烯/明胶/装有万古霉素的TiO2纳米管复合涂层[44]、胶原蛋白/羟基磷灰石/万古霉素复合涂层[45]、琼脂糖水凝胶/庆大霉素复合涂层[46]等均展现出了良好的生物性能与药物缓释能力。
3 抗菌肽/促成骨活性物质复合涂层
相较抗生素，抗菌肽具有广泛抗菌谱，细菌不易对其产生耐药性，可以通过灵活设计氨基酸序列，获得具有抗炎、抗氧化等生物学功能更丰富的抗菌肽[47]。抗菌肽能有效避免细菌耐药的主要机制是其破坏细胞膜非常快，不会进入细菌内部，因此可以在不激活适应性免疫情况下达到抗菌效果。近年来，有学者采用将抗菌肽与羟基磷灰石、磷酸钙、丝素蛋白、BMP-2等促成骨活性物质复合构建涂层。Abbasizadeh等[48]采用静电纺丝技术在钛表面构建抗菌肽（HHC-36）/丝素蛋白/羟基磷灰石复合涂层，结果表明该涂层能有效诱导成骨细胞分化，同时保持抗菌活性长达21 d。Liu等[49]在钛表面构建HBD-3（一类广谱抗菌多肽）/BMP-2/羟基磷灰石纳米颗粒复合涂层后，与大肠杆菌、金黄色葡萄球菌共孵育7 d，结果显示钛基植入物不仅表面无活细菌，还能促人BMSCs黏附、增殖和成骨分化。
除上述策略外，还有学者尝试将双肽（抗菌肽及具有促成骨活性的肽）联合固定在钛表面。Tang等[50]采用阳极氧化工艺通过聚多巴胺将抗菌肽（GL13K）与骨形成肽1联合涂层于经双酸蚀刻的钛表面，抗菌性能测试显示该涂层对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到60.24%和68.46%。Wang等[51]采用同样工艺将抗菌肽（HHC36肽）和促成骨肽（RGD肽）加入多孔钛合金表面的钛酸锶纳米管中，抗菌性能测试显示该涂层对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过95%，成骨性能测试显示该涂层能够促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和成骨分化。
4 无机抗菌剂/促成骨活性物质复合涂层
4.1 无机金属元素/促成骨活性物质复合涂层
由于抗生素耐药细菌菌株日益发展，当前耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等细菌引起的感染治疗复杂。相较上述抗生素/促成骨活性物质复合涂层策略，基于抗菌金属元素（抗菌金属纳米颗粒、离子及其氧化物）涂层的优势在于其广谱抗菌性和多种抗菌机制，并且细菌几乎不对其产生耐药性[52]。目前研究常用于构建该类复合涂层的金属元素包括银、锌、铜等。
然而，从毒理学角度分析，高剂量应用银等金属纳米颗粒通常伴随着对真核细胞和原核细胞的毒性作用[53]。因此，在使用金属纳米颗粒作为钛表面涂层的抗菌组分时，必须尽可能避免其高剂量释放导致的细胞毒性作用。为此，研究者们将金属纳米颗粒与羟基磷灰石、多巴胺、丝素蛋白等活性物质进行联合涂层，尝试在保留涂层抗菌性能的同时减少金属离子带来的细胞毒性。
4.1.1 银/促成骨活性物质复合涂层
银纳米颗粒是研究最广泛的金属纳米颗粒抗菌剂，具有广谱抗菌性能、细胞毒性低、稳定性强、极少产生耐药菌株等特点。然而，银对细胞具有毒性，过量的银纳米颗粒会导致正常细胞凋亡或坏死，降低植入物生物相容性，研究表明细胞毒性和抗菌作用都与银纳米颗粒从钛表面释放方式密切相关[54]。
因此，为了避免银离子的爆发性释放，目前常采用将银纳米颗粒与羟基磷灰石[55-57]、磷酸钙[58-59]、丝素蛋白[60]、多巴胺[61]、壳聚糖[62]等活性物质联合涂层，或将银纳米颗粒加载到TiO2纳米管中[63-64]的涂层策略，从而减少银纳米颗粒的暴露，降低银离子释放速率，使银离子持续稳定向周围组织中释放，降低细胞毒性的同时延长抗菌效果。见表1。
表1
常见钛基植入物表面基于银元素的抗菌/促成骨改性策略
