综述：增强下肢经皮假体中皮肤-植入物整合：从界面生物学到生物活性、抗菌和基于细胞的策略

《Journal of Orthopaedic Translation》：Enhancing skin-implant integration in lower-limb transcutaneous prostheses: From interface biology to bioactive, antimicrobial and cell-based strategies

　　

经皮假体系统通过直接将外部肢体假体连接至骨骼，相较于传统承窝式装置展现出显著的生物力学和临床优势。通过消除承窝界面固有的软组织负荷，这些系统实现了改善的负荷传递、舒适度以及通过直接骨骼附着获得的更自然的感觉反馈。然而，其广泛的临床采纳仍受限于皮肤-植入物界面的并发症，包括感染、袋鼠化（marsupialization）和上皮向下生长（epithelial down-growth）。表面工程（surface engineering）的进展，尤其是纳米尺度修饰（nanoscale modifications），已证明具有促进宿主细胞粘附和引导巨噬细胞极化（macrophage polarization）的关键能力，从而应对上皮密封（epithelial sealing）和慢性炎症。研究人员设计了包含细胞外基质（extracellular matrix, ECM）蛋白或粘附肽的生物活性涂层（bioactive coatings），以复制真皮-表皮相互作用并增强上皮锚定。同时，研究人员开发了采用抗生素、肽或金属基涂层的抗菌策略（antimicrobial strategies），以对抗造口处的细菌定殖。此外，使用成纤维细胞（fibroblasts）和间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）的细胞疗法（cell-based therapies）在支持真皮整合和调节局部炎症方面显示出前景。尽管有这些进展，持久且抗感染的皮肤-植入物整合仍未解决，表明长期临床成功将需要能够同时支持软组织密封、感染控制、免疫调节和机械稳定性的整合、多功能界面。

**1. 引言**
肢体截肢严重损害活动能力和生活质量，传统承窝式假体因残端软组织耐受力差而加剧这些限制，导致皮肤刺激、溃疡和过度出汗等并发症，影响高达70%的截肢者。为克服这些限制，直接骨骼附着系统被引入，以绕过软组织负荷并改善骨与假体之间的负荷传递。早期经皮假体固定尝试虽实现了成功的骨整合（osseointegration），但暴露出软组织密封的持续失败，常导致感染并在数月内移除装置。Br?nemark OPRA系统通过两阶段手术方案确保受控骨整合，代表了转折点，长期研究证实了活动能力和身体形象的显著改善，但浅表感染率接近70%，机械并发症约20%。为处理软组织屏障，骨内经皮截肢假体（Intraosseous Transcutaneous Amputation Prosthesis, ITAP）引入了多孔皮下钛法兰，旨在促进真皮向内生长并加强上皮密封，灵感来自天然硬-软组织连接（如蹄和鹿角）。该装置包含三个主要组件：（i）髓内茎（骨整合区域）；（ii）多孔皮下钛法兰（真皮锚定区域）；（iii）经皮基台（表皮界面）。相比传统承窝假体，ITAP植入与改善身体形象、提高坐姿舒适度、改善髋关节活动度、简化佩戴和移除、增强行走能力以及恢复骨感知（osseoperception）相关。