负载庆大霉素的碳酸磷灰石材料兼具双重抗菌和促进骨生成功能，可用于防治手术部位感染

《Advanced Healthcare Materials》：Gentamicin-Loaded Carbonate Apatite with Dual Antibacterial and Osteogenic Functions for Combating Surgical Site Infections

骨再生材料与抗菌协同作用研究进展。 骨缺损修复中，GM-CAp颗粒通过表面负载庆大霉素实现快速抗菌释放，有效抑制术后感染并促进骨再生，其作用机制涉及调控炎症信号通路和减少中性粒细胞异常浸润。

　　外科手术部位感染（SSIs）在牙科和骨科手术中仍然是一个重要的临床问题。为了解决这一难题，研究者开发了一种新型的抗菌生物仿生骨替代材料——载有庆大霉素的碳酸羟基磷灰石（GM-CAp）颗粒。这种材料能够在手术后早期阶段迅速释放庆大霉素，从而有效抑制细菌的早期定植和繁殖，预防感染的发生，并促进骨组织的再生。本研究通过体外和体内实验验证了GM-CAp颗粒的抗菌性能、免疫调节能力以及其对骨组织修复的促进作用，揭示了其在减少术后感染风险、提高骨愈合成功率方面的潜力。

庆大霉素是一种广谱抗生素，能够有效对抗多种需氧革兰氏阴性菌和部分需氧革兰氏阳性菌，其作用机制是通过不可逆地结合细菌的核糖体亚基，从而抑制蛋白质合成。这种抗生素在临床上已被广泛用于治疗骨髓炎等感染性疾病。而碳酸羟基磷灰石（CAp）作为一种具有生物活性的骨替代材料，其成分与脊椎动物骨的矿物成分相似，含6-9%的碳酸盐，因此在机械强度和生物相容性方面具有天然骨的特性。CAp在体液环境中表现出一定的溶解性，尤其是在破骨细胞的弱酸性微环境中，这种特性使其能够参与骨重塑过程。同时，CAp的多孔结构有利于药物的吸收和释放，能够实现高效的抗菌作用，而不影响骨再生。

本研究中的GM-CAp颗粒通过将庆大霉素物理沉积在CAp颗粒表面，实现了快速的药物释放。体外实验结果显示，GM-CAp颗粒在72小时内能够释放出63.5%的庆大霉素，与市场上常用的庆大霉素载骨水泥（G-HV）相比，其释放速度更快。在实验中，CAp颗粒未表现出抗菌活性，而GM-CAp颗粒则能有效抑制多种牙源性细菌的生长，包括金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、唾液链球菌、变形链球菌、核梭杆菌和微小链球菌等。此外，体内实验进一步验证了GM-CAp颗粒的抗菌效果。术后3天，CAp组的细菌负荷显著增加，而GM-CAp组的细菌数量明显减少，说明该材料在早期阶段具有显著的抗菌作用。术后14天，CAp组的骨组织出现明显的破坏和纤维化，而GM-CAp组则表现出良好的骨组织再生和修复能力。

在免疫反应方面，GM-CAp颗粒能够有效抑制中性粒细胞的募集，减少炎症反应。体外实验中，MSCs（间充质干细胞）的活性未受到显著影响，且GM-CAp颗粒不会进一步降低细胞存活率，表明其具有良好的生物相容性。在体内实验中，GM-CAp组的中性粒细胞数量明显低于CAp组，表明该材料能够有效调节免疫环境，避免过度的炎症反应，从而促进骨组织的再生。同时，GM-CAp组的巨噬细胞比例没有显著变化，而CAp组则表现出巨噬细胞比例的增加，这可能与慢性感染相关。

在基因表达层面，转录组分析显示，GM-CAp颗粒显著抑制了与炎症反应相关的基因表达，包括NF-κB、TNF、IL-17和JAK-STAT信号通路中的关键基因，同时促进了与骨再生和组织重塑相关的基因表达，如TGF-β信号通路中的Comp、Chad、Col2a1、Col9a2、Cilp、Cilp2、Chst3、Omd和Bglap2等。这些基因的表达变化表明，GM-CAp颗粒不仅能够有效控制感染，还能够引导免疫系统向有利于骨再生的方向发展。

此外，GM-CAp颗粒在术后3天内显著减少了骨组织的破坏，而术后14天时，其周围形成了新的骨组织，骨体积与组织体积的比值（BV/TV%）显著高于CAp组。这表明，GM-CAp颗粒在促进骨再生方面具有显著优势。在组织病理学分析中，GM-CAp组的骨髓样组织和新骨形成明显，而CAp组则表现出广泛的骨破坏和纤维化，提示其可能诱发慢性炎症。

在实验方法上，GM-CAp颗粒的制备过程包括将庆大霉素溶液浸渍在CAp颗粒表面，随后通过洗涤和冷冻干燥得到最终产品。庆大霉素的释放速率通过体外实验进行评估，结果显示在72小时内释放了82.08%的药物，显著优于传统的载药材料。通过微CT和组织切片染色，研究人员进一步验证了GM-CAp在骨组织修复中的作用，发现其能够维持骨结构的完整性，并促进新骨形成。

本研究的发现表明，GM-CAp颗粒具有双重功能，既能够有效控制感染，又能够促进骨再生。这种材料在术后早期阶段释放的庆大霉素能够迅速抑制细菌的定植，减少炎症反应，同时通过其生物活性促进骨组织的修复。此外，研究还提出，术后早期中性粒细胞的募集情况可以作为评估抗菌材料效果的一个潜在参数，这为未来的临床应用提供了新的思路。

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。例如，GM-CAp颗粒在骨修复后期的药物释放情况仍需进一步研究，以确保其在长期使用中的安全性和有效性。此外，目前的实验主要针对游离细菌和接种细菌，尚未涉及成熟生物膜的抗菌效果，因此需要进一步探索该材料对生物膜的抑制能力。同时，为了更准确地模拟口腔环境中的复杂感染情况，建立特定的颌面外科手术感染模型也显得尤为重要。

综上所述，GM-CAp颗粒作为一种新型的抗菌骨替代材料，展现出在控制术后感染和促进骨组织再生方面的巨大潜力。其快速释放机制能够有效预防细菌的早期定植，减少炎症反应，从而为牙科和骨科手术提供更安全、有效的治疗方案。同时，研究还提出，通过监测术后早期中性粒细胞的募集情况，可以评估抗菌材料的免疫调节效果，这为未来抗菌材料的开发和应用提供了新的方向。随着对这类材料的深入研究，GM-CAp有望成为一种重要的临床工具，用于减少手术部位感染的发生，提高骨修复的成功率。