Table1.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on silver on titanium-based implants
4.1.2 锌/促成骨活性物质复合涂层
锌是人体内一种微量元素，约30%储存在骨骼中，是许多参与骨代谢蛋白质的必需辅因子，其含量病理性降低会损害骨骼生长[65]。氧化锌纳米颗粒是一种常见的含锌金属氧化物纳米颗粒，毒性低、生物相容性好，可以加速骨骼生长和矿化，并且具有良好抗菌性能[66]。体外研究表明，钛合金表面的锌离子或氧化锌纳米颗粒涂层具有良好抗菌能力和生物相容性[67-68]。为进一步提高钛合金表面锌涂层抗菌与成骨性能，目前常将锌涂层与羟基磷灰石纳米颗粒 [69-70]、壳聚糖 [71-72]、TiO2纳米管[73]及其他活性物质[74]联合涂层。见表2。
表2
常见钛基植入物表面基于锌元素的抗菌/促成骨改性策略
Table2.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on zinc on titanium-based implants
4.1.3 铜/促成骨活性物质复合涂层
铜是金属材料中的合金元素，也是人体必需元素，已被证明具有促进成骨和抗菌能力，还可通过刺激内皮细胞来促进血管生成[75-76]。近年来，有学者尝试在钛合金表面铜涂层的基础上联合TiO2涂层[77]或添加羟基磷灰石[78]、磷酸钙[79]等生物活性物质。另外，将铜结合到钛材质的医疗器械中以增强其抗菌活性已引起广泛关注，例如钛铜合金。研究表明，钛铜合金在体内外均具有优异抗菌性能[80]，因此近年来学者们致力于研究钛铜合金的表面改性策略，希望在保留钛铜合金抗菌性能的同时提高其生物相容性。有研究表明，在钛铜合金表面制备的氧化铜/氧化亚铜等基于铜离子释放的涂层，能够促进人脐静脉内皮细胞与MC3T3-E1细胞增殖，从而改善钛铜合金的成骨诱导能力[76, 81]。还有研究者通过喷砂和酸蚀工艺对钛铜合金进行表面改性后，发现该复合涂层能促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和成骨分化，对金黄色葡萄球菌的抑制作用显著提高[82]，在种植体周围炎症的动物模型中能有效抵抗细菌感染引起的骨吸收，同时促进骨整合[75]。见表3。
表3
常见钛基植入物表面基于铜元素的抗菌/促成骨改性策略
Table3.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on copper on titanium-based implants
4.1.4 其他无机金属元素/促成骨活性物质复合涂层
镁是人体必需的微量元素，67%储存在骨骼中，具有抗菌活性，主要作用机制是镁离子能牢固吸附并穿透细菌的细胞壁，降解病原菌的蛋白质，使细菌细胞合成酶活性丧失，导致细菌失去增殖能力并死亡；另外镁离子可以促进人成骨细胞整合素的表达，增强成骨细胞的黏附[70，83]。钛合金表面镁离子涂层已被证明具有良好的生物相容性和抗菌能力[84-86]。近年来，学者们将镁离子涂层和具有高生物相容性或协同抗菌能力的物质联合涂层，希望进一步提高钛合金表面镁基涂层的抗菌和促成骨性能。
钽、锰等其他元素也被尝试应用于钛表面的涂层中。研究表明钽具有阻止生物膜形成的抗菌特性，Zhang等[87]采用磁控溅射技术将其注入到钛盘上，体内外实验结果显示该涂层对具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌具有良好的抗菌活性，通过刺激骨形成蛋白的表达促进种植体的骨整合。Zhao等[88]采用微弧氧化工艺将锰离子掺入钛基植入物具有微孔结构的TiO2涂层中，显示涂层中的锰离子能够稳定释放，抑制大肠杆菌在其表面的生长，促进MC3T3-E1细胞黏附、增殖和分化。见表4。
表4
常见钛基植入物表面基于镁元素的抗菌/促成骨改性策略
Table4.
