干涉螺钉表面改性在ACL重建中的应用

第20章 前交叉韧带重建手术中使用的干涉螺钉的表面改性

查拉兰博斯·P·查拉兰博斯、塔里克·A·夸伊斯和保罗·M·萨顿

摘要

在前交叉韧带重建手术中，通常使用干涉螺钉将移植物固定于胫骨和股骨骨隧道内。对这类干涉螺钉进行表面改性，可能有助于促进移植物‐骨整合并降低感染风险。这有望实现更快的术后康复、更早重返运动以及改善长期临床结果。本章回顾了已应用于前交叉韧带重建用干涉螺钉的表面改性技术，同时也综述了其他骨科植入物上已采用且未来可能推广至交叉韧带重建手术的表面改性技术。

前交叉韧带（ACL）是为膝关节提供稳定性的主要韧带之一。它从股骨外侧髁的后内侧部分延伸并附着于胫骨。该韧带由前内侧束和前外侧束组成。前交叉韧带（ACL）通过限制胫骨相对于股骨的前向移位以及提供旋转稳定性来维持膝关节的稳定性。

ACL断裂很常见，估计发病率为每10万人年37例[1]。其发生既有接触性损伤的原因，也有非接触性损伤的原因，其中后者占病例的60%[2]。Joseph等人在美国研究的九项运动中，女子足球和男子橄榄球的ACL损伤数量最多，且比赛相关的前交叉韧带损伤率最高[3]。他们的研究表明，运动员在比赛中发生前交叉韧带损伤的可能性是在训练中的七倍。

可能增加前交叉韧带断裂风险的患者特征包括女性性别[4]、股骨髁间窝狭窄[5, 6]、胫骨内侧平台后下方坡度更大[7, 8]、关节过度活动伴随膝关节伸展增加[9, 10]、髂胫束柔韧性增加[11]、高体重指数[12]、核心稳定性差和核心本体感觉差[13, 14]。跳跃落地或变向及转身动作时的膝关节位置和生物力学因素似乎也会影响前交叉韧带断裂的风险（据报道，在进行这些动作时膝关节和髋关节屈曲减少、膝关节外展增加、支撑时间较短、髋关节内旋增加以及胫骨外旋增加的运动员，其断裂风险更高）[15, 16]。

在急性期，前交叉韧带断裂通常会引起明显疼痛、活动受限和肿胀，这些症状由关节内炎症和出血引起。长期而言，由于残余膝关节不稳，该损伤还可能导致显著的功能障碍[17, 18]。相当一部分发生前交叉韧带断裂的患者可通过膝关节肌肉强化和本体感觉训练来代偿断裂韧带的影响，从而恢复功能性膝关节稳定[17]。然而，仍有相当比例的此类患者（三分之一至三分之二）会持续存在残余不稳，进而限制其日常生活活动或参与运动的能力。对于这些患者，可进行前交叉韧带重建手术以改善膝关节稳定性[19, 20]。Joseph等人对美国运动员前交叉韧带损伤的研究显示，所有前交叉韧带损伤中有76.6%需要手术[3]。

前交叉韧带重建是一种用自体或人工移植物替换撕裂的韧带的手术操作。通常使用来自同一患者的移植物（自体移植物），但有时也会采用同种异体移植物或合成移植物。自体移植物中的腘绳肌腱移植物、骨‐髌腱‐骨移植物和股四头肌腱移植物的应用已有充分描述。在最近一项针对骨科医生的国际调查中，63%的受访者报告使用腘绳肌腱移植物，26%使用单个髌腱骨移植物[21]。

在前交叉韧带重建术中，移植物被固定于胫骨和股骨上，其位置旨在复制撕裂的前交叉韧带的附着点。传统的前交叉韧带重建技术旨在重现原生前交叉韧带的前内侧束，而近期发展的技术则旨在同时重现较大的前内侧束和后外侧束[22–25]。在前交叉韧带重建中，会在股骨和胫骨中创建骨隧道，移植物被插入其中并固定。随着时间推移，生物学固定和移植物整合发生，使得初始的机械固定变得不再必要。已有多种技术用于将移植物固定于这些骨隧道中，这些技术可分为四种类型[26–31]：
1. 直接骨外固定（钉书 stapler）
2. 间接骨外固定（股骨或胫骨按钮）
3. 半解剖固定（穿透固定系统）
4. 解剖固定（干涉螺钉）。

