壳聚糖季铵盐基复合膜改性钛涂层的制备及抗感染性能研究

Infection is one of the most serious complications of orthopedic implant surgery. Surface modification of orthopaedic implant materials to prevent bacterial adhesion and biofilm formation is expected to reach the purpose of preventing infection occurred. In our previous study, hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride chitosan (HACC) with better anti-bacteria property has been prepared through modification of chitosan. HACC can inhibit the adhesion and biofilm formation of clinical common pathogenic bacteria including drug-resistant bacteria, and possess good compatibility to osteocyte. We also prepared collagen I-hyaluronic acid multilayer modified titanium coating with good structure stability and biological properties. In this project, HACC is introduced into the composite membrane, and collagen I-hyaluronic acid-HACC composite membrane modified titanium coating is prepared by layer-by-layer (LBL) covalent immobilization. Process parameters are optimized. Surface properties, mechanical and chemical stability of composite membrane modified titanium coating are studied. With in vitro and in vivo study, ability of inhibiting bacterial adhesion and biofilm formation is investigated as well as the capacity of preventing infection. Moreover, mechanism of antibacterial is analyzed. It’s expected that a novel orthopaedic implant material with excellent anti-infective property and osseointegration performance will be developed, which has extensive clinical requirement and good application prospect.

感染是骨科植入物术后最严重的并发症之一，通过骨科植入物材料表面的改性，防止细菌的黏附和生物膜形成，有望达到预防感染发生的目的。前期研究中我们已通过对壳聚糖的改性，研制出抗菌性能更强的壳聚糖季铵盐材料，能够抑制临床常见致病菌包括耐药菌的生长；对骨源性细胞也有良好的生物相容性。在前期工作中，我们还制备了结构稳定、骨整合性能良好的I型胶原-透明质酸复合膜改性钛涂层。本项目拟将壳聚糖季铵盐引入到复合膜中，利用层-层共价键接枝法制备I型胶原-透明质酸-壳聚糖季铵盐复合膜改性钛涂层。优化工艺参数，考察复合膜改性钛涂层的表面性能、机械和化学稳定性。通过体外生物学和体内动物实验，考察其抑制细菌粘附和生物膜形成，预防感染发生的能力以及骨整合效果，并分析抗菌机理。预期将开发出同时具有良好抗感染性能和骨整合能力的新型骨科植入物材料，具有较好的临床需求和应用前景。

钛基金属具有优秀的机械性能和良好的生物相容性，是加工人工关节、骨折内固定器械等骨科植入物最常用的生物材料。然而，由于钛为生物惰性材料，缺乏促成骨能力，容易引起无菌松动，甚至植入失败。另一个导致植入失败的主要因素是植入物术后感染。因此，良好的抗感染性能和骨整合能力是理想的骨科植入物的两个基本条件。壳聚糖季铵盐（HACC）是一种新型的抗菌剂。中等取代度的壳聚糖季铵盐具有良好的抗菌性能并没有细胞毒性。利用层-层共价键固定法制备的I型胶原/透明质酸复合膜改性钛涂层具有良好的骨生物学活性，能够促进干细胞的粘附、增殖和成骨分化。本项目在此基础上，利用层-层共价键固定法，制备I型胶原/透明质酸/壳聚糖季铵盐（Col I/HyA/HACC）复合膜改性钛涂层。.本文的主要结论是：.1.利用层-层共价键固定法，在钛涂层表面成功构建I型胶原/透明质酸/壳聚糖季铵盐多层复合膜。该复合膜具有良好的机械稳定性，骨内植入后仍保持完整；在酶的作用下能够缓慢降解，并释放出抗菌剂HACC。.2.ColI/HyA/HACC复合膜改性钛涂层能够抑制金黄色葡萄球菌、耐药金黄色葡萄球菌和耐药表皮葡萄球葡菌的定植和生物膜形成；而在酶的作用下，该复合膜改性钛涂层同时兼具接触型杀菌和释放型杀菌功能，对植入物周围的浮游细菌也有较好的抑制能力。.3.HACC引入不会影响复合膜改性钛涂层的骨生物学活性。.4.动物模型研究表明，ColI/HyA/HACC复合膜改性钛涂层能够预防由MRSA引起的植入物感染；该复合膜改性钛涂层植入物在有MRSA存在的情况下依然具有良好的骨整合能力；而在无菌条件下，复合膜改性钛涂层的骨整合能力并未受HACC引入的影响。