然而，成功应用需要谨慎的患者选择和手术规划，候选者通常限于严重承窝不耐受或残端持续皮肤并发症的截肢者。尽管有显著功能增益，皮肤-植入物界面仍是系统最关键的失效易发区域，感染率在2-3年内高达30-40%，通常需要抗生素管理。这一失效从根本上受竞争过程（称为“表面竞赛”（race to the surface））支配，即早期上皮细胞粘附必须胜过细菌定殖和随后的生物膜形成，以确保长期稳定性。从生物学角度，建立持久的经皮密封需要重建表皮-基底膜-真皮三联体，这是身体对抗微生物入侵的天然防御，高度依赖特定的分子锚定：基底角化细胞通过α6β4整合素（integrin）和基于BP180的半桥粒（hemidesmosomes）粘附于富含Laminin-332的基底膜。该连接的结构完整性进一步由下方的胶原IV（基底膜）和锚定原纤维胶原VII加强。尽管这些线索在牙科种植学中已成功应用，但直接转化至下肢造口受限于显著的解剖和生物力学差异，包括更大的软组织厚度、步态中更高的剪切力以及独特的局部微环境。因此，造口的持续脆弱性推动了多种生物整合策略的探索，可大致分为五类：表面纳米工程、多孔结构、生物活性涂层、抗菌功能化和细胞疗法。

**2. 当前ITAP管理的临床局限性**
ITAP系统的成功临床实施也依赖于严格的术前评估，确认足够的残余骨长度和软组织质量。然而，即使有最佳患者选择和标准化手术方案，当前临床管理主要关注宏观稳定性，往往忽视了皮肤-植入物界面所需的微观生物学密封。无论是采用单阶段还是两阶段手术方式——将骨愈合与造口创建分开——没有一种策略能内在解决经皮出口部位的生物学脆弱性。术后护理，包括针对葡萄球菌（Staphylococcus）的预防和六个月的强化康复，仍主要是反应性的，管理并发症的发生而非在源头预防失效。因此，尽管这些严格的临床努力，持续的30-40%感染率仍然很高，突显了ITAP的基本“痛点”：连接上皮的顶端迁移（向下生长）、易感染隐窝的形成以及加载条件下造口的慢性机械不稳定。这一临床瓶颈表明，长期结果受限于不完全的软组织整合，为后续讨论的界面工程策略提供了明确理由。

**3. 实现稳定皮肤-植入物整合的工程策略**
**3.1. 用于界面调控的表面微纳形貌**
基台表面形貌的调控是最早探索的增强皮肤-植入物界面软组织整合的策略之一。这些方法可通过在不同长度尺度上作用于细胞-材料界面或材料本体，诱导不同的生物学效应。表面形貌允许通过纳米和微米级表面修饰来调节细胞粘附、免疫反应和细菌相互作用，而不改变植入物的本体结构。
**3.1.1. 纳米形貌对细胞粘附的影响**
表面粗糙度是影响金属植入物生物相容性的关键因素，微米和纳米级不规则性产生直接调节细胞锚定、铺展和增殖的表面纹理。研究表明，表面形态修饰可显著增强各种生物相容性材料的生物学反应。例如，Bashir等人证明纳秒脉冲激光表面织构化能有效促进SS316L、Co-Cr和Ti6Al4V合金上的细胞粘附和生长。早期比较研究表明，更光滑的表面（Ra<0.1 μm）促进早期角化细胞铺展，而微米级粗糙度（Ra≈0.3-2 μm）对细胞行为的影响主要是早期和瞬时的，72小时后大大减弱。这一限制将注意力转向纳米级特征，如二氧化钛纳米管阵列（titania nanotube arrays），其支持的角化细胞密度显著高于常规钛。值得注意的是，仅在纳米结构钛上达到的细胞密度与共价固定成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）的钛相当，表明纳米形貌可作为生长因子节约策略。类似地，通过碱热处理创建的纳米尖峰和纳米孔增强了真皮成纤维细胞粘附、细胞骨架组织以及关键的稳健细胞外基质（extracellular matrix, ECM）生成。在第28天，观察到胶原纤维抵抗为模拟机械和炎症应激而施加的剥离处理，突显了纳米特征在提供机械稳定性方面的作用。一致地，阳极生成的纳米凹坑（50-60 nm）通过调节表面粗糙度、润湿性和蛋白质吸附，促进不锈钢上的成纤维细胞识别、附着和增殖，证明了最佳生物学反应。
