梯度多孔載Ag羥基磷灰石陶瓷的制備和性能研究

陳 晨，于景媛，李 強(qiáng)

(遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,錦州 121001)

0 引 言

羥基磷灰石(HA)具有較好的生物活性、生物親和性和骨傳導(dǎo)能力，是一種良好的硬組織替代材料，被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究中[1]。HA陶瓷可被制成骨形成支架或修復(fù)牙齒的人工種植體等醫(yī)用制品[2]。目前，對(duì)致密HA材料的研究取得了較大進(jìn)展。吳金結(jié)等[3]在體外建立微振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境來(lái)模擬人體生理環(huán)境并研究了HA陶瓷在此應(yīng)力環(huán)境下對(duì)力學(xué)性能、生物活性和骨誘導(dǎo)性能的影響。張永霞等[4]制備了 PPC/HA 復(fù)合材料，研究顯示隨著HA含量的增加PPC材料從韌性斷裂變成了脆性斷裂，由疏水材料變?yōu)橛H水材料。Zhou等[5]將使用納米HA制成的SB-1TM人工合成骨用于治療骨組織受傷的兔子，并通過(guò)X射線技術(shù)來(lái)監(jiān)控骨組織修復(fù)的過(guò)程，證明植入骨能夠與兔子體內(nèi)原有的骨組織進(jìn)行結(jié)合，誘導(dǎo)新骨組織的生長(zhǎng)。但是當(dāng)HA陶瓷作為植入材料植入人體后，新生骨組織不能在植入體內(nèi)部形成，而是僅局限在表面區(qū)域，這對(duì)HA與生物骨組織的進(jìn)一步結(jié)合造成很大的困難，所以研究者制備出多孔HA生物陶瓷來(lái)解決這一問(wèn)題[6-7]。多孔HA生物陶瓷具有多孔性質(zhì)，多孔結(jié)構(gòu)不但增加骨組織的接觸面積而且為骨組織細(xì)胞在多孔HA的內(nèi)部生長(zhǎng)提供了便利的通道[8-10]。但是多孔HA陶瓷總體強(qiáng)度比較低，因此用作替代材料時(shí)僅能應(yīng)用在強(qiáng)度較低的部位[11]。此外，雖然HA具有良好的生物相容性和可降解性，但是它極易吸附蛋白質(zhì)、氨基酸和其他有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致了細(xì)菌的滋生，增加植入材料的感染性。為了提高多孔HA陶瓷材料的力學(xué)性能并降低其感染性，本研究采用水熱法合成載Ag羥基磷灰石粉體(Ag-HA)，以自制的Ag-HA粉體為主要原料，采用添加造孔劑法制備孔隙呈現(xiàn)梯度分布的梯度多孔載Ag羥基磷灰石(Ag-HA)陶瓷。其中Ag+對(duì)病毒、真菌和細(xì)菌都具有良好的廣譜抗菌能力[12]，因此Ag-HA粉體可提高HA基體的抗菌性能。此外，梯度多孔陶瓷兩端的孔隙度較大，植入人體后有利于骨組織的長(zhǎng)入和體液的傳輸，中間的孔隙度較小，有利于承擔(dān)更多的載荷，進(jìn)而提高多孔HA陶瓷的力學(xué)性能。本文重點(diǎn)研究燒結(jié)溫度、造孔劑含量、載Ag含量對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度的影響。研究并觀察了燒結(jié)產(chǎn)物的物相組成和顯微組織，測(cè)量了梯度多孔Ag-HA陶瓷的壓縮性能和抗菌性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備載銀羥基磷灰石粉體(Ag-HA粉體)，具體工藝條件如下：配置濃度為0.167 mol/L的AgNO3、Ca(NO3)2·4H2O溶液和濃度為0.1 mol/L的(NH4)2HPO4溶液；按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)量將不同體積的AgNO3溶液加入到Ca(NO3)2溶液中，使得載Ag含量(摩爾分?jǐn)?shù))分別為0.5%(0.5Ag-HA)、1.0%(1.0Ag-HA)和2.0%Ag(2.0Ag-HA)；然后加入0.1 g十二烷基苯磺酸鈉，磁力攪拌15 min后再滴入0.1 mol/L的(NH4)2HPO4溶液攪拌30 min；攪拌后加入氨水調(diào)節(jié)混合溶液pH=10～11。將混合液裝入反應(yīng)釜中，放入烘箱內(nèi)180 ℃下保溫6 h，進(jìn)行水熱反應(yīng)。待其冷卻至室溫并靜置24 h后將溶液離心，并用乙醇和離子水進(jìn)行多次洗滌，然后在80 ℃下干燥6 h，制備載Ag含量不同的Ag-HA粉體。Ag-HA粉體的微觀形貌和元素組成如圖1所示。Ag-HA粉體呈現(xiàn)細(xì)棒狀，直徑在50～100 nm之間，有較高的長(zhǎng)徑比。由EDS分析可知，Ag摻雜進(jìn)HA粉體。

