光活化的植入体表面去污溶胶，其制法及应用

技术领域

本发明属于植入体感染治疗技术领域，具体涉及光活化的植入体表面去污溶胶，其制法及应用。

背景技术

植入体的出现，极大的推动了医学的发展。人工骨关节、骨科钛板钛钉在治疗骨相关疾病，牙科植入体在治疗牙缺失方面都扮演着十分重要的作用。但是植入体周围常常伴发感染，感染多由细菌定植引起。在感染早期可通过抗生素对细菌进行杀灭，但往往因为治疗不及时细菌大量繁殖，在植入体的表面迅速形成细菌生物膜，此时的治疗变得十分棘手。由于细菌生物膜不是细菌的简单堆积，而是由细菌和细菌分泌的胞外基质(ExtracellμLarPolymer Substrates，EPS)构成的三维网络结构，对外界刺激有很强的缓冲作用。EPS主要成分是多糖和蛋白质，其次为核酸、脂类等生物大分子，这些生物大分子堆积在一起，像堡垒一样保护着包埋其中的细菌，从而使抗生素对细菌的作用减弱甚至失效。因此生物膜一旦形成，抗生素治疗就显得苍白无力，若不及时治疗，随着植入体周围炎的进展，会出现植入体松动，脱落的状况，更甚者会引起菌血症危及生命，故植入体周围炎的治疗医学领域是一个亟待解决的问题。为了有效去除植入体表面的生物膜，手术清创配合化学药物是目前最常用的手段。通过手术切口暴露感染的植入体表面，对其表面的生物膜进行机械去除，如骨科常采用脉冲冲洗对植入体进行处理，牙科植入体采用刮治，喷砂等方式植入体进行表面处理。虽然机械去污可以去除绝大部分的生物膜，但是生物膜的残留是不可避免的，主要有以下几点原因：1)植入体表面的特殊结构，如牙科植入体表面的喷砂酸蚀粗糙表面让常规去污器械难以达到微米级凹坑内部。2)目前临床现存机械去污手段本身就存在去污能力有限的问题，比如脉冲冲洗，Charles M.Davis III等人研究(PμLse Lavage isInadequate at Removal of Biofilm from the Surface of Total Knee ArthroplastyMaterials，The Journal of Arthroplasty 29(2014)1128–1132)表明，脉冲冲洗后膝关节置换体表面仍会残留细菌。3)术者操作的不可控性，不同的医生的操作存在差异，清创的效果也有好有坏。残留的生物膜包括残留的细菌和残留的EPS，其中残留的细菌可以通过化学药物，如3％过氧化氢，氯己定等进一步杀灭，但是这些药物多通过局部冲洗的方式杀菌，这种使用方式存在作用时间短，对细菌杀灭能力有限的问题，故化学药物处理后的植入体表面仍然可能残留活菌，其次，化学药物对生物膜的降解作用有限，即使细菌被杀灭，也会被EPS包裹附着在植入体的表面。残留在植入体表面的生物膜成分中存在G-菌细胞壁成分脂多糖(LPS)，G+菌细胞壁成分脂磷壁酸(LTA)等致炎分子，会引起植入体周围的炎症，EdwardM.Greenfield(Adherent lipopolysaccharide inhibits the osseointegration oforthopedic implants by impairing osteoblast differentiation，Bone 52(2013)93–101)的研究表明，LPS会抑制牙科植入体骨再整合；Donald Y.M.Leung(Staphylococcusaureus Lipoteichoic Acid Damages the Skin Barrier through an IL-1eMediatedPathway，Journal of Investigative Dermatology(2019)139)研究表明，LTA可以引起皮肤等软组织的炎症。所以目前，感染植入体表面的去污不彻底是亟待解决的科学问题。