这些固定技术的目的是在移植物通过骨与移植物愈合和移植物的骨整合实现永久稳定性之前，将移植物固定在位[32]。

本章重点讨论干涉螺钉的表面改性，因为此类螺钉是移植物固定最常用的方法之一（图20.1）[33, 34]。界面螺钉固定是将螺钉与移植物一同插入骨隧道中（图20.2），通过螺钉将移植物压紧在骨隧道壁上，从而实现移植物的固定。

干涉螺钉可以是金属或非金属的。非金属螺钉可由可生物吸收的或不可吸收的材料制成。目前有钛和不锈钢制成的界面螺钉[34]。金属螺钉的缺点包括在螺钉插入过程中可能因材料原因对移植物造成损伤硬度，以及由于产生伪影而对膝关节术后MRI成像造成干扰[35, 36]。此外，如果需要进行ACL重建翻修手术，金属干扰螺钉的存在可能会使手术复杂化，因为可能需要将其取出，从而留下残留的骨缺损，需在进行新移植物植入前用骨移植材料填充。相比之下，可吸收螺钉可在移植物整合前提供牢固固定，随后逐渐被骨组织替代。这可以使翻修手术更为简便，因为可以直接钻孔通过原有区域，无需取出硬件和进行骨移植。

已开发出多种可生物吸收的螺钉，包括[26, 37–40]：
1. 可吸收聚合物—（聚‐L‐乳酸(PLLA)、聚乳酸‐羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚‐L/D‐乳酸(PLDLA)、聚‐D,L‐乳酸‐羟基乙酸共聚物(PDLG)）。
2. 生物复合材料—a聚合物（如PLLA、PLGA、PLDLA、PDLG）与陶瓷（如 β‐磷酸三钙(β‐TCP)、羟基磷灰石(HA)、碳酸钙、双相磷酸钙）的复合物。

首批商用可吸收螺钉由聚‐L‐乳酸（PLLA）制成，随后出现了聚‐D,L‐乳酸‐羟基乙酸共聚物（PDLG）螺钉。可吸收聚合物的降解分为五个阶段：水合、解聚、质量损失、吸收与排泄[41]。然而，临床研究表明，这些材料的实际体内吸收和骨整合率非常缓慢，甚至可能不发生[42]。此外，由于 PLLA的结晶度，还存在引发炎症反应的担忧。为了增强骨传导性和骨整合性，开发了生物复合螺钉，将可吸收聚合物与生物陶瓷结合。所用的生物陶瓷是骨骼中常见的钙成分，如碳酸钙和磷酸钙（β‐TCP、羟基磷灰石）。这些钙成分能够与周围骨组织形成牢固结合，为成骨细胞侵入和新骨形成提供支架。因此，陶瓷成分有助于在植入物表面及内部实现骨整合[42, 43]。此外，由于钙成分可中和聚合物降解产物产生的酸性，生物复合螺钉还可能减少炎症反应的发生。

一项针对瑞典国家膝关节韧带登记系统中约13,000例ACL重建术的回顾显示，在2年随访时翻修手术发生率为1.6%[44]。使用金属界面螺钉对胫骨端半腱肌肌腱自体移植进行固定的患者，其早期翻修手术风险显著降低。一篇比较前交叉韧带重建术中金属螺钉与可吸收螺钉的重叠荟萃分析的系统性综述指出，尽管两种螺钉在临床与功能结果方面相似，但使用可生物吸收的螺钉更常出现持续性膝关节积液、股骨隧道扩大（与其他研究结果一致[45, 46]）以及螺钉断裂[30]。