圖1 不同Ag摻雜的HA粉體的微觀形貌照片和EDS分析Fig.1 Microstructure and EDS analysis of Ag-HA powder with the different silver-loaded contents

以自制的Ag-HA粉體為主要原料，以碳酸氫銨為造孔劑，制備梯度多孔Ag-HA陶瓷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：取適量自制的Ag-HA粉體，分別向其中加入下同質(zhì)量的碳酸氫銨作為造孔劑，并混合均勻，將混合粉末依次逐層放入自制的模具中，造孔劑分布(其占各層的質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%(下層)-x%(中間層)-20%(上層)，x分別為0%、5%、10%、20%，使用自動(dòng)壓片機(jī)在100 MPa的壓制壓力下將混合粉末壓制成型，壓制好的試樣在空氣中放置24 h，釋放壓制過(guò)程中粉末內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。將處理好的試樣放入管式爐中，通氬氣作為保護(hù)氣氛，以3 ℃/min的升溫速度加熱到200 ℃時(shí)保溫2 h，再分別升溫至1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃燒結(jié)2 h，燒結(jié)后隨爐冷卻降至室溫取出。將燒結(jié)后的試樣打磨拋光，并且對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)。

采用阿基米德排水法測(cè)量燒結(jié)試樣的孔隙度。采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku D/Max-2500/PC型X-射線衍射儀測(cè)量梯度多孔Ag-HA陶瓷的物相組成。采用日本HITACHI公司生產(chǎn)的型號(hào)為S-3000N的掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀形貌。使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。所測(cè)試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，加載速率為1 mm/min。

抑菌圈測(cè)試如下：將無(wú)菌的固體培養(yǎng)基加熱后倒入裝有200 μL的細(xì)菌培養(yǎng)皿中，等待培養(yǎng)基凝固。將燒結(jié)后的梯度多孔Ag-HA試樣(尺寸為φ15 mm×6 mm)放置在培養(yǎng)基上，放入37 ℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，用游標(biāo)卡尺測(cè)量牛津杯和圓塊周圍的抑菌圈直徑。

殺菌率測(cè)試如下：在5 mL液體培養(yǎng)基中放入105cfu/mL的菌液50 μL，然后放置梯度多孔載Ag-HA陶瓷樣品，并在細(xì)菌培養(yǎng)搖床中，37 ℃下分別培養(yǎng)1 h、5 h、9 h、18 h和24 h。培養(yǎng)不同時(shí)間后移取菌液進(jìn)行10倍的稀釋并涂于平板上，將平板倒置培養(yǎng)24 h觀察平板上的細(xì)菌數(shù)目得出殺菌率，殺菌率計(jì)算公式為：

式中：X為殺菌率;A為對(duì)照組細(xì)菌數(shù);B為實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度分析

2.1.1 造孔劑分布對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度的影響

表1是不同造孔劑分布的梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度(壓制壓力100 MPa，燒結(jié)溫度1 150 ℃)。從表1中可以看出，當(dāng)中間層造孔劑含量由0%增加到20%時(shí)，試樣的孔隙度從18.6%增加到31.2%。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所用的造孔劑為碳酸氫銨，生坯中的造孔劑(NH4HCO3)在燒結(jié)過(guò)程中以二氧化碳和水蒸氣的形式完全揮發(fā)，不會(huì)對(duì)之后的高溫?zé)Y(jié)造成影響。造孔劑(NH4HCO3)分解后會(huì)在原來(lái)的位置留下孔洞。當(dāng)生坯中造孔劑含量較低時(shí)，造孔劑揮發(fā)后留下的孔洞較少，燒結(jié)試樣的孔隙度較小。隨著造孔劑含量越來(lái)越高，造孔劑分解后留下的孔洞也就增多，因此燒結(jié)后試樣的孔隙度進(jìn)一步增大。但是造孔劑含量過(guò)高會(huì)影響Ag-HA顆粒之間的擴(kuò)散燒結(jié)，導(dǎo)致燒結(jié)后梯度多孔Ag-HA力學(xué)性能下降。