**3.1.2. 纳米形貌的免疫调节作用**
除促进细胞粘附外，表面形貌在调节宿主-植入物界面的免疫反应中也起关键作用，这是经皮装置长期成功的基本方面。人们日益认识到，纳米级表面特征作为物理线索引导巨噬细胞极化（macrophage polarization），这一概念居于宿主细胞与入侵病原体之间“表面竞赛”的核心。引导巨噬细胞从促炎M1表型向促再生和抗炎M2表型极化的能力，已成为促进组织整合和预防慢性异物反应及纤维化反应的关键策略，后者发生在上皮向下生长之前。这一点尤其关键，因为钛本身可在原代人细胞中引发促炎和组织破坏性反应，从而强化了对能够将巨噬细胞行为转向促再生表型的纳米形貌线索的需求。近期研究表明，纳米形貌（通常小于100 nm的表面结构）作为强大的机械转导信号，通过细胞骨架重塑影响巨噬细胞极化。例如，Zhu等人观察到特定90 nm纳米蜂窝状表面模式显著诱导抗炎M2表型，创造了有利于整合的微环境。类似地，在钛上创建超亲水TiO₂纳米管阵列已证明可显著减少炎症M1反应（如TNF-α）并增加修复性M2极化（如IL-10）。一项体外研究的系统综述也确认，具有微/纳米级粗糙度和亲水表面化学的钛表面在诱导抗炎巨噬细胞表型方面最有效。尽管金属植入物的炎症反应可能受材料成分影响，但越来越多的证据表明，表面纳米形貌本身是巨噬细胞行为的主要决定因素，独立于底层材料。例如，在纳米图案化聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）基底上，Li等人显示特定纳米柱和纳米凹坑减少了M1相关标志物，同时增加了CD206和其他M2相关基因的表达，表明巨噬细胞极化可由纳米级几何形状本身引导。类似地，Wang等人报道具有纳米形貌的羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）陶瓷在体内外促进了从M1向M2巨噬细胞的转变，减少了促炎细胞因子分泌并减轻了组织炎症。在软组织相关模型中，Wu等人进一步显示纳米结构氧化锆表面可调节巨噬细胞表型，并通过条件培养基增强牙龈成纤维细胞增殖和ECM生成。总之，这些发现支持表面形貌本身是巨噬细胞行为的关键调节因子，而材料化学则是贡献因素而非唯一决定因素的论点。
**3.1.3. 纳米结构的抗菌和杀菌效应**
除对细胞粘附和免疫调节的影响外，纳米形貌表面还提供了减少细菌定殖的有前途的策略，这对于建立稳定的生物学密封至关重要。在体内，结合纳米级纹理与底层微形貌的分层结构显著增强了皮下粘附，并降低了对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）感染的易感性，相比光滑对照组。纳米结构表面已被证明可限制葡萄球菌附着，同时支持有利的宿主细胞反应。机制上，这些表面的抗菌活性似乎至少部分依赖于细菌细胞与纳米级表面特征之间的机械相互作用。Sheu等人显示不同的纳米结构图案可在细菌细胞壁上诱导机械应力，导致不同程度的细菌抑制。这些发现支持纳米级表面设计可提供物理而非纯粹化学的抗菌活性途径，因此代表了改善植入物抵抗细菌定殖能力的有前途方法。综合这些考虑，最大的转化潜力在于能够结合有利免疫调节、改善生物学密封和抗菌性能的多尺度分层结构。最终，虽然表面纹理化对骨-植入物整合高度有效，但似乎不足以确保长期软组织稳定性。尽管形貌线索有效促进早期细胞粘附，它们无法克服刚性金属组件与顺应性周围皮肤之间的持久机械不匹配。这一瓶颈突显了仅表面层面的修饰对于经皮界面是不足的，需要转向三维结构策略。

