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以生物医用材料为中心的感染(Biomaterial Centered Infection,BCI)随着生物材料应用的增加发病率明显增高,占医院感染的45%。特别是人工心瓣膜,全人工髋关节,人造大血管置换等发生感染,将会带来极其严重的后果。一般认为细菌在材料表面经历一个动态的可逆吸附和不可逆粘附过程后,在材料表面附着并分泌形成一层生
物膜,该膜既能保护膜内细菌免受宿主体内免疫机制及抗菌素的作用,又能促进细菌的进一步粘附,造成BCI的发生。在临床BCI不仅发生率高且治疗效果差,感染进程常常持续到生物材料取出为止。
目前细菌粘附与材料表面特性有关是肯定的。Rutter,Gristina等研究表明细菌初期在材料表面的粘附是吸引力-斥力平衡的结果。细菌与材料表面的负电荷是产生静电斥力的原因,吸引力主要是范德华力,疏水力,特异性相互作用等。静电斥力使得细菌远离材料表面,但范德华力的第二引力区(离表面约15纳米)能有效地将细菌稳定在该区域。疏水作用力范围离表面约8∼10纳米,并且其强度比范德华力强10至100倍,它能有效地克服在范德华力的第一与第二引力区之间的斥力(离表面约2-3纳米),能使细菌进入第一引力区
,从而使得细菌细胞膜表面受体与材料表面的配体发生特异性相互作用,造成较强的结合(尽管是非共价结合)。被结合细菌的分泌物又进一步形成生物膜,保护膜内细菌。
Neuman基于热力学理论建立了一个细菌在材料表面粘附的数学模型:ΔFadh=γSB-γSL-γBL。其中ΔFadh为吸附自由能,γSB为材料与细菌间的界面张力,γSL为材料与介质液体间的界面张力,γBL为细菌与介质液体间的界面张力。从热力学角度看,ΔFadh越小则细菌的粘附就越容易。Absolom进一步考查细菌与液体表面张力,区分出如下三种情况:
(1)γLV>γBV 液体表面张力大于细菌表面张力。细菌的粘附随材料表面张力(γSV)的变大而减少。
(2)γLV<γBV 液体表面张力小于细菌表面张力。细菌的粘附随材料表面张力(γSV)的变大而增多。
(3)γLV=γBV 细菌与液体表面张力相等。细菌的粘附与材料表面张力无关。
大多数细菌与绝大多数材料表面均具有一定程度的疏水性。改善材料表面的亲疏水特性对减少细菌材料间的疏水作用、细菌的粘附,是可行的方法之一。如Jansen等人在表皮葡萄球菌对植入聚合物材料粘附的研究中发现,随着材料表面张力的增加,细菌的粘附明显减少。
生物医用材料作为植入材料,使用时主要考虑其生物相容性,即材料表面与宿主之间界面上的相互作用。 |
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