表1 不同造孔劑分布下梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度Table 1 Porosity of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic with different pore-forming agent distribution

續(xù)表

2.1.2 燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度的影響

圖2 燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷孔隙度的影響Fig.2 Effect of sintering temperature on porosity of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic

圖2為燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷孔隙度影響的曲線(壓制壓力100 MPa，造孔劑分布為20%-10%-20%)。由圖2可知，當(dāng)燒結(jié)溫度從1 050 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，孔隙度從30.4%減小到23.7%，孔隙度隨燒結(jié)溫度的升高而減小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷樣品在進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，顆粒的活性增強(qiáng)，其擴(kuò)散速度加快，擴(kuò)散程度更加充分，顆粒間的連接面積更大。此外隨著燒結(jié)溫度提高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力促使晶粒之間吞并長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致了燒結(jié)產(chǎn)物的孔隙度減小。Ag-HA粉體的燒結(jié)性能要優(yōu)于純HA粉體，其原因如下：在前期Ag-HA粉體制備研究中發(fā)現(xiàn)隨著載Ag含量的增加，0.5Ag-HA、1.0Ag-HA、2.0Ag-HA粉體的(002)晶面間距從0.343 02 nm增加到0.343 26 nm和0.344 29 nm，這說(shuō)明Ag+摻雜后會(huì)引起HA晶格畸變，而Ag-HA粉體中較多的晶格畸變有利于提高粉末的活性，進(jìn)而增強(qiáng)原子擴(kuò)散能力，使Ag-HA粉體更易于被燒結(jié)致密。在1 150 ℃燒結(jié)2 h后，多孔陶瓷孔壁燒結(jié)相對(duì)致密。此時(shí)，進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，對(duì)試樣燒結(jié)致密度的影響不大。考慮到HA材料隨著溫度升高容易分解，為了盡可能減少HA分解，本實(shí)驗(yàn)選擇燒結(jié)溫度為1 150 ℃。

2.1.3 載Ag含量對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度的影響

不同載Ag含量的梯度多孔Ag-HA陶瓷的孔隙度如表2所示(壓制壓力100 MPa，燒結(jié)溫度1 150 ℃，造孔劑分布為20%-10%-20%)。由表2可知，隨著載Ag含量的增加，梯度多孔Ag-HA陶瓷孔隙度略有減小。梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度為24.7%。這是因?yàn)锳g摻雜到HA中時(shí)，Ag+沿c軸進(jìn)入晶胞取代Ca2+，由于Ag+(0.115 nm)半徑比Ca2+(0.106 nm)半徑大，因此HA晶格發(fā)生畸變，隨著含Ag量增加，晶格畸變加大。這種晶格畸變將導(dǎo)致粉末活性增加，粉末活性越大，燒結(jié)過(guò)程中顆粒之間的擴(kuò)散能力越強(qiáng)。在相同溫度燒結(jié)時(shí)，顆粒之間形成的燒結(jié)頸越大，試樣中孔隙減少，試樣被燒結(jié)致密。但是載Ag含量對(duì)燒結(jié)后梯度多孔Ag-HA孔隙度的影響比造孔劑和燒結(jié)溫度的影響小。

表2 不同Ag含量的梯度多孔Ag-HA陶瓷的孔隙度

2.2 梯度多孔Ag-HA陶瓷物相組成分析

圖3為梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷與多孔純HA陶瓷XRD譜。在圖3(b)中，梯度多孔2.0Ag-HA的峰略有左移。以(002)晶面為例，純HA衍射峰為25.698°，多孔2.0Ag-HA的晶面衍射峰為25.640°，向小角度方向偏移。其原因可能是由于Ag+半徑大于Ca2+半徑，Ag+摻雜后引起HA晶格畸變，從而使面間距增大，由布拉格方程λ=2dsinθ(λ為入射X射線波長(zhǎng)；d為晶面間距；θ為入射角)可知，若X射線的波長(zhǎng)不變，當(dāng)d增加時(shí)，θ便會(huì)隨之減小，所以衍射角會(huì)向小角度發(fā)生偏移。Ag摻雜HA粉體后，Ag+將HA晶體中Ca2+的位置替代生成了Ca10-xAgx(PO4)6(OH)2(0.5≤x≤2.0)離子固溶體。圖譜中未發(fā)現(xiàn)造孔劑(NH4HCO3)以及反應(yīng)產(chǎn)物的衍射峰，說(shuō)明在高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中造孔劑已完全分解揮發(fā)。