通常认为，在移植物插入并使用干扰螺钉进行隧道固定后，会发生以下过程：
1. 移植物关节内部分的韧带化——这一过程包括移植物的缺血性坏死、急性炎症，随后是血管再生、宿主成纤维细胞侵入和增殖，最终形成新的胶原蛋白并进行重塑[47]。
2. 移植物与骨在胫骨和股骨骨隧道内的愈合——隧道扩孔和界面螺钉插入被认为会导致物理创伤、产热以及局部炎症介质的释放，从而引起骨坏死。坏死的骨组织随后可能通过破骨细胞激活和基质金属蛋白酶的产生而被清除。与此同时，移植物与骨愈合开始启动。骨隧道内的移植物与骨愈合主要为间接愈合，根据组织学动物研究[48, 49]显示，该过程经历多个阶段：
- 在移植物与骨之间的界面处形成一层肉芽组织，该组织由富含细胞和血管成分的结缔组织构成，作为两者之间的中间区。骨道的骨边缘表现出类骨质形成以及成骨细胞和破骨细胞活性参与的骨重塑。
- 中间区逐渐成熟，细胞成分减少，并有胶原纤维从移植物与骨之间垂直延伸发育。
- 纤维性中间区被骨小梁长入所替代（图20.2）。

Rodeo等在犬模型中评估了肌腱与骨隧道的愈合情况[48]。他们报告称，4周时可见连接肌腱与骨的胶原纤维，并在12周时完全建立。在12周之前，拔出测试会导致移植物从骨上分离，但在12周之后更可能观察到移植物内部失效，这表明此时移植物与骨的愈合已基本完成。Grana等在兔子中评估了半腱肌腱与骨隧道的愈合情况[49]。他们观察到，在固定术后3周即可看到将移植物与骨连接起来的胶原纤维。与此一致的是，他们在前交叉韧带重建术后不足2周进行测试的样本中发现，移植物会从骨隧道中拔出，而在术后3周则发生关节内部分的移植物失效。Pinczewski等评估了2例因早期失效（由于移植物实质断裂）而接受翻修前交叉韧带重建手术患者的移植物‐骨界面组织，并提出移植物与骨的整合发生在手术后6至15周之间[50]。

前交叉韧带重建手术是一种常见的手术，其实施频率正在上升。在美国，前交叉韧带重建的发病率从1994年的估计86,687例（95% CI，94,993–164,679；每10万人年32.9例）上升到2006[51]的129,836例（95% CI，94,993–164,679；每10万人年43.5例）。该手术费用较高，2013年的平均费用约为$2040[52]。前交叉韧带重建是一项要求高且具有挑战性的手术，术中及术后并发症的发生率相对较高[53–55]。移植物骨整合不良以及术后感染是导致前交叉韧带重建失败或影响其长期功能结果的重要并发症。

在前交叉韧带重建手术中，用于移植物‐骨固定的界面螺钉表面改性可用于促进移植物‐骨整合并降低感染风险。本文在讨论已应用于前交叉韧带重建用界面螺钉的表面改性技术的同时，也综述了其他骨科植入物所采用的表面改性技术，并探讨了这些技术未来可能被拓展应用于前交叉韧带重建手术中的前景。

20.1 移植物‐骨整合不良

在使用腘绳肌腱和界面螺钉进行前交叉韧带重建时固定，将移植物拉入胫骨和股骨隧道中，并在每个隧道内插入一枚界面螺钉。界面螺钉将移植物压紧于隧道骨壁上（图20.3）。界面螺钉固定的目的是固定移植物，防止移植物从隧道内部分或完全滑出进入膝关节。部分滑脱会导致移植物张力丧失，并可能导致持续不稳；而移植物完全滑脱将导致外科重建失败。这种由界面螺钉实现的初始固定是

临时固定是必要的，直到移植物永久愈合到骨上。使用干涉螺钉实现的初始固定稳定性受螺钉直径[56]、长度[57]、骨孔隙率以及螺钉与骨隧道的偏离[58]的影响。在前交叉韧带重建手术中，胫骨附着点通常是薄弱环节，因为其骨密度较差（相对于股骨）。这种情况可能因膝关节相对固定及由此导致的失用性骨量减少而进一步加重。初始固定稳定性对于允许术后膝关节早期活动和康复至关重要。对于因骨质量差而无法实现牢固固定的患者，康复可能需要延迟。这可能会推迟前交叉韧带重建术后功能恢复的各项里程碑。