Common antibacterial/osteogenesis modification strategies based on magnesium on titanium-based implants
4.2 非金属无机物/促成骨活性物质复合涂层
无机生物元素的加载是增强钛种植体抗菌和成骨活性的潜在途径，常用于钛基表面改性的无机元素有氟、氮、硅、磷、钙、硒等，无机化合物有磷酸钙、氮化硅、硅酸钙、石墨烯等。
研究表明，硒纳米颗粒表现出强大的抗菌活性，然而高剂量硒有毒性。Zhou等[91]采用微弧氧化法将不同含量的硒和固定剂量磷酸钙掺入钛表面的微孔TiO2涂层中，发现适当剂量硒可促进BMSCs成骨分化，且对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率达90%以上。氟不仅具有优异的细胞相容性，而且具有良好的抗菌能力，是人体骨骼中必需微量元素，在调节成骨中起着重要作用。Zhou等[92]将不同含量的氟和固定剂量磷酸钙掺入钛表面的微孔TiO2涂层中，发现适当剂量氟能够提高植入物的抗菌和成骨活性。Auñón等[93]采用阳极氧化在钛合金表面制备了含氟和磷的TiO2纳米管，然后在纳米管中负载了庆大霉素/万古霉素，动物体内研究表明该涂层可预防金黄色葡萄球菌引起的假体周围感染，且与未涂层的钛合金相比，体外细胞相容性增强。
此外，也有学者在钛表面制备了氮化硅、硅酸钙、石墨烯等无机物，经过测试均展现出良好的抗菌效能及成骨效能。Zanocco等[94]在钛基表面制备了致密的氮化硅涂层，体外实验证实该涂层能抑制表皮葡萄球菌的黏附和增殖，促进人成骨肉瘤细胞（Saos-2）在其表面的成骨效率。Buga等[95]采用电喷雾沉积法在钛合金表面制备了硅酸钙涂层，体外抗菌实验表明与未涂层组钛合金相比，硅酸钙表面抗菌率更高；与人MSCs共培养14 d后，涂层组表面人MSCs的ALP水平比未涂层组高13%。Gu等[96]采用化学气相沉积和热处理法在纯钛盘表面制备了石墨烯涂层，体外抗菌实验表明与未涂层组钛相比，石墨烯涂层表面菌落数更少，并且能增强人脂肪源性干细胞和人BMSCs黏附、成骨分化。
4.3 多种无机元素/促成骨活性物质复合涂层
除了基于银、锌、铜、镁、硅等单一元素的抗菌/促成骨改性策略外，有研究者尝试将两种及以上元素组合涂层，探究多种元素联合涂层时对钛基植入物抗菌性能和生物相容性的影响，目前最常见的是锶/银[97-98]、镁/银[99]、锌/银[100-102]、钽/铜[103]、镁/铜[104]、铜/锶[105]、镓/锶[106]、铜/锌[107]等组合。
此外，也有研究者将非金属元素加入金属组合元素涂层中。Zhou等[108]将钙、磷、钴、氟和锶联合固定在钛表面的微孔TiO2涂层中，结果表明这种涂层能促进BMSCs增殖、成骨分化和兔股骨植入物模型中的骨整合，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌灭杀能力高。Zhao等[109]用微弧氧化法将镁、铜、氟联合固定在钛表面的微孔TiO2涂层中，结果表明这种涂层对金黄色葡萄球菌的抗菌率高达90.8%±3.2%，同时能够促进MC3T3-E1细胞的黏附、增殖、分化及矿化。
有学者对涂层中多种金属离子的比例及含量对钛合金的抗菌/促成骨性能影响进行了更深入研究。Han等[99]将不同比例的镁、银离子注入钛基植入物表面的氮化钛涂层中，探究两者比例对钛基植入物细胞黏附和抗菌性能的影响，结果表明，镁、银离子为1∶1时，钛合金表现出最佳的生物相容性和抗菌活性。Cheng等[97]将不同剂量的锶和银固定在钛表面TiO2纳米管中，结果表明当改变锶和银的含量及纳米管直径时，钛基植入物的抗菌性能和大鼠胫骨植入物模型中的骨整合程度也会发生变化。