圖3 多孔HA陶瓷XRD譜Fig.3 XRD patterns of porous HA matrix ceramics

2.3 梯度多孔Ag-HA陶瓷顯微組織分析

圖4為梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷不同部位的微觀形貌照片。其中圖4(a)和圖4(c)分別是試樣上下外表面(造孔劑含量為20%部分)，圖4(b)為試樣中部(造孔劑含量為10%部分)。

圖4 造孔劑含量20%-10%-20%的梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷顯微組織形貌照片F(xiàn)ig.4 Microstructure of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic with 20%-10%-20% pore-making agent

在圖4中明顯可以看到，試樣外表面的孔隙比內(nèi)部多。外表面高孔隙結(jié)構(gòu)可以確保Ag-HA基體植入人體后，生物體內(nèi)的細(xì)胞、纖維組織和骨組織的長(zhǎng)入，增大生物組織與植入材料的接觸面積，而且也能夠使生物組織和植入材料之間有更好的結(jié)合強(qiáng)度。除此之外，互相連通的孔結(jié)構(gòu)便于營(yíng)養(yǎng)的運(yùn)輸，可以加快骨修復(fù)過(guò)程，增強(qiáng)骨缺損修復(fù)的能力，有利于骨組織的長(zhǎng)入，進(jìn)而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。而心部屬于低孔隙度區(qū)域，對(duì)提高多孔Ag-HA的力學(xué)性能是十分有利的。圖4(d)為孔壁的顯微組織照片，在孔壁上存在少量的微孔。這種孔和圖4(a)、(b)、(c)中的大孔來(lái)源不同，大孔主要來(lái)源于造孔劑碳酸氫銨的分解。而孔壁上的微孔，主要來(lái)源于初始生坯中的孔隙，也就是Ag-HA顆粒在堆積時(shí)存在的微小孔隙。這種孔隙在燒結(jié)過(guò)程中，隨著燒結(jié)致密化進(jìn)程，逐漸減少或者消失。

2.4 梯度多孔Ag-HA陶瓷的力學(xué)性能分析

2.4.1 造孔劑分布對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響

不同造孔劑含量對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷材料抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示(壓制壓力100 MPa，燒結(jié)溫度1 150 ℃)。從圖5中可以看出，陶瓷試樣的抗壓強(qiáng)度與造孔劑含量有關(guān)，當(dāng)試樣中間層造孔劑含量從0%逐漸提升20%時(shí)，燒結(jié)后梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的抗壓強(qiáng)度從20.5 MPa減小到8.7 MPa。其原因是：當(dāng)造孔劑含量較低時(shí)，材料的孔洞數(shù)目較少，承擔(dān)外加載荷的面積增大，單位面積的載荷減小，同時(shí)孔隙減少使試樣內(nèi)的缺陷也減少，試樣能承受更大的載荷，因此燒結(jié)后梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度較高。將1#(20%-20%-20%)和2#(20%-10%-20%)兩種多孔2.0Ag-HA陶瓷樣品做比較，兩者外層孔隙結(jié)構(gòu)相似，在植入人體后與人體體液接觸環(huán)境相似，都有利于骨組織的生長(zhǎng)，但是前者的抗壓強(qiáng)度為8.7 MPa，后者的抗壓強(qiáng)度為12.6 MPa，后者的抗壓強(qiáng)度比前者提高了44.8%。因此具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的多孔HA陶瓷的抗壓性能優(yōu)于均勻多孔陶瓷。

圖5 造孔劑含量對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷抗壓強(qiáng)度影響Fig.5 Effect of pore-making agent contents on compressive strength of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷抗壓強(qiáng)度影響Fig.6 Effect of sintering temperature on compressive strength of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic

