作者：内蒙古自治区人民医院骨科中心（运动医学中心）     牛琳

骨感染是骨缺损治疗中的重大挑战，导致复发、耐药性、高发病率和高并发症风险，严重影响着患者的预后和康复。当前，骨修复生物材料虽有良好的生物相容性、降解性和机械强度，但其抗菌能力不足，限制了其治疗效果，迫切需要开发新型抗菌生物材料。细菌污染是感染性骨缺损的核心诱因，通常继发于创伤、疾病或手术后。致病菌在骨缺损处定植并形成生物膜。生物膜的形成及病原体内化至骨细胞的行为，使细菌能够有效逃避免疫清除，加剧炎症反应并严重阻碍骨修复。然而，传统治疗手段面临显著局限：长期使用抗生素易引发耐药性，而手术清创和骨移植等方法则难以同步解决感染控制与骨再生问题。此外，炎症微环境本身还会干扰支架材料的预期降解动力学，影响治疗效果。更深层次上，微生物介导的骨免疫微环境失调会进一步阻碍骨再生过程。即使是被认为具有良好生物相容性的钛植入物，也可能因其高弹性模量和低表面活性而引发炎症反应和感染风险。

近年来，开发兼具抗菌和成骨能力的多功能生物材料成为骨缺损研究的热点。理想的材料需满足双重功能需求。例如，pH响应性材料可智能地针对感染部位的酸性环境释放抗菌成分，同时促进成骨。金属-有机框架等功能化材料则通过整合抗菌、抗炎和促血管生成等多重特性，实现协同治疗效应。在抗菌机制方面，这些材料展现出多样化的策略，包括离子释放（如Ag+、Zn2+）、表面修饰（如抗菌肽涂层）或复合天然抗菌多酚（如单宁酸）等，从而有效对抗耐药菌和顽固性生物膜。酚类生物材料在伤口愈合和骨修复领域已显示出应用潜力。除了直接抗菌，调控免疫反应和修复微环境是另一关键方向。特定纳米晶须结构的双相磷酸钙陶瓷等新型生物材料能够通过调控巨噬细胞极化来减轻炎症，从而促进大段骨缺损的修复。智能响应型材料则能实现远程、精准调控抗炎和细胞治疗过程。这些抗菌骨支架在临床转化上具有显著优势：它们通过多方法联用克服单一疗法的局限性，同时兼顾良好的生物相容性和血管化需求。3D打印技术进一步赋能了抗菌生物材料的应用，能够定制化生产可注射生物活性材料，以适配复杂的骨缺损形态。抗菌生物材料的开发不仅有效解决了感染性骨缺损中“抗感染－促再生”这一协同难题，还通过积极的免疫调节和微环境优化显著提升了骨修复效果。

金属离子掺杂型材料

在骨组织工程与感染防控领域，羟基磷灰石和生物玻璃因其良好的生物相容性、骨传导性和生物活性而被广泛应用，但其固有的抗菌能力不足和机械性能局限促使研究者引入功能性金属离子以构建复合多功能材料。多种金属离子通过破坏细菌膜结构、诱导活性氧产生及干扰微生物代谢并促进骨再生。细菌依赖铁离子代谢并形成生物膜，感染部位铁缺乏可削弱免疫细胞功能，而铁过量会促进细菌增殖。含铁磁体材料在交变磁场下升温，显著抑制细菌生物膜形成；同时激活核苷酸结合寡聚域（NOD）样受体和TNF通路，增强免疫应答与成骨分化。锌离子具有固有抗菌属性，锌离子掺杂磷酸钙涂层可使大肠杆菌定植减少99%，金黄色葡萄球菌减少90%。银离子可直接释放到感染部位，抑制细菌生长。银离子或纳米颗粒掺杂的骨水泥可持续释放抗菌成分，显著降低术后感染的风险。Ivankovic等将银离子引入羟基磷灰石晶格中，对鲍曼不动杆菌形成持续有效抑制作用。银和铈共掺杂硼硅酸盐生物活性玻璃，表现出对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌很强的抗菌活性，同时具有良好的生物活性和细胞相容性。锰离子可调节氧化还原状态产生抗菌活性。研究人员通过胶原纤维和氧化锌纳米线（IMC/ZnO）的共组装和纤维内矿化，开发了一种生物活性复合支架。IMC/ZnO表现出类似骨的分层结构，增强了成骨、抗菌活性和细菌感染的骨愈合能力。铜离子作为潜在抗生素替代物，具有抗菌活性。铜纳米颗粒（CuNPs）或铜离子与EDTA（乙二胺四乙酸）结合时，能协同对抗耐药菌株，缩短了抗菌时间。在骨替代材料中，铜离子掺入可赋予固有抗菌特性，解决抗生素耐药性问题。Cu-Sr共掺杂锌合金（Zn-Cu-Sr）结合铜的抗菌能力与锶的成骨活性，实现抗感染与骨修复双功能。镁离子促进成骨分化和骨代谢，在骨组织工程中改善支架的机械强度和降解性能。Chen等将低合金Zn-MgAg掺入生物材料中，显著提高了革兰氏阳性、革兰氏阴性菌株及抗生素耐药菌株抑制作用，同时显著提高骨结合功能、力学性能。

