综述：对抗植入物相关感染的非热等离子体方法：一篇简明综述

《VIEW》：Nonthermal plasma approaches for combating implant-associated infections: A compendious review

细菌对抗生素治疗的耐药性，加上微生物在医疗器械上形成高度顽固生物膜的倾向，是植入物失败的主要原因。这些感染需要复杂的修复手术，并导致医疗保健中的发病率和死亡率。尽管各种靶向灭菌方法存在固有局限性，但非热等离子体（NTP）已成为一种用于医疗器械表面去污的高效且多用途的技术。在本综述中，研究人员首先全面讨论了导致细菌附着并发展为医疗器械表面生物膜的植入物表面物理化学属性。关键发现讨论了各种抗菌方法，明确分类了等离子体干预。等离子体表面改性（PSM）因改变表面润湿性和固定抗菌剂而被强调。此外，本综述评估了等离子体活化液体（PALs）在将活性物种递送到复杂几何结构中的作用。相比之下，直接NTP方法强调了活性氧和氮物种（RONS）与器械表面的即时气相相互作用，以实现急性感染控制。本综述分析了整体NTP^s体外研究（主要使用等离子体处理液体）和体内研究（通过ROS渗透产生氧化应激和从细胞壁泄漏DNA），证明了对多种细菌的有效性。本综述以挑战作为结论，例如等离子体类型及其工艺参数的标准化。

论文主体部分总结如下：

**1 引言**
医疗植入物是插入或置入活体表面内的装置或组织，用于替代缺失或受损的生物结构。然而，植入过程存在感染风险，包括患者或操作者皮肤污染、手术器械污染及空气微生物等。医院获得性感染（HAIs）是重要的公共卫生挑战，在美国，每年约170万住院患者发生HAI，其中超过9.8万例死亡。HAIs主要由细菌如艰难梭菌（C. difficile）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）、大肠杆菌（E. coli）等引起。作为传统表面消毒的替代方案，新型技术包括电解水、低气压和大气压等离子体、自消毒表面以及无接触去污方法（如脉冲氙紫外光系统）。冷大气压等离子体系统产生的活性氧物种（ROS）在实验室中显示出杀菌活性。非热等离子体（NTP）因其低成本、室温操作、无毒气体使用及无有害残留等优势，被视为有前景的抗菌工具。

**2 植入物的必要性**
植入物是设计用于替代缺失生物组件、维持或改善现有生物结构的人造装置。其表面材料（如钛、硅胶、磷灰石）取决于功能需求。生物活性植入物包括可植入药片或药物洗脱支架等。

**3 器械材料本体和表面性质**
植入材料需满足物理性能（强度、弹性、耐久性）、生物相容性（无炎症、无毒、不致癌等）、可灭菌性及可加工性等要求。表面性质对生物相容性和耐腐蚀性至关重要，包括表面能、润湿性、粗糙度、化学组成、电荷、结晶度和迁移性。表面原子具有不饱和键，导致高反应性，在与微生物接触时会迅速形成新键以降低表面能。

**3.1 表面偏析与重构**
在无特定环境下，表面可自发改变结构和化学性质。表面偏析是溶质原子在物体表面和本体之间的重新分布以降低总能量。例如，Ti6Al4V合金由富铝α相和富钒β相组成，其化学组成可能变化。表面偏析可影响局部毒性、耐腐蚀性及蛋白质或细胞粘附性。

**3.2 表面电荷**
表面电荷可源于与周围环境的接触平衡、接触起电或表面固有缺陷（如半导体连接中的空间电荷层）。金属与液体接触时通常形成双电层（Helmholtz层）。表面电荷影响蛋白质等溶质的吸附，因为蛋白质在生物环境中携带大量电荷。

**3.3 吸附现象**
物理吸附通过范德华力等弱相互作用发生，可逆；化学吸附形成强共价键，不可逆。吸附等温线（如Langmuir等温线）用于描述吸附行为。蛋白质吸附受表面化学、电荷和能量影响。亲水性表面在水中与蛋白质的界面能低于疏水表面，可能导致蛋白质变性。吸附后蛋白质可能改变构象。