2.4.2 燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響

燒結(jié)溫度對(duì)梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示(壓制壓力100 MPa，造孔劑含量20%-10%-20%)。由圖6可知，隨著燒結(jié)溫度逐漸升高，梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的抗壓強(qiáng)度隨之增大。當(dāng)燒結(jié)溫度從1 050 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度從4.8 MPa增加到13.2 MPa。但是超過(guò)1 150 ℃后，樣品抗壓強(qiáng)度增加幅度不大。分析原因如下：當(dāng)燒結(jié)溫度升高后，2.0Ag-HA顆粒活性提高，顆粒之間的擴(kuò)散反應(yīng)速率加快，顆粒之間形成更多的燒結(jié)頸，同時(shí)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度增加，這種致密的孔壁結(jié)構(gòu)有助于更好地承擔(dān)外加載荷。同時(shí)隨著燒結(jié)溫度的增加，2.0Ag-HA多孔陶瓷的孔隙度也隨之減小，內(nèi)部由于孔洞所形成的微裂紋以及其它缺陷減少，因此多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度增加。當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)1 150 ℃后，試樣的燒結(jié)密度增加不明顯，因此抗壓強(qiáng)度增加幅度也不明顯。

2.5 梯度多孔Ag-HA陶瓷抗菌性能分析

2.5.1 Ag含量對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷抑菌圈的影響

不同Ag含量的梯度多孔Ag-HA陶瓷對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈如圖7所示，抑菌圈直徑大小如表3所示。在圖7中可以看到梯度多孔Ag-HA周圍有抑菌圈出現(xiàn)，而純多孔HA陶瓷周圍沒(méi)有抑菌圈出現(xiàn)。這表明梯度多孔Ag-HA陶瓷具有明顯的抗菌能力，而純HA并不能對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制或滅殺的作用。從表3中可以看出，當(dāng)陶瓷中載Ag含量由0.5%增加至2.0%時(shí)，大腸桿菌中抑菌圈的直徑從16.84 mm增大到20.31 mm，金黃色葡萄球菌中抑菌圈的直徑從16.92 mm增大到21.05 mm。這就表明其抗菌能力隨載Ag含量的增加而增強(qiáng)，而當(dāng)載Ag含量較低時(shí)，Ag-HA陶瓷對(duì)細(xì)菌的滅殺效果較弱。分析原因如下：在Ag-HA陶瓷中的Ag+是產(chǎn)生抗菌效果的成分，因此隨著試樣中的載Ag含量增加，釋放到外界的Ag+數(shù)量也會(huì)增多，從而對(duì)細(xì)菌有了更好的抑制與滅殺效果。

Ag+具有抗菌性的主要原因是：細(xì)菌的細(xì)胞壁主要是由肽聚糖和脂多糖組成，Ag+可能通過(guò)阻礙聚糖鏈、短肽，肽橋的形成，使肽聚糖不能正常合成，破壞了細(xì)胞壁，使細(xì)菌生長(zhǎng)受阻。此外，Ag+穿過(guò)細(xì)胞壁，與細(xì)胞膜蛋白質(zhì)結(jié)合，細(xì)胞膜蛋白質(zhì)主要是以內(nèi)在蛋白和外在蛋白兩種形式同膜脂質(zhì)相結(jié)合的，Ag+能夠與內(nèi)在蛋白中的疏水羥基結(jié)合使細(xì)胞膜蛋白質(zhì)受損，破壞了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性并阻礙了生化反應(yīng)的有序進(jìn)行。同時(shí)Ag+與細(xì)胞內(nèi)部蛋白酶的巰基結(jié)合，使蛋白酶失去活性，使細(xì)菌細(xì)胞致死。Ag+也會(huì)干擾DNA分子的復(fù)制，阻礙細(xì)菌繁殖。并且由于某種原因，殺死細(xì)菌的Ag+并未隨著細(xì)菌的死亡而消失，而是回到溶液中，繼續(xù)對(duì)剩余細(xì)菌產(chǎn)生作用，保持了試樣的抗菌效果。其抗菌模型如圖8所示。

圖7 不同載Ag含量梯度多孔Ag-HA陶瓷在(1)大腸桿菌和(2)金黃色葡萄球菌中的抑菌圈Fig.7 Inhibition circle images of gradient porous Ag-HA ceramics with various Ag contents immersed in E.coli(1) and staphylococcus aureus(2) bacterial culture medium

表3 不同載Ag含量梯度多孔Ag-HA陶瓷在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌中的抑菌圈直徑

圖8 Ag-HA抗菌模型Fig.8 Antibacterial model of Ag-HA

2.5.2 造孔劑含量對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷抑菌圈的影響

圖9為中間層造孔劑含量不同的梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌環(huán)境下出現(xiàn)抑菌圈形貌圖。抑菌圈直徑如表4所示。