Wolf-Brandstetter等[110]在钛表面制备了含有铜和锌的磷酸钙涂层，通过电化学沉积工艺调节涂层中铜和锌的含量，结果表明高锌和高铜含量的钛表面细菌覆盖率最低，而高锌和低铜含量的钛表面对人BMSCs的成骨刺激效果最佳。Zhang等[107]采用微弧氧化技术将不同剂量的铜和锌固定在钛表面TiO2涂层中，结果表明当涂层中锌含量低时，金黄色葡萄球菌对铜离子的减少量非常敏感；而当涂层中锌含量增高时，锌离子在促进成纤维细胞功能和抑制金黄色葡萄球菌中起关键作用。Zhang等[102]将不同剂量的羟基磷灰石纳米颗粒、银、氧化锌纳米颗粒采用激光熔覆法固定在钛上，结果表明当银/氧化锌/羟基磷灰石的质量分数比为7∶3∶90时，表现出最佳的抗菌功效和成骨能力，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为96.5%和85.8%，兔股骨植入物模型显示这种比例的涂层具有良好的骨诱导性能和骨整合能力。综上，通过调整工艺可以调节涂层中金属的含量配比，且涂层中多种金属离子的比例及含量是影响钛合金整体抗菌和成骨性能的重要因素之一。见表5。
表5
常见钛基植入物表面基于多种无机元素组合的抗菌/促成骨改性策略
Table5.
Common antibacterial/oeteogenesis modification strategies based on inorganic substances combination on titanium-based implants
5 有机金属骨架（metal organic frameworks，MOFs）/促成骨活性物质复合涂层
MOFs是一种新型抗菌剂，是金属离子的“仓库”，随着MOFs降解，其中的金属离子能够持续释放。研究表明MOFs的高比表面积和大孔隙率有利于金属纳米颗粒和生物分子等抗菌物质的有效封装和传输，因此利用MOFs对钛基植入物进行表面改性近年来受到越来越多的关注[112]。MOFs涂层可通过设计内部组分进行灵活调整，最终使钛基植入物整体兼具抗菌和促成骨能力，常见策略是在MOFs涂层设计过程中添加氟 [113]、锌 [114]、镁 [115]或在MOFs表面添加羟基磷灰石[116]等活性物质。见表6。
表6
钛基植入物表面基于MOFs的抗菌/促成骨改性策略
Table6.
Antibacterial/osteogenesis modification strategies of titanium-based implants based on metal organic frameworks
6 有机物/促成骨活性物质复合涂层
季铵化合物具有带正电荷的季铵基团，可以改变带负电荷细菌的膜渗透性，从而导致细胞质渗漏和细菌死亡，已被证明具有广谱抗菌性[117]。然而，季铵化合物本身没有促成骨活性，常需联合其他策略以达到钛基植入物表面具有促成骨能力的目的，例如对钛合金进行低温等离子体处理、在涂层中添加羟基磷灰石等活性物质。
Zhou等[118]将有机硅连接的季铵盐抗菌剂固定在经低温等离子体处理的钛表面，结果表明与未处理组相比，该涂层表面的BMSCs增殖能力提高了40%，同时能有效抑制金黄色葡萄球菌在其表面的增殖。Zhang等[119]采用层层自组装法将含有阳离子的季铵盐和负离子的羧基联合固定在钛表面，其中正电荷的季铵盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的体外抗菌性能，而带负电荷的羧基能够提高该涂层的骨诱导能力。Zhou等[120]将DMADDM（一种季铵盐型抗菌单体）和羟基磷灰石通过聚多巴胺聚合负载到钛表面，证实这种涂层具有抗菌和促成骨的“两阶段”能力，即在大鼠骨髓炎种植体模型植入后4周的高感染风险第1阶段释放DMADDM，能够有效抑制钛基植入物表面生物膜及周围浮游致病菌，第2阶段在经过 4 周释放后，能够促进人BMSCs 的成骨分化及大鼠股骨植体周围的新骨形成。Lin等[121]也进行了类似研究，他们采用层层自组装和多巴胺聚合法将季铵化羧甲基壳聚糖、胶原蛋白和羟基磷灰石联合固定在钛表面，在大鼠股骨感染种植体模型植入术后前4周，展现出接触杀灭和释放杀灭金黄色葡萄球菌特性，在4周后第2阶段，羟基磷灰石在感染有效控制下展现出增强成骨和促进骨结合的能力。