**4 生物膜及其生长**

**4.1 生物膜**
医疗器械上的生物膜已通过扫描电子显微镜等方法确认，如中心静脉导管和人工髋假体。生物膜的存在可通过超声处理等方法提取和量化。

**4.2 生物膜形成**
微生物粘附和早期生物膜发展机制已充分研究。基底层性质和细胞表面特性（如疏水性、鞭毛、菌毛）影响附着速率。条件膜（由体液蛋白形成）会改变基底表面化学特性。

**4.3 生物膜生长**
不可逆附着的细胞分裂形成微菌落，分泌胞外多糖（EPSs）构成生物膜基质。基质含有“水通道”以输送营养和氧气。生物膜中细胞生长较慢，可能与营养或氧气消耗有关。

**4.4 积累与成熟**
细菌附着后，复制、募集和胞外聚合物形成多菌层，构建成熟生物膜基质。成熟生物膜具有增强的基因交换、紫外线耐受性和次生代谢物合成能力。在革兰阳性葡萄球菌中，ica基因操纵子与生物膜成熟相关，负责合成胞间多糖粘附素（PIA）和粘液相关抗原。革兰阴性菌如铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和大肠杆菌（E. coli）的生物膜成熟与藻酸盐和结肠酸合成增加有关。群体感应系统（如N-酰基高丝氨酸内酯）调控生物膜形成和分散。

**4.5 分散与再定殖**
生物膜分散是传播感染的关键。被动分散包括物理去除（磨损、侵蚀、脱落）；主动分散涉及细菌产生酶（如核酸酶、蛋白酶）降解基质，或产生表面活性剂样分子（如鼠李糖脂、δ-毒素）促进细胞释放。群体感应系统调控活性分散过程。

**5 材料表面-细菌相互作用**
细菌粘附受器械和细菌表面性质及流体动力学影响。植入物表面会吸附宿主生物分子（如纤连蛋白、纤维蛋白原、胶原），形成条件膜。细菌通过物理力（布朗运动、范德华力、重力、静电和疏水相互作用）接近表面。不可逆粘附涉及分子和细胞阶段，通过细菌表面结构（荚膜、菌毛、鞭毛）与底物发生特异性或非特异性相互作用。疏水相互作用在短距离内占主导。Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论描述长程静电力和范德华力。在生理条件下，细菌带负电，带正电表面促进粘附。细菌粘附力可通过控制层流条件下的力分析测量。

**6 由于生物膜感染导致的器械失败总结**

**6.1 骨科植入物**
骨科植入物（如全关节置换、脊柱内固定）由金属合金或聚醚醚酮（PEEK）制成，需与骨组织整合。NTP常用于增加表面能、改善润湿性，促进成骨细胞附着。在感染（如假体周围关节感染PJI）中，常见病原体为S. aureus和凝固酶阴性葡萄球菌。NTP面临穿透骨-植入物界面深部区域以消除成熟生物膜的挑战。

**6.2 牙科植入物**
牙科植入物由钛或氧化锆制成，暴露于口腔微生物组。种植体周围炎涉及S. mutans和P. gingivalis等微生物。NTP有潜力消毒感染部位而不损害植入物表面，并可扩散至种植体-假体微间隙。

**6.3 血管内导管和软组织装置**
血管内导管、尿路导管等由柔性聚合物制成，需抗凝血和抗细菌粘附。等离子体处理可调整表面以减少污染。PAWs作为清洗剂在复杂结构导管中具有优势。

**7 转化和临床考量**

**7.1 材料老化和疏水恢复的影响**
NTP处理后，钛或聚合物植入物转变为高能超亲水状态，但该状态不稳定。等离子体处理钛在空气中5-7天内发生“疏水恢复”，因表面羟基（–OH）基团衰减和碳氢化合物吸收。这要求开发床旁即时血浆活化设备。

**7.2 表面损伤、腐蚀和电偶效应**
金属合金的钝化层（如TiO₂、Cr₂O₃）对耐腐蚀性至关重要。直接NTP暴露或酸性富含ROS的等离子体活化水可能损害表面，导致点腐蚀或缝隙腐蚀。腐蚀释放的钴、铬、镍离子可能引发免疫反应，如无菌性淋巴细胞性血管炎相关性病变（ALVAL）。

