納米技術解決人造關節重大難題，能夠徹底消滅感染

　　據統計，在美國每年100萬例以上髖關節和膝關節置換手術中，大約有1%到2%會遭受由細菌生物膜（bacteria biofilms）引起的并發癥感染。細菌生物膜感染是植入式醫療裝置和假體最主要的并發癥，指的是多層細菌在植入體表面附著并形成由蛋白質、糖類以及細菌DNA組成致密、難以滲透的生物膜。

　　對于術后即時引發的腫脹發紅等急性感染，可以通過靜脈注射抗生素治療。然而，有些患者會遭受長達數月的輕度慢性感染，引起骨質流失，進而引起植入體松動，最終導致假體植入失敗。

　　藍色代表小鼠股骨處植入的未鍍膜鈦克氏針，紅色代表細菌群落，黃色代表免疫細胞響應。圖片來源：Lloyd Miller/Johns Hopkins Medicine

　　這類慢性感染十分難以治療，并且，大部分情況下，患者必須遭受假肢取出、長期抗生素給藥以及再次植入新的假肢等痛苦。據稱，為治療細菌生物膜引起的假肢感染，每位患者的花費將超過10萬美元。

　　外科醫生和生物醫學工程師多年來苦心尋找更好的抗菌方法，以期減少植入式人工髖關節、膝關節以及肩關節引起并發癥感染的風險。

　　10月24日，《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）發表了約翰霍普金斯大學（The Johns Hopkins University）研究者在人造關節抗菌性領域的最新研究成果：以特定速率釋放多種抗生素的載藥納米纖維鍍膜，能夠有效防止全關節置換（total jointreplacement）手術中一些嚴重的細菌感染并發癥。

　　研究者稱，雖然是在小鼠膝關節進行的概念驗證性研究，該技術在矯形假肢領域具有“廣泛的應用潛力”，小至螺桿、螺釘或者鋼板，大至髖關節和膝關節的全關節置換、心臟起搏器、可植入心臟除顫器、血管支架等其他可植入醫療裝置。

　　目前，已經有在植入醫療假肢時通過載藥（抗生素）水泥、微球、墊片或者粉末等進行局部抗生素釋放等方法。然而，這些方法往往只能一次性釋放單一抗生素并且釋放速率難以控制。

　　為解決這一難題，霍普金斯大學醫學院皮膚科與骨科副教授勞埃德·S·米勒（Lloyd S. Miller）與材料與工程學教授毛海泉（Hai-Quan Mao）進行了密切合作，以期攻克難關。三年多以來，該團隊致力于設計一種超薄、生物可降解的載藥聚合物鍍膜，以預期的速率釋放多種抗生素。

　　（A）鈦克氏針的靜電紡絲PLGA/PCL復合納米纖維鍍膜過程。（B）鈦克氏針顯微圖像：未鍍膜之前、電噴射后、退火處理后。（C）不同比例PLGA/PCL復合納米纖維鍍膜克氏針表面掃描電子顯微（SEM）圖像。（D）加載兩種抗生素后的納米纖維熒光圖像。圖片來源：doi/10.1073/pnas.1613722113

　　研究者通過靜電紡絲技術在鈦克氏針（Kirschner wires）植入體表面進行兩種生物兼容、生物可降解聚合物——聚乳酸聚乙醇酸共聚物（PLGA）和聚己內酯（PCL）——納米纖維鍍膜，最終形成PCL薄膜中包埋PLGA納米纖維的鍍膜。其中，PLGA納米纖維中能夠加載多種抗生素藥物，并通過調控PLGA：PCL聚合物比例來調控抗生素釋放速率。

　　相比于其他的鍍膜技術，該新型載藥納米纖維鍍膜能夠以可控速率釋放多種（兩種以上）抗生素。研究者使用的聚合物PLGA和PCL已獲得美國FDA通過并廣泛應用于許多醫療設備中，如可降解縫線、骨板以及藥物遞送系統。

　　注：克氏針（Kirschner wires）常用于骨科手術中的關節、骨頭的位置固定。

　　為了驗證抗感染特性，研究者在納米纖維中加載甲哌力復霉素（rifampin）抗生素以及萬古霉素（vancomycin）、達托霉素（daptomycin）或利奈唑酮（linezolid）三種抗生素之一，形成加載兩種抗生素的復合藥物納米纖維鍍膜。

　　其中，甲哌力復霉素具有優異的抗菌活性，但是卻并不能單獨使用，因為單獨使用會導致細菌快速產生抗藥性。所以，研究者將其與其他三種抗生素之一復合使用。

　　實驗表明，復合抗生素納米纖維鍍膜中甲哌力復霉素的釋放長達3到5天，而另一配合抗生素的釋放長達7到14天。復合抗生素納米纖維薄膜，既能達到有效的抗菌性，又避免了單獨使用甲哌力復霉素而導致細菌抗性。

　　研究者分別將納米纖維鍍膜鈦克氏針和未鍍膜克氏針植入麻醉小鼠的膝關節，并引入通常會在骨科手術中引起生物膜感染的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。其中，金黃色葡萄球菌經過改造能夠發出紅色熒光，便于研究者無創地跟蹤小鼠體內的感染情況。

　　小鼠感染后14天，研究表明：使用未鍍膜克氏針的對照組小鼠中，所有小鼠的膝關節鄰近感染組織充滿了大量細菌，其中80%小鼠體內植入物表面布滿細菌。相比之下，使用鍍膜克氏針的實驗組小鼠中，所有小鼠無論是膝關節附近組織還是植入體表面都沒有檢測到細菌。

　　米勒稱：“我們能夠徹底消滅感染，其他大多數方法只是減少細菌的數量，而不是可靠地阻止感染。”

　　兩周實驗過后，研究者將小鼠的膝關節和鄰近骨組織取出進行進一步研究。研究發現，納米鍍膜不僅能夠有效防止感染，也能完全避免骨質流失。通常，受感染的關節附近極易發生骨質流失，進而導致植入假肢的松動。

　　研究者稱，在投入正式實用之前，還需要進一步測試載藥納米鍍膜人體實驗的效率和安全性，以及如何篩選適宜患者——例如，之前遭受過假肢關節感染的患者。（本文轉自深科技）

　　參考：Polymeric nanofiber coating withtunable combinatorial antibiotic delivery prevents biofilm-associated infectionin vivo, Proceedings of the National Academy of Sciences, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1613722113