临床针对感染植入体表面深度去污的方法，主要有激光脉冲法、超声波法、光动力治疗等。激光由于具有较高的能量，在有效去除生物膜的同时，也会损伤植入体表面的涂层，超声波能有效去除生物膜，但是也存在残留的问题，而光动力治疗通过单线态氧对细菌有较好的杀灭作用，但是和化学药物类似，对生物膜降解作用有限。因此，提供一种高效、温和的感染植入体表面深度去污策略，在不破坏植入体表面的前提下实现残留细菌的杀灭和残余EPS的彻底去除，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供光活化的植入体表面去污溶胶，解决现有技术中不能在不破坏植入体表面的前提下，杀灭残留细菌及彻底去除残余EPS的问题。

本发明的目的之二在于，提供该植入体表面去污溶胶的制备方法。

本发明的目的之三在于，提供该植入体表面去污溶胶的应用。

为实现上述目的，本发明的采用的技术方案如下：

本发明所述的光活化的植入体表面去污溶胶，由包括过氧化物、氧缺陷型二氧化钛、赋型剂、水为原料的组分制成，每mL所述表面去污溶胶中包括1-300mg的氧缺陷型二氧化钛；所述表面去污溶胶中过氧化物的质量浓度为大于0.1小于等于40％；。

本发明的部分实施方案中，每mL所述表面去污溶胶中含有20～80mg氧缺陷型二氧化钛，所述表面去污溶胶中过氧化物的质量浓度为3％。

本发明的部分实施方案中，赋型剂的用量以保证表面去污溶胶具有一定的粘稠度，涂敷在植入体表面不易流淌，可以维持在目标区域，也避免接触和损伤正常组织。

作为优选，所述表面去污溶胶中赋型剂的质量浓度为0.5-9％，更优选为2-4％。

本发明的部分实施方案中，所述过氧化物包括无机过氧化物或/和有机过氧化物；所述无机过氧化物优选过氧化氢；有机过氧化物优选过氧化脲、过氧乙酸、过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基。

本发明的部分实施方案中，所述氧缺陷型二氧化钛，具有氧空位和三价钛离子。

本发明的表面去污溶胶的去污作用是基于氧缺陷型二氧化钛的三种特殊效应及其协同增强作用实现的。三种特殊效应包括光催化效应、类芬顿效应和光热效应。本发明的表面去污溶胶通过附形剂搭载氧缺陷型二氧化钛，赋予其在钛表面的附着能力，构筑了红光/近红外光控制的多功能纳米平台，该平台可凭借附形剂的流动性紧密充分地和植入体表面接触，在污染表面原位高效产生ROS和热,有效的杀灭残留活菌和瓦解EPS。

所述光催化效应是指氧缺陷型二氧化钛在红光/近红外光照射下，产生光生电子和空穴，可以对吸附在其表面的有机物进行彻底降解。

所述类芬顿反应是指，氧缺陷型二氧化钛由于有较强还原性的三价钛离子的存在，可以催化过氧化氢分解为羟基自由基，该催化反应受pH影响小，不产生二次污染。同时，我们发现该类芬顿反应受温度影响大，在20-60℃范围内随着温度的升高，对过氧化氢的催化效果越好。

所述光热效应是指由于氧缺陷型二氧化钛较普通二氧化钛在波长400-2500nm的光谱范围内吸光度大幅提升，可在红光/近红外光的照射下可以将光能转化为热能。

光催化效应、类芬顿效应以及光热效应的协同增强效应是指：1)氧缺陷型二氧化钛可以通过两条途径催化过氧化物的产生羟基自由基，包括①三价钛离子催化②光生电子催化，其本质都是提供电子给过氧化物，使其过氧键断裂，生成自由基；2)过氧化物在被氧缺陷二氧化钛激活的同时，有效消耗了部分光生电子，可抑制光生空穴和电子的复合，增强光催化作用；3)氧缺陷型二氧化钛在光的激活下发挥光催化作用的同时，可以将光能转化为热能，而热能可以极大的增强类芬顿反应。综上，本发明的植入体表面去污溶胶是一个协同增效的体系。