移植物与骨愈合以及移植物和固定装置的骨整合对于提供永久性移植物稳定性至关重要。因此，快速而充分的愈合过程可最大限度地降低移植物滑脱的风险，从而允许早期和更强化的康复。骨隧道扩大是前交叉韧带重建术后观察到的一种现象，指在前交叉韧带重建手术后6周至6个月之间发生的骨隧道体积扩张[46]。骨隧道扩大在皮质外移植物固定后更为常见，但也有使用金属和可生物吸收螺钉进行界面螺钉固定后的报道[45, 59]。骨隧道扩大的临床意义存在争议，但有证据表明其可能会增加移植物松弛。科恩等人显示，在拉赫曼试验中，伴有骨隧道扩大的患者比无骨隧道扩大的患者更可能出现胫骨前移增加[58]。骨隧道扩大可能导致移植物在前后平面上的移位以及移植物张力丧失。骨隧道扩大会使翻修前交叉韧带重建更加困难，因为需要对较宽的骨隧道或骨缺损进行彻底的植骨。骨隧道扩大的发病机制尚不明确，可能涉及多种机制，包括：移植物在骨隧道内的过度移动、相对于移植物直径过大的骨隧道、过大的可吸收界面螺钉、由于螺钉降解引起的炎症反应、早期强化康复，以及滑膜液渗入移植物与骨隧道界面也被认为与此有关[60–63]。其机制在于，滑膜液细胞因子已被证明可激活破骨细胞，从而可能导致骨吸收；因此，减少移植物与骨或骨与螺钉之间的界面间隙，以及促进早期移植物与骨愈合，可能有助于降低骨隧道扩大的风险。

界面螺钉表面改性可以促进移植物与骨愈合以及骨整合。此类改性可能包括
1. 在表面涂覆可局部释放的因子，以促进骨整合或抑制植入物相关骨坏死和骨溶解。此类涂层还可吸引成骨细胞，而不会在周围组织中释放[64]。
2. 改变表面形貌以吸引成骨细胞[65]。

已证明有多种因素可促进移植物与骨愈合，可考虑用于螺钉涂层。这些因素包括
1. 生长因子—转化生长因子 β(TGFβ)、表皮生长因子(EGF)、血小板源性生长因子(PDGF)、胰岛素样生长因子(IGF)[66–68]、粒细胞集落刺激因子 (G‐CLF)[69]、人骨形态发生蛋白‐2和7(BMP‐2和7)[70–72]。
2. 生物材料—组成类似于骨的钙陶瓷—β‐TCP、羟基磷灰石、碳酸钙、双相磷酸钙[43, 73]。
3. 破骨细胞和基质金属蛋白酶抑制剂—α‐2‐巨球蛋白、骨保护素、双膦酸盐[74–76]。

螺钉涂层，无论是金属还是非金属，若含有这些因素，有可能促进移植物‐骨愈合并改善骨整合。已有大量研究评估了用于骨折固定或其他骨稳定用途的骨科螺钉涂层的效果。大多数研究评估了使用基于钙的生物材料、胶原蛋白或双膦酸盐对螺钉进行涂层的影响，并证明这些材料能够成功增强局部骨形成和愈合过程。有证据表明，这些涂层也可应用于移植物与骨愈合过程，并促进骨整合。

Lu等人研究了涂覆有基于羟基磷灰石的矿物层并设计用于释放工程肽生长因子（link‐BMP‐2）的可生物吸收的干涉螺钉是否能够改善肌腱‐骨愈合，相较于未涂层螺钉[83]。他们对14只绵羊进行随机分组，分别植入涂有 link‐BMP‐2的螺钉或未涂层螺钉。体外实验显示，在6周内最初结合的 link‐BMP‐2超过80%被释放，组织学分析表明，使用link‐BMP‐2涂层螺钉固定的肌腱其肌腱‐骨愈合效果优于未涂层螺钉组。作者还报告称，在涂层组的螺钉‐肌腱界面处存在间充质细胞，而在未涂层组中则未观察到。该研究结论为，link‐BMP‐2可成功结合于矿物涂层的界面螺钉表面，并能从螺钉中持续释放，从而改善肌腱‐骨愈合。