**3.2. 孔隙率在软组织向内生长中的作用**
虽然表面形貌增强了早期细胞粘附，但它不能完全确保稳定的长期组织整合，特别是对于软组织组件。为克服这一限制，研究人员研究了多孔结构对细胞浸润、ECM沉积和血管化的影响。Hulbert等人通过体内犬模型证明，当孔径超过100 μm时发生显著组织浸润。基于此，Kuboki等人确认只有互连多孔结构才支持成骨，为将类似原理应用于软组织整合提供了概念基础。后来，Pendegrass等人设计了多孔法兰植入物（700 μm孔隙），手术植入骨骼成熟山羊的胫骨内侧。比较了直形和法兰设计之间的多种表面配置（机加工、喷砂、沟槽、羟基磷灰石涂层和类金刚石碳）。四周后，组织学分析显示羟基磷灰石涂层法兰促进了稳健的真皮组织向内生长，并显著减少了上皮向下生长，相比直形对照组。同期，Pitkin等人通过使用由烧结颗粒制造的钛柱（30%孔隙率）进行了一项初步动物研究，证明深部纤维血管浸润进入多孔结构，产生了更稳定的界面并显著减少了炎症迹象（如脓肿形成），相比光滑钛对照组。为定义长期稳定的最佳结构参数，Chimutengwende等人开发了激光烧结的多孔钛合金法兰，具有700 μm孔径、300 μm支柱尺寸和18%孔隙率。在羊模型中，这些完全多孔结构改善了真皮附着，支持了血管化组织向内生长，并减少了上皮向下生长，相比钻孔的ITAP法兰。即使未实现完全上皮整合，稳定的真皮锚定足以防止向下生长，从而预期减少细菌定殖，确认了孔隙率在有利于细胞在“表面竞赛”中占优势的作用。后续研究进一步精炼了这些发现，确定700 μm孔径和300 μm支柱厚度提供了促进血管化和维持机械性能之间的最佳关键平衡。将这一策略扩展到深层真皮锚定，Jeyapalina等人在羊模型中证明，多孔钛层（孔径300-400 μm，涂层厚度0.5 mm）实现了完全软组织整合，并有效预防了浅表和深部感染（0% vs. 光滑Ti对照组25%），持续九个月。组织学分析显示致密、良好血管化的结缔组织穿透多孔涂层，形成稳定的表皮-真皮密封。然而，多孔结构引入了关键的转化权衡：虽然大尺寸互连孔隙对血管化组织向内生长至关重要，但它们也作为细菌定殖和碎片积累的潜在储库，使表面稳定性至关重要。在功能加载下的长期成功——在下肢应用中常见——高度依赖于管理这种不稳定性。Holt等人进行了一项在功能加载下的补充长期研究，将光滑和等离子喷涂多孔涂层钛棒植入骨骼成熟羊的前肢长达12个月。6、9和12个月的定量分析显示，多孔涂层显著减少了上皮向下生长，并增加了真皮附着的连续性。组织学评估进一步显示种植体周围皮肤的渐进性重塑，在表皮、表皮下和深层真皮层中观察到不同的形态适应。这些变化归因于顺应性软组织与刚性植入物表面之间机械刚度梯度的逐渐建立，减轻了顺应性不匹配并减少了剪切诱导的退缩——一种关键失效机制。这些发现表明，多孔结构的临床价值取决于定义能够最大化血管化组织整合和加载下稳健性而不增加感染易感性的“理想孔隙率窗口”。

