抗生素復合骨水泥洗脫特性的實驗研究

宋夏楠,周大鵬,劉欣偉,劉 兵,紀振鋼,韓天宇

(北部戰區總醫院骨科，遼寧 沈陽 110016)

隨著社會及科技的不斷進步，高能量損傷造成的骨缺損、骨感染等不斷增加，因其花費高、治療周期長、療效不確切等問題，增加了患者及醫護工作者的負擔?？股毓撬嗟膯柺?，改善了骨缺損、骨感染的治療問題?？股毓撬嗫筛鶕煌枨笠圆煌男问綇V泛應用于骨科的各個領域，如預防及治療假體周圍感染、慢性骨髓炎等。雖然骨水泥中可以加入不同種類抗生素，但需要根據細菌培養及藥敏結果來選擇最佳抗生素。目前開放性損傷、骨髓炎等多不是由單一細菌引起，可能是革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌或者這兩者共同作用導致。葉志軍等[1]經調查統計得出，創傷骨科常見細菌為銅綠假單胞菌、大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌、鮑曼不動桿菌、腸球菌屬。張文明[2]的研究顯示，骨科常見細菌除了上述細菌外，還有表皮葡萄球菌、克雷伯菌屬，且革蘭氏陰性菌的比例高于革蘭氏陽性菌。因此，單一抗生素已無法完全滿足臨床對抗菌的需要，故應考慮將2種或2種以上抗生素引入骨水泥中。目前臨床上針對革蘭氏陽性菌主要應用萬古霉素，但其對抗革蘭氏陰性菌的作用有限，故需要再加入針對革蘭氏陰性菌的抗生素，如頭孢他啶，且萬古霉素與頭孢他啶均已被證實可在骨水泥中有效釋放[3-4]。但加入2種抗生素后是否會影響各自的釋放特性，還需進一步研究。故本研究主要探討萬古霉素聯合頭孢他啶的復合抗生素骨水泥在體外環境下的釋放特性，以期為臨床上骨感染的預防及治療提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

骨水泥PMMA(Palacos Lv Heraeus，德國)、萬古霉素(Eli Lilly，日本)、頭孢他啶(齊魯制藥有限公司)、島津10A高效液相色譜儀、自動計時裝置、自制骨水泥模具。

1.2 方法

1.2.1 樣本制作 將骨水泥樣品分為單一萬古霉素組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g萬古霉素)、聯合組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g萬古霉素+2 g頭孢他啶)和單一頭孢他啶組(40 g PMMA骨水泥中混入2 g頭孢他啶)。利用自制骨水泥模具，每組制作成6個直徑(10±1)mm、高(20±1)mm的骨水泥圓柱體。

1.2.2 PBS緩沖液配制 將2.958 g磷酸二氫鉀溶于含130 mL甲醇的870 mL純化水中，經過混勻、超濾、排氣泡，制備成pH為7.30的PBS緩沖液。

1.2.3 洗脫實驗 將各組骨水泥圓柱體放入無菌玻璃瓶內，分別加入5 mL的PBS緩沖液完全浸泡圓柱體，并置于37 ℃恒溫下，每24 h更換PBS緩沖液1次。各組取4 h、8 h、16 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、2周、3周、4周、6周試樣液2份，應用高效液相色譜儀在236 nm波長下測定2種抗生素洗脫濃度。頭孢他啶出現洗脫峰的時間約為5 min，萬古霉素出現洗脫峰的時間約為16 min。

1.3 統計學方法

2 結果

聯合組各時間點萬古霉素的洗脫濃度均較單一萬古霉素組高(P<0.05)，頭孢他啶的洗脫濃度也均較單一頭孢他啶組高(P<0.05)，見表1、2。

表1 不同時間點單一萬古霉素組和聯合組萬古霉素洗脫濃度

表2 不同時間點聯合組和單一頭孢他啶組頭孢他啶洗脫濃度

3 討論

骨感染對于骨科醫生而言一直是棘手的問題，反復無法控制的感染最終會導致患者截肢?？股毓撬喑霈F已有幾十年，并以不同形式用于骨感染的預防及治療中。自抗生素載體被引入臨床以來，已有大量的科研及臨床報道對抗生素骨水泥的各個方面(如釋放特性、抗壓強度等)進行了研究，因其可局部釋放，故抗生素在骨水泥中的用量較傳統全身靜脈用藥少，濃度更低，毒性隨之更小。目前，抗生素骨水泥已廣泛用于骨科各領域。