表面形貌、粗糙度、润湿性和电荷可影响植入物‐宿主相互作用和骨整合[84–88]。粗糙表面可促进细胞黏附并促进骨形成[85, 87, 89, 90]。将植入物的表面粗糙度从传统的微米级结构改变为纳米级结构，可进一步增强成骨细胞黏附和钙沉积，同时抑制成纤维细胞功能[86, 90, 91]。外科植入物通常具有通过喷砂和酸蚀制备的微粗糙表面。然而，蛋白质和细胞是在纳米尺度上与植入物表面相互作用的。因此，提供纳米结构的表面改性可能有助于涂层和未涂层表面的骨整合。

萨卢等人比较了机械加工标准氧化铝喷砂酸蚀（MICRO）种植体与纳米结构（NANO）种植体在兔股骨中的骨整合情况[92]。他们报告称，MICRO表面显示出典型的随机孔洞（平均粗糙度1.5 μm），而NANO表面显示出规则排列的二氧化钛纳米管（直径7 ± 11纳米，160纳米厚度）。植入后4周，NANO组植入物的抗拔出力高于其他组。此外，组织学检查显示骨组织直接附着于NANO表面。NANO表面的骨与植入物接触和骨生长数值也更高。基于这些发现，作者得出结论：纳米结构表面可能改善钛植入物的骨整合，可作为传统表面处理技术的一种有价值的替代方案。

在一项类似的研究中，林等人评估了不同钛植入物表面结构对骨整合的影响[89]。他们在钛植入物上开发了三种类型的TiO2涂层结构，包括纳米管结构、纳米海绵样结构和纳米/微米巢状结构。通过组织学方法评估了将涂层钛螺钉插入兔子膝关节后的体内骨整合情况。他们发现，与未处理螺钉或具有纳米海绵样结构的螺钉相比，具有纳米/微米巢状结构和纳米管表面结构的螺钉可实现更好的骨整合。同样，具有纳米/微米巢状结构和纳米管表面结构的螺钉其螺钉拆卸扭矩力也更高。

在最近的一项系统性综述中，高德曼等人评估了研究钛植入物不同纳米结构表面改性对成骨细胞增殖影响的文献[93]。在他们回顾的大多数文章中，与微结构或光滑表面相比，纳米结构表面增强了成骨细胞的增殖。关于植入物表面掺入的纳米复合材料，掺铌（Nb2O5）的TiO2纳米片结构促进了细胞黏附和增殖。具有纳米晶粒形态的锶掺杂羟基磷灰石被证明可加速成骨细胞增殖[94, 95]。证据表明，界面螺钉的纳米表面改性可能为促进局部骨生长以及加快移植物骨整合提供新的方向。

第20章 前交叉韧带重建手术中使用的干涉螺钉的表面改性

20.2 感染风险与表面改性

前交叉韧带重建术后感染较为罕见，可能为浅表感染且后果相对较轻，也可能为深部感染并导致显著发病率。深部感染可能表现为关节内的化脓性关节炎，累及移植物的关节内部分；或累及移植物‐骨固定处的骨隧道的骨髓炎；亦可为两者同时发生。化脓性关节炎在前交叉韧带重建术后的报道发病率为约0.4[96, 97]至0.6%[98]。

深部感染是前交叉韧带重建术后的一种严重并发症，可能导致移植物失效、关节软骨破坏、关节僵硬和继发性骨关节炎。有证据表明，腘绳肌自体移植物的感染率高于骨‐髌腱‐骨自体移植物和异体移植物；一项包含超过10,000例重建手术的登记库报告显示，使用腘绳肌自体移植物的感染风险约为骨‐髌腱‐骨移植物的三倍[99]。

ACL手术后治疗深部感染的目标是在清除感染的同时保留ACL移植物。然而，有证据表明，在高达14%的患者中，需要同时移除移植物和界面螺钉以及骨隧道清创术，可能有助于消除感染[100]。这种情况通常发生在存在骨髓炎和固定植入物感染时。一旦骨科植入物上发生感染，就会形成生物膜层，保护微生物免受抗生素治疗的影响，因此通常需要通过植入物移除来实现感染清除[101–103]。相当一部分与植入物相关的感染由葡萄球菌引起，尤其是金黄色葡萄球菌和凝固酶阴性葡萄球菌[104]。植入物表面可能在手术过程中受到细菌污染，也可能由于细菌一过性释放（即菌血症）而在远离手术时间的其他时期发生污染。这种情况可能由其他部位的感染引起，甚至可能在刷牙等简单的日常生活中发生。细菌能够在植入物表面长期保持休眠状态，直到局部条件（如宿主免疫活性、不良周围组织环境）允许其增殖，从而导致感染。