**7.3 宿主组织相容性和安全性限值**
体内直接NTP使用受组织耐受阈值限制：排出气体温度低于40°C，患者漏电流限制在AC模式下低于100μA-rms或DC模式下低于10μA。有毒气体副产物（如过量臭氧、氮氧化物）和紫外线（UV）辐射需严格控制在每日暴露阈值以下。

**7.4 已形成生物膜的渗透和再定殖风险**
标准NTP处理难以消除成熟生物膜最深层缺氧层中的细菌，因为短寿命活性氧和氮物种（RONS）被致密胞外聚合物（EPS）基质快速猝灭。再定殖问题也需关注。

**8 当前感染控制策略概述**

**8.1 物理方法**
器械移除、冲洗和清创是标准疗法失败后的最佳选择。光动力疗法（PDT）通过光敏剂、光和氧产生高细胞毒性ROS或单线态氧，损伤细胞成分。超声靶向微泡破坏（UTMD）可增强抗菌活性成分进入生物膜。水射流通过机械脉冲去除生物膜。PDT与水射流联合应用显示较高潜力。

**8.2 表面改性**
抗菌涂层（如氯己定、庆大霉素、银磺胺嘧啶）可阻止微生物粘附和生物膜形成。银纳米颗粒（AgNP）涂层通过释放Ag离子产生抗菌作用。锌（Zn）涂层可促进骨整合并抑制细菌生长。等离子体离子浸没注入与沉积（PIII&D）技术用于引入抗菌元素（如Ag、Zn）或功能基团（如含氮基团）。抗粘附涂层通过改变表面物理化学性质减少细菌附着。酶涂层（如脱氧核糖核酸酶I DNase I）可降解生物膜基质。

**9 感染控制中的直接和间接等离子体应用**

**9.1 等离子体与微生物/生物膜的直接相互作用**
直接NTP包含电子、离子和活性物种，通过直接氧化生物大分子、核酸和蛋白质裂解以及EPS基质降解来灭活微生物。活性氧物种（ROS）如•OH、O₂^-和¹O₂，以及活性氮物种（RNS）如NO，引起膜脂过氧化、DNA损伤和细胞内容物泄漏。直接等离子体处理速度快、精度高。

**9.2 等离子体与器械表面的间接相互作用**
间接等离子体包括低气压沉积（如等离子体聚合）和等离子体活化液体（PALs）。PALs在水中产生长寿命RONS（如H₂O₂、NO₂^-、NO₃^-），改变pH、电导率等，通过ROS和低pH协同作用产生抗菌效果。等离子体活化水（PAW）的有效性取决于活性物种组成。等离子体离子浸没注入（PIII）用于在植入物表面引入抗菌金属离子（如Ag、Zn）或功能基团，改善表面润湿性、细胞相容性和抗菌性。

**10 等离子体化学对感染控制的影响**
NTP的活性组分包括ROS（O、¹O₂、O₂^-、O₃、H₂O₂、•OH）、RNS（N、NO、NO₂）等。细菌灭活涉及ROS、RNS、UV辐射和带电粒子。过氧亚硝酸（ONOOH）具有强杀菌性，通过蛋白修饰、脂质氧化和DNA损伤导致细菌死亡。等离子体处理中，NO₂和•OH协同作用增强灭活效果。不同气体等离子体（如N₂、空气、O₂）产生不同浓度的活性物种，影响杀菌活性。

**11 结论与未来展望**
NTP是一种有前景的对抗混合物种生物膜的方法。未来研究应优先考虑标准化与法规遵从（如德国DIN SPEC 91315标准）、使用临床相关生物膜模型（动态流式生物反应器、共培养模型）、采用系统生物学和多组学方法、以及探索NTP与传统疗法的协同组合方案（如削弱EPS基质后降低抗生素最低抑菌浓度）。NTP的临床转化需克服标准化、安全性和有效性的障碍。