智能响应型材料

智能响应型抗菌材料是一类能够感知外界环境微小的物理或化学变化，并自动调整自身的物理性质或化学状态，从而在特定时间、特定地点按需释放抗菌活性，实现高效、精准杀菌的新型材料。光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）作为非侵入性、无耐药性的抗菌策略，是一种针对感染性骨缺损的新型骨修复策略，其抗菌机制核心在于光激活产生活性氧（ROS）或局部高温。光敏剂在特定波长光照下生成ROS，特别是单线态氧，破坏细菌细胞膜及DNA，有效穿透生物膜并激活免疫清除。Yang等开发基于PDA修饰的AuAg双金属纳米颗粒，并制备了一种新型二硫化钼（MoS2）基于复合纳米材料（AuAg@PDA-MoS2NPs），在808nm近红外光照10min下接近99%灭菌效率。后期，MoS2模拟过氧化物酶活性，平衡感染环境中ROS的产生，以实现长期抗炎。PTT则依赖光热剂（如黑磷、金属纳米颗粒）产生局部＞42℃高温，直接破坏细菌结构并间接增强免疫应答，具有深部穿透和非耐药性优势。Wu等开发了一种基于近红外响应仿生微/纳米钛酸盐/TiO的协同光热PTT/PDT治疗策略，构建异质结构涂层KMNW和NaMNS，增强了光热转换能力，在808nm辐照下实现了48～51℃的局部高温，促进了大量活性氧的产生。体外抗菌实验表明，KMNW对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率最高，分别为98.78%和98.33%。

研究人员设计了一种多功能的Cu2O@MXene/α-磷酸三钙（α-TCP）支架，通过程序化温度控制快速杀死早期细菌，同时通过低光热刺激以促进骨组织生长，从而减少对健康细胞和组织的损害。PDT/PTT协同机制，产生“1+1＞2”效应：光热作用可增强ROS生成、耗尽细菌内抗氧化系统，同时高温促进ROS扩散，扩大杀菌范围，包括厌氧菌。声动力疗法主要利用超声波激活声敏剂，从基态跃迁至激发态，产生的ROS具有极强的氧化性，能无差别地攻击细菌的细胞膜、蛋白质、脂质和DNA。Wang等开发了一种由Ti改性3C2纳米片（HN-Ti3C2）用于骨髓炎和骨再生的高效声动力学治疗，Ti3C2通过在超声（US）照射下快速转移HNTM产生的电荷载流子，通过产生大量ROS杀死耐药细菌，大大提高了声学催化性能，HN-Ti3C2对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌表现出近99%抗菌效果。pH响应型材料是将pH敏感化学键连接抗菌剂和载体，酸性环境下断裂释放。Yao等开发了pH敏感明胶甲基丙烯酰氧化海藻酸钠水凝胶，用于硫酸庆大霉素和苯那敏的双重释放，以增强抗菌活性并促进大骨缺损修复。氧化应激响应材料利用感染部位高浓度的ROS或谷胱甘肽作为刺激源，研究人员设计一种负载有甲状旁腺激素的铜涂层二氧化锰（MnO）纳米颗粒。该支架表现出优异的抗菌活性，并在缺损部位增强了血管形成和骨生成。