细菌黏附到植入物表面是感染发病机制中的重要步骤，该过程通过称为黏附素的特殊细胞壁受体实现。细菌黏附被认为包括两个阶段[105, 106]：
1. 附着于表面的物理阶段，此阶段是可逆的。
2. 分子与细胞阶段。此阶段不可逆，细菌对表面的粘附更加牢固。

细菌黏附受多种因素影响，包括[102, 103, 107–110]：
1. 接触细菌的时间长度。
2. 细菌特性，如污染负荷、疏水性、表面变化。
3. 宿主因素，如血清或组织蛋白——纤维蛋白原和纤连蛋白促进黏附，白蛋白抑制黏附。
4. 环境条件——血流速度（在较高流速下细菌黏附较少，因此剪切速率更高），局部pH有影响，大多数细菌的多糖产生在pH值约为7时达到最佳，局部温度。
5. 植入物特性，如表面几何结构影响细菌黏附。粗糙表面对细菌的黏附率增加，可能使细菌免受剪切力的影响。

一旦附着，细菌便在表面定植，进一步繁殖并占据表面。附着的细菌可分泌一层胞外聚合物（主要是多糖），称为黏液，它包围并保护细菌免受抗生素和其他宿主防御机制的侵害（图20.4）[107]。表皮葡萄球菌尤其擅长产生此类层。细菌及其胞外层被称为生物膜。黏液可起到滤器作用，允许营养物质通过，同时防止抗生素等有害物质侵入，并可能促进局部厌氧环境，有利于细菌存活。

表面改性干涉螺钉的表面改性可使植入物更耐感染，通过干扰细菌粘附、定植和生物膜形成的过程，或通过杀死细菌来实现。已探索了多种表面改性技术，如表20.1所示。其中一些旨在形成被动屏障以阻止细菌最初的表面粘附，但大多数旨在主动杀死细菌。

表20.1 用于预防植入假体细菌感染和定植的方法
抗粘附屏障
- 纳米图案化表面[130–133]
- 超疏水表面[114, 134, 135]
- 水凝胶[136–139]
- 非粘附性聚合物[140–143]
- 白蛋白[118]
杀菌方法
- 抗生素涂层和共价连接[116, 144–147]
- 生物抗菌肽[112, 148–152]
- 生物壳聚糖衍生物[153–156]
- 裂解性噬菌体[157]
- 细胞因子[158]
- 带正电荷的聚合物[113]
- 银纳米颗粒[159–165]
- 铜离子[124, 125]
- 锌离子[126, 127]
- 二氧化钛[166–168]
- 硒离子[128, 129, 169]

值得注意的是，旨在促进骨整合的表面改性（例如涂覆基于钙的生物陶瓷），也可能具有抗感染作用。Gristina等人提出了“表面争夺战”的概念，即宿主细胞与细菌竞争谁先在植入物表面定植[111]。根据该理论，当宿主细胞率先成功定植于表面时，细菌粘附的概率极低，反之亦然。

材料表面特性会影响细菌粘附，包括表面电荷[108, 112, 113]、疏水性[109, 114]、表面粗糙度[88, 115]和纳米级形貌[84, 116]。据认为，对植入物进行表面改性以形成亲水性、光滑的表面有助于减少细菌黏附。金属具有高表面能，带负电荷且具有亲水性；聚合物表面能较低，电荷较少且具有疏水性。细菌可能对不同疏水性的材料表现出不同的黏附行为。表面粗糙度可能通过提供更大的接触和结合表面积而促进细菌黏附。增加表面光滑度可防止细菌定植。植入物表面的蛋白质涂层也可能减少黏附。Charville等人报道，用牛血清白蛋白处理植入物表面可降低表面疏水性，并减少所测试的三种细菌种类的细菌黏附[117]。已有研究表明，白蛋白应用于材料表面可抑制细菌在聚合物、陶瓷和金属表面的黏附[118]。相反，纤连蛋白[119, 120]和纤维蛋白原[117, 121]似乎会促进葡萄球菌和表皮葡萄球菌等细菌的黏附。

