关节替换手术导致的感染代价很高，甚至有可能致死。目前，麻省理工学院的研究者们正在开发用于医学移植的防护层。此防护层可以装载多种药物，包括随时间释放的抗生素。防护层的制作过程涉及到短期内释放药物的抗生素薄膜附着到一种永久的抗菌聚合物上。这种抗菌聚合物的开发是为了长期预防感染。

　　几乎有1%的膝盖和髋关节移植手术会导致感染；二次手术时，感染率会上升到3-5%。“感染率是比较低的，但是，如果你正好不幸成为100人当中那一个感染者的话，并发症是严重的。”加州大学洛杉矶分校（UCLA）整形外科助理教授劳埃德·米勒说（Lloyd Miller）。所有感染的组织和器件都必须在抗生素阻隔的条件下通过外科手术切除或替换；期间6-8周病人不能下床走动，通过静脉注射抗生素排除所有感染路径；接着，做一个修正手术。感染所致的并发症治疗费用数额是非常昂贵的。在美国，一个关节替换手术大约需要花费30000美元，但是，治疗感染的费用账单可以飙升到差不多150000美元。

　　大多数的感染发生在细菌随移植手术进入身体的过程中。但是，米勒说，人造关节的感染可能会发生在手术数年之后，细菌可能通过牙科检查、结肠镜检查及其他路径进入血液循环系统，导致感染。他与麻省理工学院的研究组没有相关合作往来。除去具有暂时性抗菌防护层之外，整形外科防护层还拥有永久的抗细菌性质，可以使病人一直处于被保护的状态。

　　尽管很多其他医疗装置的抗菌防护层已经被开发使用，但是，关节防护层的开发仍具有特殊的挑战性。关节并不像轻机关枪或者其他装置那样是静止的，它必须能够运动。因此，关节的防护层不能太厚，而且一定不能妨碍关节的咬合。

　　由麻省理工学院化学工程教授宝拉·哈蒙德（Paula Hammond）领导的研究组，正在使用一种被称为“层层叠加组装”（layer-by-layer） 的聚合－防护层技术，在不会造成防护层过厚的情况下，将大量的浓缩药物装入到移植防护层中。哈蒙德的研究组通过将植物交替浸渍到带有正电荷和负电荷分子溶液中，如聚合物和药物，来建立这些薄膜。表面电荷的不同使得每一层都与上下层面紧密结合。这种方法使得原料层非常薄，大约10纳米的厚度。药物随着聚合物在体内的生物降解而释放。

　　药物层与生物降解聚合物层的交替轮换的方法，要比将聚合物和药物的混合物大量涂抹于移植体得到的防护层更薄，同时包含了更高比例的药物——差不多50%的药物，而常用方法中药物所占比例最多4%。并且这种防护层可以在低温和水下生产，不需要聚合物聚合过程中通常所要求的严格条件。这意味着它们适用于范围更广的精细分子，包括蛋白药物和治疗性RNA。

　　“这项技术与众不同之处就在于：有希望通过可控制的方法，能够按照顺序释放不同的药物，”哈佛医学院整形外科教授麦蓉·斯柏克特（Myron Spector）说。由于血管系统虚弱而有可能损害骨骼生长的病人，包括糖尿病患者和过度吸烟者都可以从此防护层获益——通过释放药物刺激骨骼的形成或者血管的生长，另外还可以抵抗细菌。

　　抗菌聚合物的永久防护层，最初是由麻省理工学院的化学教授亚力士山大·克里巴诺娃（Alexander Klibanov）开发的。哈蒙德正是以这种永久防护层为载体构建了药物释放薄膜。“当这些聚合物在表面呈现时，细菌将在药物作用下死亡——聚合物扰乱了细菌的细胞膜，细菌便会降解。”哈蒙德说。将经过防护层处理的培养基和另外一个未经此防护膜处理的培养基，同样浸没在葡萄球菌的溶液中两周，未经防护膜处理的培养基在一个小时之后就已经长满了细菌。而用哈蒙德薄膜处理过的克里巴诺娃聚合物，在两周期间没有长出任何细菌，即使在药物释放层退化之后。此项研究工作于9月发表在美国化学会志（Journal of the American Chemical Society）网络版上面。

　　斯柏克特与哈蒙德合作，就此防护层在动物身上应用进行了初步研究，现在正与麻省理工学院的研究组合作，证明此防护层是否会对关节替换手术的效果有所改进。加利福尼亚大学的米勒，主要从事动物抗菌移植领域的研究工作，他指出还有很多因素还是未知的。例如，“我们不知道某种药物应当多久被释放，”他说。进一步的研究应当将这一点明确。