有机高分子化合物聚乙二醇是一种无毒、生物相容且高度亲水的抗生物污垢剂，能有效地减少细菌的非特异性吸附[122]。有学者创新性地将聚乙二醇与羟基磷灰石[123]、天冬氨酸+丝氨酸+丝氨酸的八联复合体[124]等生物相容性高的物质联合固定在钛表面，证实这种涂层具有良好的抗菌和成骨能力。另外有学者发现N-卤胺具有类似金属离子、季铵盐等物质的抗菌活性，它是包含一个或多个氮-卤素共价键的化合物，N-卤胺中的卤素通常包括氯、溴和碘，其中氯最常见[125]。Lan等[126]利用聚多巴胺将N-卤胺接枝到碱热处理的钛表面，结果证明该涂层具有良好抗菌性能和生物相容性。见表7。
表7
钛基植入物表面基于有机物的抗菌/促成骨改性策略
Table7.
Antibacterial/osteogenesis modification strategies based on organic substances on titanium-based implants
7 总结与展望
理想的抗菌/促成骨复合涂层应具有良好抗菌性能，在体外能促进成骨细胞黏附和增殖，在体内安全、稳定和有效。
在实验研究方面，目前对于钛基植入物表面双功能涂层中抗生素、金属纳米颗粒等抗菌物质的释放研究多局限在体外释放动力学，在体内的释放动力学研究较少，且实验菌几乎只采用了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，未能真正充分模仿体内的生物膜模型。因此，未来希望通过建立更可靠的体内释放学评价体系来研究改性钛种植体周围组织的不良反应，建立更完善的感染性骨缺损模型，探究其抗菌和成骨能力。另外，目前钛基植入物表面抗菌/促成骨双功能改性研究均在基础研究阶段，没有在临床上得到验证，未来需要更多的临床研究来充分解决并验证这些问题。对于钛基材料本身，目前实验研究几乎都采用了纯钛或Ti6Al4V合金，其弹性模量比骨更高，容易产生应力屏蔽现象，且其中铝（Al）元素和钒（V）元素对周围组织有潜在毒性作用，未来希望通过3D打印等技术开发无毒、耐磨及耐腐蚀性更好、与骨组织生物力学相仿的钛合金材料[127]。
在工艺方面，阳极氧化、微弧氧化等方法已经趋于成熟，例如阳极氧化工艺制备的TiO2纳米管，通过调整TiO2纳米管的直径等参数能够控制抗菌药物的载荷和释放。但目前构建抗菌/促成骨双功能涂层的部分制备工艺操作仍较复杂且有自身局限性。复杂性在于当赋予涂层多功能特性的同时，通常会使用两种或多种技术，从而增加了钛基植入物构建步骤和时间。另外部分工艺具有局限性，例如喷砂和酸蚀刻工艺对形成的涂层表面孔径和分布无法控制；等离子喷涂技术在钛基植入物表面涂层展现出较差的黏合强度，并且此类需高温加工的工艺可能会影响药物抗菌与缓释能力；层层自组装等技术若加工条件不严格会导致涂层脱落，容易导致抗菌药物丢失。磁控溅射等工艺成本高，所需设备昂贵。因此，未来需进一步优化工艺参数，以改善对抗菌药物的控释及增强涂层与钛基体的结合强度。最后，还需要考虑降低工艺成本，以便大规模制备涂层。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；课题经费支持没有影响文章观点及其报道
作者贡献声明 刘鹏：综述资料收集、总结、撰写；樊博：资料筛选，参与观点形成、文章审阅以及基金支持；高秋明、吕利军、邹磊：参与文章结构梳理以及逻辑形成