**3.3. 促进角化细胞和成纤维细胞粘附的生物活性涂层**
虽然纳米结构和多孔钛表面增强了软组织整合，但其本质上的生物惰性需要引入生物学线索以主动促进特定细胞粘附和持久组织锚定。为克服这一限制，大量研究探索了模拟天然真皮-表皮界面的生物功能涂层。这些策略旨在通过固定ECM蛋白如纤维蛋白原、纤连蛋白（fibronectin, Fn）和层粘连蛋白（laminin），或使用源自这些蛋白的短肽序列如RGD（源自纤连蛋白/纤维蛋白原）和YIGSR基序（源自层粘连蛋白），来复制整合素介导的调节上皮和真皮细胞附着的相互作用。
**3.3.1. E-钙黏蛋白功能化：靶向上皮特异性**
上皮屏障的形成对长期稳定性至关重要。Pendegrass等人开创性地使用E-钙黏蛋白（E-cadherin）的胞外域（extracellular domain, ECD）功能化钛表面，E-钙黏蛋白是粘附连接的关键跨膜组分蛋白，介导角化细胞-角化细胞粘附。结果显示，与未修饰表面相比，β-连环蛋白表达增加了四倍，细胞面积增加了二到三倍，证实了强大且特异性的细胞参与。Dehli等人使用聚多巴胺（polydopamine, PDA）作为中间连接体，将E-钙黏蛋白-Fc融合蛋白（E-cadherin fused with the Fc domain of human IgG）和蛋白A（Protein A）功能化于钛上。该方法产生了稳健的涂层，在细胞培养基中稳定长达两个月。功能测定确认固定的E-钙黏蛋白-Fc蛋白显著改善了角化细胞粘附，同时选择性地阻止了缺乏E-钙黏蛋白表达的人原代真皮成纤维细胞的粘附和增殖。此外，将蛋白A掺入涂层显著减少了伤口愈合测定中的角化细胞迁移，强调了其在体内作为防止上皮向下生长的物理屏障的潜力。然而，尽管有前景的上皮特异性附着，该研究突显了一个关键限制：成纤维细胞粘附的选择性缺失。这一发现强调了需要能够支持真皮成纤维细胞和上皮细胞附着的互补或多功能表面修饰，这对于经皮植入物周围全面且稳定的软组织整合至关重要。
**3.3.2. ECM衍生蛋白涂层：促进真皮整合**
对于有效的真皮成纤维细胞附着，ECM蛋白作为生物活性涂层已被广泛研究。纤维蛋白原、纤连蛋白（Fn）和层粘连蛋白是研究最多的，因为它们在介导整合素依赖性细胞粘附和组织锚定中起核心作用，主要通过结合促进细胞粘附和ECM沉积的RGD基序。Wang等人将纤维蛋白原共价连接到PDA涂覆的钛植入物上。在大鼠皮下植入三周后，他们观察到与未涂层对照组相比，纤维囊厚度减少且新生血管形成增强，表明组织相容性改善和炎症反应减轻。钛螺钉的体内测试进一步显示，纤维蛋白原功能化植入物显著降低了感染率和上皮向下生长。纤连蛋白也被探索，通常与羟基磷灰石（HA）结合，以促进软组织和潜在的骨锚定。Pendegrass等人证明HA-Fn复合涂层在24小时后使成纤维细胞粘附相比HA对照组增加了七倍，表明协同机制有效地复制了类似ECM的微环境。Chimutengwende-Gordon等人在羊模型中证实了这些发现，发现HA-Fn复合涂层在界面处显示出最高百分比的稳定软组织附着，从而验证了协同方法的转化潜力。最近，Tao等人开发了一种多尺度生物活性涂层，结合了富含微量元素（Si, Sr, F）的羟基磷灰石和ECM蛋白（I型胶原和纤维蛋白原），通过PDA界面共价固定在多孔Ti-6Al-4V支架上。PDA-mHA-Col I-Fg涂层表现出优异的稳定性，并在体外显著改善了成骨和上皮细胞反应。前成骨细胞和角化细胞增强了粘附和增殖，表明这些杂化生物无机-生物蛋白涂层可同时促进骨整合和软组织整合，这是迈向稳定经皮植入物界面的关键一步。