此外，本发明的过氧化物为过氧化氢时，其裂解后产生的羟基自由基在淬灭时可以产生氧气，可以增加氧缺陷型二氧化钛周围的氧气浓度，氧气和光生电子结合产生超氧阴离子自由基可以消耗更多光生电子产生更多的超氧阴离子自由基，有效抑制光生电子和空穴的复合。

本发明的部分实施方案中，所述赋型剂包括海藻酸钠、卡波姆。

本发明通过添加赋型剂，使氧缺陷型二氧化钛和过氧化物可以黏附在植入体表面持续工作，同时方便去除。

本发明的部分实施方案中，表面去污溶胶中的海藻酸盐质量浓度为2-4％，优选为3％。

本发明的部分实施方案中，所述光包括可见光和近红外光，其中可见光波段为400-780nm，近红外短波段为780-2500nm；可见光优选为白光或单色光，近红光优选波长808nm的LED激光。

本发明所述光的光源可以选用LED灯、激光灯。

本发明所述的溶胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.配制赋型剂溶胶：将赋型剂加水混合后，配制成赋型剂溶胶；

步骤2.将缺陷型二氧化钛分散于水中，配制成混悬液，再加入步骤1制得的赋型剂溶胶，混合均匀，得到工作溶胶前驱体；

步骤3.将过氧化物溶液与工作溶胶前驱体混合均匀，即得所述表面去污溶胶。

本发明的部分实施方案中，所述步骤1制成的赋型剂溶胶中，赋型剂的质量体积浓度为1～18w/v％，其中质量单位为g时，体积单位为mL；

所述步骤2制成的混悬液中，氧缺陷型二氧化钛的质量体积浓度为0.2～60w/v％，其中质量单位为g时，体积单位为mL；

所述步骤3中，过氧化物溶液的质量体积浓度为0.2～40w/v％，其中质量单位为g时，体积单位为mL。

本发明的部分实施方案中，步骤1中，将海藻酸钠加水混合，配制成质量体积浓度(w/v)为5％-7％，优选为6％的海藻酸钠溶胶；

本发明的部分实施方案中，所述步骤2中的水优选为去离子水；混悬液中氧缺陷型二氧化钛的浓度为20-200mg/ml，优选80mg/ml；

赋型剂溶胶和氧缺陷二氧化钛混悬液按10-1:1体积比混合；

工作溶胶前驱体与过氧化物溶液按体积比2-15：1混合，优选的体积比为9：1。

本发明所述的溶胶在植入体表面去污中的应用；优选地，所述去污包括灭菌或/和降解生物膜；优选地所述生物膜包括细菌分泌的细胞外基质成分，更优选地，为蛋白、核酸、多糖类大分子物质。

本发明的部分实施方案中，所述植入体为自然暴露或手术暴露的感染植入体。

所述植入体包括牙种植体、骨板、骨钉、人工关节；优选地，所述植入体的材质包括钛、钛合金类、锆合金类、聚醚醚酮(PEEK)类。

本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的使用方法为：感染后自然暴露或手术清创时暴露的植入体表面，在传统机械刮治或冲洗处理之后使用；将本发明的表面去污溶胶涂敷在暴露的植入体表面；涂敷完成后，在光激活下发挥作用，伴随着热和ROS的产生，利于去除EPS和杀灭残留活菌。

照射时间为1min-30min，根据感染轻重调节处理时间，可多次处理，处理完成后；溶胶可用负压吸头吸走或冲洗干净。

本发明所述的氧缺陷型二氧化钛为现有技术。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学，操作简便，不仅能有效地对植入体表面进行清洁，而且不会破坏植入体的表面，这对保持植入体表面的涂层具有重要意义。本发明通过2种温和的高级氧化技术原理赋予表面去污溶胶出色的杀菌能力和降解能力，这与传统的抗菌溶胶(如氯己定溶胶)灭活生物膜不同，本发明不仅能将细菌杀死，还可以将EPS降解，将具有不良生物学效应的细菌来源的生物大分子充分降解去除，以溶胶的使用形式改变了传统双氧水冲洗液在消毒方面的使用方式，增加其作用时长，并且通过催化剂的催化作用和光热作用大幅增强了双氧水的作用。

