關節置換術是一種常見的骨科手術，主要用於治療關節疾病或關節損傷。然而，超過10%接受關節置換術的患者會因人工關節無菌性鬆動而需要進行翻修，在增加患者痛苦的同時也給他們帶來了額外的經濟負擔。

日前，中國科學院北京納米能源與系統研究所的研究團隊成功在鈦金屬植入物表面制備了一種新型壓電納米纖維涂層，可以有效預防植入物無菌性鬆動，降低關節置換術失敗率。相關成果發表在《先進功能材料》上。

無菌性鬆動會對關節置換術造成哪些風險？新型納米纖維涂層如何預防無菌性鬆動？其臨床應用前景如何？記者採訪了相關專家。

急需降低術后翻修率

關節置換術是將人工材料制作的關節植入人體內，使其代替病變關節發揮功能的外科手術。“無菌性鬆動是人工關節假體在無感染且無外部創傷的情況下，與骨骼之間發生的鬆動，是關節置換術后最常見的並發症。它是造成關節置換術后翻修的常見原因，嚴重影響人工關節假體的使用壽命。”蘇州大學附屬第二醫院骨科副主任醫師張應子介紹。

避免無菌性鬆動發生有諸多難點。張應子說，首先，無菌性鬆動在臨床上的發生不可預測。雖然有研究表明，肥胖、衰老、遺傳基因等因素與其密切相關，但這些關聯性目前尚無定論與共識。同時，因為臨床實踐中對無菌性鬆動尚無有效防治手段，所以現在主要採取的應對方法仍是手術翻修。而手術翻修難度大，造成的創傷也較大，且術后並發症較多，會給患者帶來沉重負擔。

目前，無菌性鬆動的發病機制尚不明確。國內外研究提出了多種發病機制理論，包括磨損微粒誘導骨溶解理論、微動理論、應力遮擋理論、高流體壓力理論、內毒素理論和個體遺傳差異理論等。

其中，磨損微粒誘導骨溶解理論是當前接受度最為廣泛的一種理論。這一理論認為，骨植入物磨損產生的微小顆粒使巨噬細胞的吞噬功能異常，繼而引起破骨細胞過度表達，加劇了骨溶解，導致骨重建平衡被打破。骨植入物周圍過度表達的破骨細胞使得骨植入物進一步鬆動，從而產生更多磨損顆粒。磨損顆粒使破骨細胞進一步被激活，導致無菌性鬆動形成惡性循環。

“預防無菌性鬆動，可以從減少人工關節假體磨損顆粒產生的角度入手。但這對假體的加工工藝、個性化定制水平，以及假體的應力匹配等方面要求較高，將耗費更多的財力人力。”張應子說。

因此，在目前成熟的植入假體基礎上，開發一種具有普適性、靈活性且長期有效的再加工方法，即在已有植入假體上進行加工改造顯得尤為必要。

材料來源廣泛且成本低廉

“為了更好地應對無菌性鬆動，我們首先驗証了磨損微粒誘導骨溶解理論的合理性。”中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員李舟介紹。

研究人員在大鼠股骨髓腔內進行了鈦金屬植入手術，並向鈦植入物附近注射鈦納米顆粒，模擬植入假體產生的磨損顆粒。

一段時間后，研究人員對鈦植入物周圍的新生骨進行顯微CT掃描分析，發現注射鈦納米顆粒的大鼠新生骨生長受到明顯抑制。這說明磨損微粒誘導骨溶解理論成立，磨損顆粒會引起巨噬細胞異常吞噬，從而上調破骨細胞的骨溶解活動，導致植入物周圍新生骨量較低。

成骨細胞是一種電響應型細胞，其生長增殖分化等生理活動受電信號直接調節。“我們在此前的研究中發現，聚左旋乳酸（PLLA）是一種能將機械能轉化為電能的壓電材料。其產生的電信號能顯著促進成骨細胞分化，促進新骨再生。”李舟說。

為了加強這種電刺激，團隊將唑來膦酸（ZA）作為PLLA材料加工過程中的成核劑。一方面，這樣可以提高PLLA的壓電性能﹔另一方面，ZA作為一種治療骨質疏鬆的臨床藥物，能夠從PLLA中緩慢釋放出來，直接抑制破骨細胞的骨溶解活動。

研究人員將這種摻雜了ZA的PLLA作為涂層，通過靜電紡絲工藝制備在植入物表面。它能夠包裹住植入物，使其在磨損時減少磨損顆粒產生，且疏鬆的納米纖維涂層有利於細胞快速長入。在PLLA和ZA的協同作用下，該涂層能快速啟動骨植入物周圍的新骨再生，並能長期預防骨溶解活動異常，起到預防植入物無菌性鬆動的作用，有望大大提高關節置換手術成功率。

實驗結果表明，在磨損微顆粒存在的情況下，相比於單純的鈦金屬植入物，表面制備了PLLA/ZA涂層的植入物周圍新骨生成體積比從11.67%提高至75.06%，且新生骨中幾乎不存在成熟的破骨細胞。

新型納米涂層有利於細胞和血管浸潤，具有生物安全性和可降解性等特點。而且PLLA來自可再生能源，能從植物澱粉中提取，來源廣泛、成本低廉。“這種涂層預防無菌性鬆動效果顯著，在臨床應用方面很有發展前景。”李舟說。

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