TiO2及其復(fù)合物的生物活性研究進(jìn)展*

聶文林，陽小勇

(1.滇西科技師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，云南 臨滄 677000；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.滇西科技師范學(xué)院 生物技術(shù)與工程學(xué)院，云南 臨滄 677000)

TiO2作為一種重要的無機(jī)化工原料，廣泛用于催化劑、化妝品、油墨、塑料、橡膠、光敏材料、油漆和陶瓷等行業(yè)。尤其是涂料行業(yè)，TiO2在白色顏料中遮蓋力最強(qiáng)，普遍用于白色制品和金屬表面涂料。雖然鈦合金長期以來被用作可植入的生物材料,但是作為鈦化合物的TiO2在生物和醫(yī)學(xué)方面的研究及產(chǎn)生的作用越來越凸顯，如在助骨質(zhì)生長、醫(yī)用植入材料、抗菌、抗病毒及藥物載體等方面的研究成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 TiO2材料在人體骨組織修復(fù)及植入領(lǐng)域的研究

鈦合金、納米TiO2及TiO2生物膜因其能誘導(dǎo)羥基磷灰石的生長，具有骨質(zhì)修復(fù)功能與生物相容性特征，所以普遍用于骨科、牙科等植入體表面改性領(lǐng)域。如TiO2納米管作為生物活性膜能加快表面類骨羥基磷灰石的沉積[1-2],而由于其中空的管狀結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積則能夠增加表面蛋白的吸附量,以此通過緩釋負(fù)載藥物，有利于機(jī)體對藥物的吸收[3]。肖帆等使用TiCl3鹽酸溶液作為原料,通過水熱法在Ti-6Al-4V合金基體表面原位生長的TiO2納米棒陣列的薄膜能在3 d內(nèi)誘導(dǎo)羥基磷灰石的生長,具有優(yōu)異的生物活性[4]。李博在Ti-6Al-4V表面成功制備了含釔的TiO2涂層，載釔TiO2涂層具有良好的生物相容性及抗菌能力,為研發(fā)理想的新型骨科及牙科植入體修復(fù)材料提供了有價值的參考信息[5]。同樣在該研究領(lǐng)域，張賢俊、趙錫江研究利用陽極氧化法技術(shù)在鈦表面制備TiO2納米管層，采用等離子體浸沒離子植入和沉積法，將硅離子沉積在TiO2納米管層表面，研究表明材料具備良好的成骨活性，為可植入的生物材料開辟了新的路徑[6]。張文信則首次采用感應(yīng)液相等離子噴涂制備了一種具有微納多級結(jié)構(gòu)的氫化黑色TiO2涂層，該涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的、可控的光熱和光動力效應(yīng)，在808 nm波長的近紅外激光照射下能夠有效殺死腫瘤細(xì)胞，還能促進(jìn)鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化，該研究也能為骨腫瘤的治療開辟一條新的道路[7]。孫鑫等將鈦金屬在700 ℃下退火1 h，在鈦金屬表面形成一層TiO2生物活性層,并分別在該活性層表面(種植組)和未經(jīng)任何處理鈦金屬表面(對照組)培養(yǎng)MG63成骨樣細(xì)胞,結(jié)果顯示，MG63成骨細(xì)胞的增殖數(shù)量種植組明顯多于對照組,可見簡單的熱處理可以有效提高鈦種植體的生物活性,提高其與基體骨組織的整合效率[3]。以上研究表明，改性TiO2由于其特有的物理及化學(xué)結(jié)構(gòu)，不但能加快骨質(zhì)修復(fù)而且能促進(jìn)藥物的吸附，有利于機(jī)體吸收藥物，研究前景一片光明。