此外，本发明的表面去污溶胶还具有增强植入体成骨性能。

本发明所涉及的原料获取容易，成本低廉，溶胶合成条件温和，使用方便。

附图说明

图1为本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备流程图；

图2为本发明的光激活的植入体表面去污溶胶抗浮游金葡菌的抗菌率结果图；

图3为本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的抗金葡菌生物膜的结果图；

图4为本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的降解残余EPS的结果图；

图5为本发明的表面去污溶胶处理后的植入体表面具有促进细胞成骨效果的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做更进一步详细说明：

实施例1

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，其制备流程如附图1所示。其制备方法具体为：

步骤1.配制赋型剂溶胶：取海藻酸钠适量，在磁力搅拌作用下，溶于去离子水中，形成质量浓度为6％的赋型剂溶胶，备用；

步骤2.取一定量的氧缺陷型二氧化钛分散于去离子水中，室温下磁力搅拌均匀，再超声进一步分散，制备得到80mg/mL的混悬液，备用；

步骤3.将步骤2制得的混悬液与步骤1制得的赋型剂溶胶按体积比1：1混合，室温下搅拌均匀，超声，静置，继续搅拌，超声，如此反复3次，制得工作溶胶前驱体；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为30％的过氧化氢溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为9：1。

实施例2

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.配制赋型剂溶胶：取卡波姆适量，在磁力搅拌作用下，溶于去离子水中，调节PH至5-7后形成质量浓度为1％的赋型剂溶胶，备用；

步骤2.取一定量的氧缺陷型二氧化钛分散于去离子水中，室温下磁力搅拌均匀，再超声进一步分散，制备得到100mg/mL的混悬液，备用；

步骤3.将步骤2制得的混悬液与步骤1制得的赋型剂溶胶按体积比2：1混合，室温下搅拌均匀，超声，静置，继续搅拌，超声，如此反复3次，制得工作溶胶前驱体；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为40％的过氧化氢溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为8：1。

实施例3

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.配制赋型剂溶胶：取卡波姆适量，在磁力搅拌作用下，溶于去离子水中，后形成质量浓度为6％的赋型剂溶胶，备用；

步骤2.取一定量的氧缺陷型二氧化钛分散于去离子水中，室温下磁力搅拌均匀，再超声进一步分散，制备得到150mg/mL的混悬液，备用；

步骤3.将步骤2制得的混悬液与步骤1制得的赋型剂溶胶按体积比3：2混合，室温下搅拌均匀，超声，静置，继续搅拌，超声，如此反复3次，制得工作溶胶前驱体；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为35％的过氧化氢溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为7：3。

实施例4

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.配制赋型剂溶胶：取海藻酸钠适量，在磁力搅拌作用下，溶于去离子水中，后形成质量浓度为19％的赋型剂溶胶，备用；

步骤2.取一定量的氧缺陷型二氧化钛分散于去离子水中，室温下磁力搅拌均匀，再超声进一步分散，制备得到20mg/mL的混悬液，备用；

步骤3.同实施例1的步骤3；

步骤4.同实施例1的步骤4。

实施例5

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.配制赋型剂溶胶：取卡波姆、海藻酸钠适量，在磁力搅拌作用下，溶于去离子水中，后形成卡波姆、海藻酸钠的质量浓度均为5％的赋型剂溶胶，备用；

步骤2.取一定量的氧缺陷型二氧化钛分散于去离子水中，室温下磁力搅拌均匀，再超声进一步分散，制备得到200mg/mL的混悬液，备用；

步骤3.同实施例1的步骤3；

步骤4.同实施例1的步骤4。

实施例6

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.同实施例1的步骤1；

步骤2.同实施例1的步骤2；

步骤3.同实施例1的步骤3；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为30％的过氧化脲溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为9：1。

