据统计，在美国每年100万例以上髋关节和膝关节置换手术中，大约有1%到2%会遭受由细菌生物膜（bacteria biofilms）引起的并发症感染。细菌生物膜感染是植入式医疗装置和假体最主要的并发症，指的是多层细菌在植入体表面附着并形成由蛋白质、糖类以及细菌DNA组成致密、难以渗透的生物膜。

　　对于术后即时引发的肿胀发红等急性感染，可以通过静脉注射抗生素治疗。然而，有些患者会遭受长达数月的轻度慢性感染，引起骨质流失，进而引起植入体松动，最终导致假体植入失败。

　　蓝色代表小鼠股骨处植入的未镀膜钛克氏针，红色代表细菌群落，黄色代表免疫细胞响应。图片来源：Lloyd Miller/Johns Hopkins Medicine

　　这类慢性感染十分难以治疗，并且，大部分情况下，患者必须遭受假肢取出、长期抗生素给药以及再次植入新的假肢等痛苦。据称，为治疗细菌生物膜引起的假肢感染，每位患者的花费将超过10万美元。

　　外科医生和生物医学工程师多年来苦心寻找更好的抗菌方法，以期减少植入式人工髋关节、膝关节以及肩关节引起并发症感染的风险。

　　10月24日，《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）发表了约翰霍普金斯大学（The Johns Hopkins University）研究者在人造关节抗菌性领域的最新研究成果：以特定速率释放多种抗生素的载药纳米纤维镀膜，能够有效防止全关节置换（total jointreplacement）手术中一些严重的细菌感染并发症。

　　研究者称，虽然是在小鼠膝关节进行的概念验证性研究，该技术在矫形假肢领域具有“广泛的应用潜力”，小至螺杆、螺钉或者钢板，大至髋关节和膝关节的全关节置换、心脏起搏器、可植入心脏除颤器、血管支架等其他可植入医疗装置。

　　目前，已经有在植入医疗假肢时通过载药（抗生素）水泥、微球、垫片或者粉末等进行局部抗生素释放等方法。然而，这些方法往往只能一次性释放单一抗生素并且释放速率难以控制。

　　为解决这一难题，霍普金斯大学医学院皮肤科与骨科副教授劳埃德·S·米勒（Lloyd S. Miller）与材料与工程学教授毛海泉（Hai-Quan Mao）进行了密切合作，以期攻克难关。三年多以来，该团队致力于设计一种超薄、生物可降解的载药聚合物镀膜，以预期的速率释放多种抗生素。

　　（A）钛克氏针的静电纺丝PLGA/PCL复合纳米纤维镀膜过程。（B）钛克氏针显微图像：未镀膜之前、电喷射后、退火处理后。（C）不同比例PLGA/PCL复合纳米纤维镀膜克氏针表面扫描电子显微（SEM）图像。（D）加载两种抗生素后的纳米纤维荧光图像。图片来源：doi/10.1073/pnas.1613722113

　　研究者通过静电纺丝技术在钛克氏针（Kirschner wires）植入体表面进行两种生物兼容、生物可降解聚合物——聚乳酸聚乙醇酸共聚物（PLGA）和聚己内酯（PCL）——纳米纤维镀膜，最终形成PCL薄膜中包埋PLGA纳米纤维的镀膜。其中，PLGA纳米纤维中能够加载多种抗生素药物，并通过调控PLGA：PCL聚合物比例来调控抗生素释放速率。

　　相比于其他的镀膜技术，该新型载药纳米纤维镀膜能够以可控速率释放多种（两种以上）抗生素。研究者使用的聚合物PLGA和PCL已获得美国FDA通过并广泛应用于许多医疗设备中，如可降解缝线、骨板以及药物递送系统。

　　注：克氏针（Kirschner wires）常用于骨科手术中的关节、骨头的位置固定。

　　为了验证抗感染特性，研究者在纳米纤维中加载甲哌力复霉素（rifampin）抗生素以及万古霉素（vancomycin）、达托霉素（daptomycin）或利奈唑酮（linezolid）三种抗生素之一，形成加载两种抗生素的复合药物纳米纤维镀膜。

　　其中，甲哌力复霉素具有优异的抗菌活性，但是却并不能单独使用，因为单独使用会导致细菌快速产生抗药性。所以，开奖，研究者将其与其他三种抗生素之一复合使用。

　　实验表明，复合抗生素纳米纤维镀膜中甲哌力复霉素的释放长达3到5天，而另一配合抗生素的释放长达7到14天。复合抗生素纳米纤维薄膜，既能达到有效的抗菌性，又避免了单独使用甲哌力复霉素而导致细菌抗性。