2 TiO2在抗菌領(lǐng)域的作用

TiO2本身屬于綠色無機(jī)材料，不具備對生物機(jī)體的毒害性，但改性的納米TiO2則對生物機(jī)體存在一定的危害作用，同時TiO2材料在抗菌方面還顯示獨(dú)特的性質(zhì)，常用作食品保鮮材料[8]，也可用于造紙和皮革領(lǐng)域，保持紙張和皮革的抗菌、自清潔等性能[9]。國外研究表明，粒徑為16～20 nm的光敏TiO2納米粒子在室溫條件下對革蘭氏(+)枯草桿菌(Gram’s bacillus subtilis)和革蘭氏(-)大腸桿菌[Gram’s escherichia coli (k12)]細(xì)菌具有不同程度的抗菌活性，隨著初級粒徑的增大，抗菌活性逐漸增大[10]。何娉婷則研究得出在對大腸桿菌(Escherichia coli)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抗菌方面，TiO2納米粒子比納米管具有更好的抗菌性能[11]。為了摸索四環(huán)素(Tetracycline)的減量效果，有學(xué)者將四環(huán)素溶液置于TiO2溶液懸浮液中，在同一光源輻射下四環(huán)素能得到快速降解[12]，這對解決抗生素污染問題提供策略選擇。在輔助四環(huán)素抗菌方面，張永麗、袁偉研究得出納米TiO2加入四環(huán)素與單獨(dú)添加梯度濃度的四環(huán)素相比，前者能進(jìn)一步抑制敏感質(zhì)控菌株(E.coli ATCC25922)的生長，但對耐藥菌大腸桿菌(M13)作用不大[13]。在抗菌材料研究領(lǐng)域，師巖等人制備了納米抗菌LDPE/TiO2/PST復(fù)合膜,結(jié)果表明LDPE/TiO2/PST復(fù)合膜的抗菌性能明顯高于純LDPE膜，且隨著復(fù)合抗菌劑用量的增加而不斷提高[14]。樊衛(wèi)華、李文等人對納米TiO2進(jìn)行表面改性,制得PP/改性納米TiO2復(fù)合抗菌材料,當(dāng)KH-570硅烷偶聯(lián)劑[Silane coupler(G-570)]改性納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,復(fù)合抗菌薄膜對大腸桿菌的抗菌率可達(dá)到90.6%[15]。上述研究結(jié)果揭示了納米TiO2材料的生物活性、抗菌性能及藥物降解功能，對于評價納米TiO2材料在抗菌領(lǐng)域風(fēng)險及其產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性具有理論指導(dǎo)意義，為進(jìn)一步研究具有更高性能及更廣闊應(yīng)用前景的TiO2抗菌復(fù)合材料積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

3 TiO2的生物毒理作用研究

葛暢為探討TiO2納米材料生物毒性效應(yīng)及機(jī)制，采取急性毒性實(shí)驗(yàn)方法，以原生動物尾草履蟲(Paramecium caudatum)為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行生物毒性探索，結(jié)果表明TiO2納米材料對尾草履蟲的過氧化物酶(POD)表現(xiàn)出較為明顯的抑制作用[16]。食品工業(yè)中TiO2常作為食品添加劑，但近來研究發(fā)現(xiàn)并已證實(shí)，納米TiO2攝入后被胃腸道吸收并蓄積在肝臟、腎臟、脾臟等組織中，而胃腸道更易受影響，TiO2易誘導(dǎo)引發(fā)胃潰瘍、胃癌、腸炎、腸癌等疾病[17]。為了探究TiO2納米顆粒(TiO2NPs)對鎘(Cd)脅迫下植物生長機(jī)理的影響，王苗苗等以小白菜(Brassica rapa var.glabra)為受試植物進(jìn)行探究，研究表明，TiO2NPs作為載體顯著促進(jìn)小白菜根系對Cd的吸收，并轉(zhuǎn)運(yùn)至葉徑，可引起膜脂過氧化，破壞幼苗的葉綠體結(jié)構(gòu)和抗氧化系統(tǒng)，從而抑制白菜生長發(fā)育[18]。黃茜枝在研究納米TiO2對厚殼貽貝(Mytilus coruscus)的影響中指出，納米TiO2暴露會抑制厚殼貽貝的個體能量代謝,破壞鰓和消化腺組織的抗氧化系統(tǒng)，削弱血細(xì)胞免疫防御能力，且高濃度的小粒徑納米TiO2(25 nm，10 mg/L)和酸化海水(pH=7.3)對厚殼貽貝相關(guān)生理生化指標(biāo)具有顯著交互作用和短期遺留效應(yīng)[19]。在抗腫瘤方面，包偉晶發(fā)現(xiàn)光催化納米TiO2可通過提高移植瘤組織的Caspase-3蛋白酶表達(dá)活性來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,從而抑制腫瘤生長，同時指出光催化納米TiO2通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和介導(dǎo)炎性反應(yīng)是其發(fā)揮抑癌作用的可能機(jī)制[20]。

4 結(jié)束語

TiO2做為無機(jī)材料在無機(jī)工業(yè)領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，并已形成了附加值極高的高功能納米TiO2精細(xì)無機(jī)材料產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)納米TiO2的生產(chǎn)能力已經(jīng)突破1 000萬t/a，但也存在以下問題。(1)低水平重復(fù)性研究現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益不高；(2)研究集中在對納米TiO2的制備，而對TiO2復(fù)合物的應(yīng)用研究投入不夠；(3)不同行業(yè)研究機(jī)構(gòu)之間的合作力度不大，尤其對納米TiO2的生物學(xué)與醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域缺乏活力。TiO2及其復(fù)合物在抗菌、抗腫瘤及毒理方面表現(xiàn)出特有的生物活性，故在開發(fā)食品衛(wèi)生材料、治理污染、開發(fā)醫(yī)學(xué)材料及藥物載體等領(lǐng)域，納米TiO2必將引起廣泛的關(guān)注[21]，具有廣闊的市場前景。