抗生素骨水泥是將抗生素混入骨水泥中，目前大多選用PMMA骨水泥，抗生素的選擇則需根據細菌培養結果確定，但并不是所有敏感抗生素均滿足放入骨水泥中的條件。PMMA骨水泥在其聚合過程中會產生熱量，核心溫度為60～80 ℃[5]，目前認為可加入骨水泥的抗生素需滿足以下條件：抗菌譜廣、天然耐藥菌株較少、與蛋白質結合較少、過敏反應輕、耐熱、水溶性好等[6]。臨床上以萬古霉素、慶大霉素、妥布霉素的應用較廣泛，其中歐洲主要以萬古霉素及慶大霉素為主，美國以萬古霉素為主[7-8]。據大量文獻報道，其他可用于PMMA骨水泥的抗生素還包括頭孢菌素、替考拉寧、亞胺培南、哌拉西林、達托霉素、莫西沙星、利福平、氨芐青霉素、美羅培南、厄他培南等[3,9-11]。因抗生素的加入，PMMA骨水泥的機械強度會有所下降，故加入抗生素的劑量需慎重考慮。通常認為在PMMA骨水泥中加入的抗生素越多，其洗脫出來的抗生素就會越多，但Slane等[12]將0～3 g妥布霉素和0～3 g萬古霉素按照不同比例混合加入到PMMA骨水泥中進行為期28 d的洗脫研究，結果顯示3 g妥布霉素和2 g萬古霉素組合累計釋放的濃度高于劑量最大的3 g妥布霉素和3 g萬古霉素組合。Paz等[13]的研究也得出類似結果，并不是PMMA骨水泥中抗生素含量越多釋放越多。低含量抗生素可能產生與高含量抗生素相同水平的抗菌作用(即高于最小抑菌濃度)，同時可以減少成本。本研究考慮到實用性及經濟效益，選擇2 g萬古霉素與2 g頭孢他啶混合。

抗生素從PMMA骨水泥中的釋放過程其實是一種表面彌散，液體進入骨水泥后將抗生素進行溶解再析出。骨水泥中的抗生素通過孔隙內濃度梯度彌散而釋放，抗生素的釋放從外部開始，當液體滲入到內部時，深部的藥物才得以繼續向外擴散。深部的抗生素釋放緩慢，一般在幾小時內釋放較高，達到高峰，幾天內釋放明顯下降。故得出骨水泥中抗生素釋放的曲線，抗生素的釋放可以分為3個階段：第1階段為初始階段，也可稱為爆發階段，即抗生素在最初時間里(24 h內)大量且快速釋放，并迅速達到高峰；第2階段為中間階段，經過了抗生素的爆發式釋放，抗生素在此階段(幾天內)的釋放逐漸變為緩慢；第3階段，即終末階段，此階段抗生素的釋放更為平緩，趨于平直。本研究中抗生素的釋放規律與李濤等[11]研究中抗生素的釋放規律相符，萬古霉素、頭孢他啶均符合3階段的釋放，甚至二者混合之后各自的洗脫濃度亦滿足先爆發釋放、再降速、再平緩的規律。

隨著研究的不斷深入，發現創口、感染處所培養出的細菌并不只有1種，可能是2種及2種以上的混合細菌，單一抗生素無法覆蓋所有細菌，故可在骨水泥中加入2種甚至多種抗生素。但在PMMA骨水泥中加入2種抗生素，因抗生素釋放特性的不同可能相互影響。目前針對2種抗生素的釋放研究較多為萬古霉素和妥布霉素、萬古霉素和慶大霉素[4,14]。Penner等[4]將2.4 g妥布霉素和1 g萬古霉素混合加入到骨水泥中進行洗脫實驗，得出混合組中妥布霉素累計釋放量較對照組(僅含妥布霉素)增加了68%，萬古霉素的釋放量則增加了103%，其認為在骨水泥中加入2種抗生素可改善抗生素在體外的洗脫，呈協同作用。本研究將萬古霉素與頭孢他啶混入骨水泥中，結果提示聯合組抗生素釋放濃度較單一組增加，這可能是由于聯合組將2種抗生素以粉末狀形式混入骨水泥中，因單位骨水泥中的粉末狀抗生素較單一組多，第2種作為可溶性的添加劑，而添加劑的溶解會在骨水泥中留下更多的空隙，進一步增加骨水泥中的孔隙率[4]，使抗生素能進一步析出，2種抗生素互相作為可溶性的添加劑，故析出均增加。然而，并不是抗生素混合后均能產生協同效果，Li等[15]將慶大霉素與萬古霉素混合進行洗脫實驗，結果發現，與單一萬古霉素相比，聯合慶大霉素后萬古霉素的釋放量大大減少，而對慶大霉素的釋放影響則不大。Bertazzoni等[16]的研究也得到了類似的結果，他們研究2.5%慶大霉素和5%萬古霉素在Cemex骨水泥的洗脫濃度，結果顯示，萬古霉素對慶大霉素洗脫的影響不大，但慶大霉素負載后萬古霉素的洗脫濃度降低。Boelch等[17]在Palacos骨水泥中分別手工混合加入0.5 g慶大霉素、0.5 g慶大霉素+2 g萬古霉素，結果表明，萬古霉素的加入對于慶大霉素的洗脫沒有明顯影響。不同抗生素之間的釋放可能仍有不同，包括抗生素的添加方式也會引起釋放的不同，手工混合比預混合抗生素釋放量更高[5]。還有一些其他方法，如添加木糖醇、使用超聲波等均可促進抗生素釋放[18-19]。

綜上，萬古霉素和頭孢他啶聯合混入骨水泥中可相互促進釋放，效果較單獨使用更好。臨床中可根據不同抗生素在骨水泥中的洗脫特性以及抗菌譜的需要，選擇2種抗生素添加于適當的骨水泥載體中，以增加抗生素的釋放量，更好地發揮其預防及治療骨缺損、骨感染等疾病的作用。