**3.3.3. 基于肽的策略：高特异性和稳定性**
源自ECM蛋白的短肽序列代表了一种创新且高度特异性的方法。与全长蛋白不同，肽在增强稳定性、化学纯度和成本效益合成方面具有优势，同时保持了细胞粘附所需的特定整合素结合基序。Ghribi等人通过使用稳定的膦酸酯连接臂将RGD（纤连蛋白）和YIGSR（层粘连蛋白）肽共价接枝到钛合金基底上，证明了该策略的潜力。在体外，RGD功能化表面增强了真皮成纤维细胞铺展和活力。具体来说，他们观察到YIGSR功能化表面显著改善了角化细胞活力和铺展，证明了肽能够选择性地增强竞争细胞类型（成纤维细胞和角化细胞）的粘附和活力，这是加强生物学密封所必需的。除了细胞特异性粘附，模块化肽提供了一种进一步的多功能方法，因为它们既能结合植入物表面，又能独立引发明确定义的生物学功能。Polini等人证明表面结合肽结构域可确保稳定的功能化和对HA表面的持久锚定，同时调节与细胞粘附、增殖和分化相关的生物学活性。一致地，Yazici等人研究了肽功能化钛基底，显示短肽序列能够以序列依赖性方式调节细胞-材料相互作用。总之，关于ECM衍生蛋白和肽涂层的研究突出了生物活性功能化策略在体外选择性地增强角化细胞和成纤维细胞初始粘附和活力的潜力。它们的转化限制在于，生物活性不一定转化为持久的界面性能，因为涂层保持可能因重复剪切应力、步态相关负荷和经皮界面持续湿润环境而受损。因此，未来进展将取决于开发在临床相关条件下结合生物特异性与稳定锚定的多功能且机械稳健的涂层系统。

**4. 增强植入物安全性的抗菌策略**
感染仍然是损害经皮植入物长期成功的最普遍且临床问题最大的因素。为降低风险，银（Ag）、铜（Cu）和锌（Zn）等金属因其固有的广谱抗菌特性而被广泛研究。它们的抗菌作用依赖于多种同时发生的机制，这可能减少耐药性发展的可能性。然而，对这些金属的耐药性已有报道，且存在与抗生素耐药基因潜在交叉选择的担忧。这些金属在生物学权衡上也存在显著差异：银表现出最高的抗菌效力，但最窄的治疗窗口和即使在相对低浓度下也最高的毒性；铜通过产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）促进细菌杀伤，可能对宿主组织造成附带损伤；锌显示较温和的抗菌活性，但更有利的细胞毒性谱。一个关键的转化挑战是平衡抗菌效力与宿主细胞相容性，特别是针对角化细胞和成纤维细胞。
**4.1. 铜和锌系统：离子和ROS介导的活性及生物相容性约束**
Zhang等人通过TiO₂涂层系统探索了Cu和Zn作为掺杂剂的使用。2016年，他们证明掺Cu²⁺离子的微弧氧化（micro-arc oxidized, MAO）TiO₂涂层在体外改善了成纤维细胞粘附和增殖，同时表现出针对金黄色葡萄球菌的剂量依赖性抗菌活性。随后，他们扩展了这一方法至掺Zn的TiO₂涂层，其外层为H₂Ti₅O₁₁·H₂O（HTO）纳米阵列。虽然初始抗菌效应主要归因于表面形貌，但后续调查确认了Zn离子释放对抗菌活性的贡献。基于此，Zhang等人开发了同时含Cu和Zn的共掺杂TiO₂涂层，通过接触杀灭和释放杀灭机制观察到增强的抗菌效果。这些发现突显了一个关键挑战：更高的Zn浓度仅在特定阈值以下促进小鼠成纤维细胞的线粒体活性，超过该阈值则出现细胞毒性。这些观察强调了平衡金属离子浓度以实现稳健抗菌效力而不损害宿主组织活力的难度。为减轻金属离子的剂量依赖性细胞毒性，Leng等人引入了一种基于水凝胶的响应性释放动力学方法。他们开发了由ZnO纳米花状结构叠加甲基丙烯酸明胶（GelMA）和甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）水凝胶组成的复合涂层。添加HAMA允许涂层被酶降解，特异性由金黄色葡萄球菌介导的透明质酸酶分泌触发。这种受控降解暴露了底层ZnO区域，实现了Zn离子的靶向释放和ROS产生的增强，这两者都是抗菌活性的关键机制。重要的是，通过减少ZnO与周围组织的直接接触，水凝胶涂层显著改善了成纤维细胞活力并促进了生理条件下的软组织向内生长。该策略有效利用了生物学触发器实现按需、局部抗菌作用，同时大大提高了生物安全性。