仿生抗菌肽功能化材料

仿生抗菌肽（AMPs）生物材料指通过模拟天然抗菌肽的分子结构与功能，通过物理结合、化学修饰或载体负载等方式将抗菌肽整合至骨修复支架、涂层或植入体表面，设计出兼具抗菌活性和骨修复功能的生物材料。由于其静电吸附破坏带负电荷细菌膜，疏水端形成孔洞致胞质泄露，物理性破坏细菌细胞膜完整性。部分抗菌肽可上调宿主免疫细胞活性，促进抗菌肽β-防御素2/3的分泌，增强局部免疫应答。研究人员开发了抗菌和成骨双功能嵌合肽，并利用3,4-二羟基-L-苯丙氨酸的粘合特性将其整合到3D打印的PEEK支架上，CP由DOPA连接的GL13K抗菌肽和PFS成骨肽组成，可增强细菌膜破坏，同时促进骨髓间充质干细胞黏附和成骨分化。在羟基磷灰石结构域引入BMP2-MP和PSI10抗菌肽的多孔支架，具有对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌BL21抑制作用，同时促进了Ⅰ型胶原、骨钙素和Runx2的基因表达和蛋白翻译水平。Ye等开发了一种由丝素蛋白、壳聚糖、纳米羟基磷灰石、LL-37抗菌肽和帕米膦酸盐组成用于骨再生的新型3D支架，小鼠模型的体内研究揭示了该支架在减少炎症、细菌负荷及促进骨再生方面的有效性，使其成为治疗感染性骨缺损的有前途的候选者。将ROS可切割键/抗菌/骨靶向单元的三嵌段靶向肽嫁接到巨噬细胞衍生的外泌体上，体内外实验证实该支架可有效根除MRSA/E细菌和诱导M2巨噬细胞分化。有研究发现，成骨细胞对大肠杆菌黏附具有强大的抑制作用。此外，骨基质的定向胶原蛋白/磷灰石微组织对大肠杆菌表现出优异的抗菌性。其抗菌机制是高度对齐的成骨细胞分泌抗菌肽，包括β-防御素2和β-防御素3。Dai等从胶原膜中提出了一种由自组装和互穿GL13K抗菌肽组成的膜，改进了抗菌和防污活性，同时保持与成纤维细胞和前成骨细胞的相容性，成功解决了与抗菌涂层相关的挑战。常用生物材料的抗菌性及应用性如表1所示。

小结与展望

在感染性骨缺损中，复杂的病理微环境特征明显，持续性细菌感染和免疫微环境紊乱导致促炎因子过度释放和骨溶解加剧。这种酸性且富含ROS的微环境进一步抑制了骨再生进程。近年来，开发兼具抗菌和成骨能力的多功能生物材料成为骨缺损研究的热点。理想的材料需满足双重功能需求，如pH响应型材料可智能地针对感染部位的酸性环境释放抗菌成分，同时促进成骨。金属－有机框架等功能化材料则通过整合抗菌、抗炎和促血管生成等多重特性，实现协同治疗效应。同时，抗菌生物材料在骨修复应用中面临诸多挑战。生物材料可能诱发感染风险和不当宿主免疫响应，骨感染环境中的复杂微环境因素加剧了治疗难度。

此外，对宿主免疫响应的忽视会导致宿主响应受损和不可预测的副作用，使感染问题复杂化。部分生物材料在骨再生后期可能抑制生物矿化沉积，影响骨成熟过程，且一些新型材料虽受关注，但实际应用中长期稳定性和功能性难以实现。临床转化也面临诸多挑战，如开发双功能材料的复杂性、感染控制策略不完善，以及骨再生与抗菌效果协同机制不明晰。未来抗菌生物材料在骨修复领域的发展将聚焦于宿主免疫调节，使抗菌性能与宿主先天免疫系统互补，共同抵抗病原体入侵，并开发生物材料介导的免疫调节疗法。值得注意的是，现有治疗策略在感染性骨缺损管理中较难实现在不同治疗阶段灵活切换治疗目标。例如，在急性感染期需强化促炎与抗菌作用，而在骨修复期则需转向抑炎与组织再生促进。因此，开发能够随微环境动态变化、自主调节功能的智能型生物材料，已成为未来研究者亟需突破的关键方向。此外，纳米技术在骨组织工程中的应用将扩大，涵盖多个领域，加强抗菌骨材料的临床翻译研究也将推动实用治疗方案的产生。总之，抗菌生物材料在骨修复领域的发展将通过技术创新和多学科整合，逐步解决现有挑战，为复杂骨感染提供高效、安全的治疗途径。

来源：生物骨科材料与临床研究2026年06月第23卷第3期