实施例7

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.同实施例1的步骤1；

步骤2.同实施例1的步骤2；

步骤3.同实施例1的步骤3；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为15％的过氧化脲溶液与质量浓度为15％的过氧化氢溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为9：1。

实施例8

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的制备方法，具体为：

步骤1.同实施例1的步骤1；

步骤2.同实施例1的步骤2；

步骤3.同实施例1的步骤3；

步骤4.将步骤3制得的工作溶胶前驱体吸入到螺口注射器中，将质量浓度为15％的过氧化氢溶液吸入到另一只螺口注射器中，两支螺口注射器通过螺口注射器连接体连接，来回推动注射器以混匀二者，形成工作溶胶后，将其全部推入到一只注射器中，取下螺口注射器连接体，接上注射器针头，便可进行使用；其中工作溶胶前驱体与过氧化氢溶液体积比为9：1。

实施例9

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的抗菌作用。本实施例中所述的ATH为按实施例1方法制得的表面去污溶胶，AT为按实施例1方法制得的工作溶胶前驱体；AH为按实施例1制备植入体表面去污溶胶的方法制备的不添加氧缺陷型二氧化钛的溶胶；所述A为按实施例方法制得的赋型剂溶胶。ATH、AT、AH、A的具体组成为：

A：每1ml含有3％海藻酸钠；(空白对照组)

AH：每1ml含有3％海藻酸钠+3％过氧化氢；(双氧水对照组)

AT：每1ml含有3％海藻酸钠+40mg缺陷型二氧化钛；(缺陷二氧化钛对照组)

ATH：每1ml含有3％海藻酸钠+3％过氧化氢+40mg缺陷型二氧化钛。(实验组)

1.浮游金葡菌

以96孔板为反应容器，将50μL ATH加入300μL菌液中(≈1.5*10

2金葡菌生物膜

在喷砂酸蚀钛表面培养2天的金黄色葡萄球菌生物膜，培养后，弃掉菌液，生理盐水洗三次去除未黏附到钛表面的细菌，将溶胶涂布到钛片表面，1％CaCl

实施例10

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶对生物膜降解作用，本实施例的实验分组同实施例9。

1.降解生物膜实验

金黄色葡萄球菌在钛片上培养两天形成生物膜，再用碳刮治器处理钛片表面，未被刮治器去除的细菌成分，即残留的EPS，将ATH涂敷在碳刮治器处理后的金黄色葡萄球菌污染(2d)钛片上，1％CaCl

实施例11

本实施例公开了本发明的光激活的植入体表面去污溶胶促进细胞成骨的实验。

设置了3个组，首先在钛片上培养2天的金黄色葡萄球菌生物膜，用碳纤维刮治器进行刮治，刮治未去除的生物膜可以模拟临床处理残留在植入体表面的生物膜，命名为残留生物膜钛片组(residual biofilm，RB)；对刮治后的钛片进行溶胶光照处理(0.505wcm

结果如附图5所示，结果表明：①植入体表面残留的生物膜(已灭活)，会抑制大鼠间充质干细胞的成骨分化，这证明其有害性。

②溶胶处理钛片组，其成骨效果相较残留生物膜钛片组明显提高，说明残留生物膜在溶胶处理后得到有效的清除。

③溶胶处理钛片组，其成骨效果相较干净钛片组也有提高，说明溶胶除了具有良好的生物膜去除能力，同时能活化钛表面，使其具有更好的成骨活性。

本发明的光激活的植入体表面去污溶胶的使用方法为：感染后自然暴露或手术清创时暴露的植入体表面，在传统机械处理之后使用；将本发明的表面去污溶胶涂敷在暴露的植入体表面；涂敷完成后，采用400-780nm或/和780-2500nm的光辐照植入体表面。辐照时间为15-30min。

根据感染轻重适当增加处理时间，处理完成后，溶胶可用负压吸头吸走。

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。