**4.2. 银系统：浓度和释放曲线的优化**
与Cu和Zn系统的发展并行，基于Ag的涂层因其对革兰氏阳性、革兰氏阴性和真菌病原体的强效广谱抗菌活性而被广泛探索。银通过直接接触和离子释放产生细菌应激：当释放的Ag⁺离子穿透膜并凝聚DNA时，抗菌效应出现，导致严重细胞损伤。Smith等人通过将Ag纳米颗粒整合到制造于钛结构上的微孔3D聚己内酯（polycaprolactone, PCL）支架中，开创了一种多组分组织工程方法。这些支架与水凝胶层（HAMA或I型胶原Col I）和多种抗菌剂（Ag、TiO₂或醋酸氯己定）结合。该工作的一个关键发现是成功制造了拉伸强度（29.62 MPa）与人皮肤记录范围（17-21 MPa）相当的复合材料。后续研究集中于定义银的最佳治疗浓度。Chimutengwende-Gordon等人将不同浓度的银电化学沉积到钛盘的羟基磷灰石涂层上。他们发现较高的Ag含量有效抑制了金黄色葡萄球菌的细菌定殖，而较低的银浓度保持了相当的抗菌效果并减少了对成纤维细胞的潜在细胞毒性。这项工作对定义平衡抗菌效力与软组织相容性的最佳银浓度至关重要。最近，Mishra等人通过将银纳米团簇（AgNCs~3 nm）嵌入壳聚糖-聚乙二醇（CS-PEG）基质中，开发了一种多功能复合膜。该设计不仅阻碍了革兰氏阴性（大肠杆菌）和革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）细菌的生物膜形成，还增强了机械稳定性并实现了抗炎药物萘普生的可持续体外释放。尽管开发此类多功能系统显著拓宽了抗菌金属的治疗窗口，但离子储库的长期耗竭和累积细胞毒性的风险仍是关键瓶颈。

**5. 基于细胞的方法**
在材料策略之外，基于细胞的方法代表了被研究用于增强组织愈合和植入物整合的有前途途径。这些策略利用特定细胞类型如成纤维细胞促进基质形成和骨髓来源间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BMMSCs）调节炎症反应的再生潜力，旨在在皮肤-植入物界面建立持久的软组织密封。基础的细胞概念由Kantrowitz等人在心脏辅助装置背景下开创。他们假设在多孔植入物表面上预种成纤维细胞可生成致密的胶原基质，能够防止经皮装置中的上皮向下生长。Shevtsov等人进行的一项动物初步研究评估了表面形貌与细胞疗法的协同效应，通过将真皮成纤维细胞预种到具有二氧化钛纳米管（TiO₂-NT）修饰的钛柱上。在鼠模型中，该方法旨在通过预先建立细胞界面来创建生物学密封。结果显示，80 nm纳米管直径（为细胞锚定提供最佳基底）与成纤维细胞预种的组合加速了致密结缔组织层的形成。在6个月的随访中，组织学分析揭示了柱体多孔区域中稳健的软组织向内生长，无临床感染或袋鼠化迹象。该研究证实，将自体细胞预种到纳米结构表面上不仅增强了初始组织附着，还提供了优于光滑、未种对照组的抗细菌浸润的生物学屏障。基于这些初步发现，Bolle等人研究了通过熔融电写（melt electro writing, MEW）制造的高多孔聚己内酯支架，并将其预种人真皮成纤维细胞。