Puckett等人通过体外实验研究了金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和铜绿假单胞菌在常规钛、纳米粗糙钛以及通过两种不同阳极氧化工艺[122]制备的纳米管状和纳米结构化钛表面的粘附情况。他们报告称，与常规（纳米光滑）钛相比，纳米粗糙钛降低了所有细菌种类的黏附。他们得出结论：特定纳米尺度的钛表面形貌可能有助于减少细菌黏附，同时促进骨组织形成。

控制材料表面的形貌和疏水特性可能是影响细菌与表面相互作用的一种方法，在开发抗感染生物材料时必须考虑这一点。尽管这类表面改性在无需机械或生物学固定的骨科表面上可能具有价值，但在干涉螺钉中的应用时，重要的是此类改性不会抵消局部骨刺激和骨整合。

杀菌可通过表面改性实现，例如通过允许接触杀菌的涂层、局部释放抗生素以及其他干扰细菌过程（如呼吸和代谢通路、细胞膜完整性和细菌基因组）的物质。旨在杀死细菌的表面涂层可以具有以下形式：
1. 抗生素
2. 有机剂，如抗菌肽和细胞因子
3. 金属
4. 非金属元素，例如硒。

植入物表面的抗生素涂层（无论是直接涂覆还是通过抗生素载体）可实现细菌消除。然而，这种方法仅对对抗生素敏感的细菌有效，因此若要成功用于感染预防，需要使用广谱抗生素。耐药细菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA））可能对常规抗生素涂层无反应。医院中高达40%的金黄色葡萄球菌（S. aureus）菌株可能是MRSA[123]。为了克服此类抗生素的局限性，已开始使用非药物抗菌肽剂。这些制剂可能具有更广泛的抗菌作用，且不易引发细菌耐药性的产生。这些制剂可通过直接发挥抗菌活性或通过增强局部宿主防御通路发挥作用。

特定的纳米级金属涂层可能具有杀菌作用。银已被广泛研究，其离子可有效干扰细胞代谢，破坏细菌膜通透性，使重要蛋白质失活，并导致活性氧生成。铜[124, 125]和锌[126, 127]也已被证明是有效的抗菌剂。

硒是动物和人体中的微量元素，并显示出减少假体植入物上细菌附着的潜力。特兰和韦伯斯特证明，暴露于细菌污染下的硒涂层聚合物表面的金黄色葡萄球菌密度显著低于未涂层表面[128]。在另一项研究中，霍林卡等人评估了硒涂层钛盘对细菌黏附和成骨细胞生长的影响[129]。他们发现，与未涂层钛盘相比，硒涂层钛盘上的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌黏附显著减少，且对成骨细胞生长无任何抑制作用。

结论

尽管我们对移植物骨整合过程以及与制造技术进步相关的感染发病机制有了更深入的理解，且制造技术的进步使得诸如干涉螺钉等固定装置的表面改性成为可能，但仍存在诸多挑战。在将实验室观察结果转化为临床实践之前，必须充分了解局部药代动力学，包括洗脱率和持续时间。同时，最大限度地减少对局部宿主组织的细胞毒性和局部炎症反应也至关重要。目前关于表面改性有益效果的大部分证据来自体外或体内动物研究，而对人体的临床评估仍亟待开展。此外，在对干涉螺钉表面进行涂层时，必须充分理解其对物理特性（如锐度）的影响[55]。这一点非常重要，因为螺钉螺纹过于锐利可能在螺钉插入过程中导致移植物撕裂和固定失效[35, 36]。建立描述干涉螺钉撕裂特性的标准化系统，有助于指导外科医生选择合适的螺钉。在评估新型表面涂层时，临床研究必须关注表面涂层可能带来的不良效应，例如表面涂层破坏及涂层碎片的关节内迁移可能导致异物磨损、关节内损伤和滑膜炎症。

总之，前交叉韧带重建手术中使用的界面螺钉表面改性是一个令人振奋且不断发展的领域。未来，界面螺钉的表面改性可能有助于改善移植物愈合的生物学性能、增强抗感染能力、促进更快的康复，并提高前交叉韧带重建手术的功能结果。骨科医生、科学家和植入物制造商之间的合作对于将基础科学研究转化为改善患者临床结果至关重要。