通过使用3D重建人皮肤等效模型，他们证明预种支架支持了优越的表皮整合并显著减少了上皮向下生长，相比未种对照组。这种改善归因于在表皮化之前在MEW纤维内建立了稳健的类真皮基质，为角化细胞锚定提供了必要的机械和生化线索。然而，该研究也强调，袋鼠化并未在所有情况下被预防，特别是当初始真皮成熟不足时。这表明，虽然支架结构和细胞接种是关键，但预培养期和供体特异性成纤维细胞活性仍是实现一致生物学密封的关键变量。除基于成纤维细胞的疗法外，BMMSCs因其再生能力而引起了广泛关注。Isackson等人评估了预种BMMSCs的多孔钛植入物在鼠模型中的效果。与未处理植入物相比，BMMSCs接种的构建体显示出增加的胶原沉积和从急性到慢性伤口愈合反应的加速转变。尽管在新生血管形成和整体组织整合方面处理组与未处理组之间未观察到显著差异，但预种植入物表现出减少的炎症反应，表现为更薄的纤维囊和更少的巨噬细胞和巨细胞。总之，这些研究支持基于细胞疗法加速早期愈合和调节炎症反应的潜力，可能改善多孔经皮植入物的整合。然而，在结果一致性和这些策略的临床可扩展性方面仍存在挑战。值得注意的是，采用3D皮肤等效模型标志着从传统单层（2D）培养向更忠实的皮肤结构测试平台的观念转变。最终，建立稳健且持久的真皮密封需要将这些基于细胞的方法与优化的表面形貌和靶向抗菌策略协同整合。

**6. 结论**
综述文献强调了在皮肤-植入物界面实现稳定、抗感染的表皮密封的核心挑战，这是经皮肢体假体特别是ITAP系统长期成功的关键要求。尽管在表面工程领域取得了显著进展，包括纳米形貌修饰和生物功能涂层，但皮肤-植入物界面的一致长期整合仍是一个有待解决的问题。临床经验进一步表明，在牙科种植学中已成功的策略，如掺入基底膜组分如laminin-332，并未完全转化为下肢软组织环境的独特机械和生物学需求。虽然抗菌方法如银基涂层、控释系统和抗菌肽已减少了早期细菌定殖和生物膜形成，但它们很少提供持久保护。范式已因此从被动防御转向主动免疫调节。近期进展表明，纳米级表面形貌作为强大的物理线索，引导巨噬细胞分化远离促炎M1表型，走向促再生M2表型，从而减轻慢性异物反应和上皮向下生长。类似地，尽管基于细胞的疗法如间充质干细胞（MSCs）的应用在加速组织愈合和调节炎症方面显示出巨大前景，但现有材料和表面处理尚未能一致且以临床可扩展水平调和上皮向下生长、真皮组织附着和宿主免疫调节之间的复杂相互作用。这些限制共同解释了为何感染和袋鼠化仍然是广泛临床采纳的主要障碍。尽管本综述讨论的大多数证据仍处于临床前，一些临床数据正在出现，阐明了上述策略的转化潜力。例如，银涂层巨型假体的前瞻性临床研究报告了与未涂层钛植入物相比，假体周围感染率的一致降低——从17.6%降至5.9%以及从16.7%降至8.9%——为抗菌金属涂层的有效性提供了人体水平的确认。总体而言，针对肢体假体的表面工程皮肤-植入物界面的临床试验仍然缺乏，但这一转化基础可能有助于建立该方向的新方案。
**6.1. 未来展望与挑战**
未来研究应超越对单一策略的孤立评估，转向明确处理皮肤-植入物界面竞争性要求的整合模型。将抗菌防御与直接生物刺激相结合，通过促进ECM形成、角化细胞锚定和成纤维细胞增殖的表面，提供了有前途的方向。能够同时支持抗菌防御和稳健M2驱动的免疫稳态的杂化生物活性系统，如最近由近红外响应纳米结构所证明的，突显了多功能设计的潜力。因此，下一个挑战是确定是否可以通过同时促进软组织密封、控制细菌定殖和引导促再生免疫反应，将高多孔生物活性界面工程化为提供协同而非仅仅加性效应的系统。