圖9 造孔劑含量不同的梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷在(1)大腸桿菌和(2)金黃色葡萄球菌中抑菌圈形貌照片F(xiàn)ig.9 Inhibition circle images of gradient porous 2.0Ag-HA ceramic with various pore-forming agent contents immersed in E.coli(1) and staphylococcus aureus(2) bacterial culture medium

表4 不同造孔劑含量的梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌中的抑菌圈直徑

從圖9和表4中可以看出，梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷周圍有明顯的抑菌圈出現(xiàn)，當(dāng)中間層造孔劑含量由0%增加至20%時(shí)，大腸桿菌中抑菌圈的直徑從19.27 mm增大到21.22mm，金黃色葡萄球菌中抑菌圈的直徑從20.19 mm增大到22.13 mm。這說(shuō)明孔隙度大的多孔陶瓷的抗菌性能略優(yōu)。分析原因如下：當(dāng)造孔劑的含量不斷增加時(shí)，2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度逐漸增大，并且這些微小的孔隙具有過(guò)濾和吸附的能力，同時(shí)2.0Ag-HA陶瓷的比表面積增大，更多的2.0Ag-HA基體與細(xì)菌接觸，為Ag+的釋放提供了便利的條件，增加了Ag+的釋放量，因此能夠殺死更多的細(xì)菌。此外，繼續(xù)觀察72 h內(nèi)細(xì)菌的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)抑菌圈里仍未生長(zhǎng)出新的細(xì)菌，這證明了梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的抗菌能力具有一定的持久性。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，梯度多孔0.5Ag-HA和1.0Ag-HA陶瓷均隨中間層造孔劑含量增加，抑菌圈直徑略有增大，抗菌效果略有提高。

2.5.3 載Ag含量對(duì)梯度多孔Ag-HA陶瓷殺菌率的影響

將不同載Ag含量的梯度多孔Ag-HA陶瓷試樣浸泡在菌液中，培養(yǎng)不同時(shí)間，觀察細(xì)菌生長(zhǎng)情況。以載Ag含量為0.5%的梯度多孔0.5Ag-HA陶瓷為例，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，未載Ag的梯度多孔HA塊體試樣的殺菌率如圖11所示。由圖10可知，梯度多孔0.5Ag-HA塊體試樣浸泡培養(yǎng)1 h時(shí)，有少量細(xì)菌長(zhǎng)出，繼續(xù)培養(yǎng)5 h、9 h、18 h、24 h后，均無(wú)細(xì)菌出現(xiàn)，而圖11中梯度多孔HA塊體試樣浸泡在菌液中，不同時(shí)間培養(yǎng)后均有細(xì)菌長(zhǎng)出，且細(xì)菌數(shù)量隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)越來(lái)越多。兩者對(duì)比，加入載Ag試樣的菌液中，細(xì)菌只能存活1 h左右，在5 h至更長(zhǎng)時(shí)間后便被完全滅殺，多孔0.5Ag-HA塊體在1 h時(shí)的殺菌率已經(jīng)接近100%，5 h后殺菌率已經(jīng)達(dá)到100%。這說(shuō)明在較低的載Ag含量時(shí)，多孔Ag-HA的短時(shí)殺菌效果已經(jīng)非常理想，并且在24 h后，多孔Ag-HA的殺菌率仍能保持在100%。此外，在對(duì)梯度多孔1.0Ag-HA塊體和梯度多孔2.0Ag-HA塊體進(jìn)行殺菌實(shí)驗(yàn)中，1 h后的溶液中已經(jīng)沒(méi)有細(xì)菌存活，即殺菌率達(dá)到100%，并具有一定的持久性。

圖10 梯度多孔0.5Ag-HA陶瓷在大腸桿菌溶液(1)和金黃色葡萄球菌(2)溶液培養(yǎng)不同時(shí)間效果圖Fig.10 Bactericidal rate maps of gradient porous 0.5Ag-HA ceramis immersed in E.coli(1) and staphylococcus aureus(2) bacterial culture medium for different time

圖11 梯度多孔HA陶瓷在大腸桿菌(1)和金黃色葡萄球菌(2)溶液中培養(yǎng)不同時(shí)間效果Fig.11 Bactericidal rate maps of gradient porous HA ceramic immersed in E.coli(1) and staphylococcus aureus(2) bacterial culture medium for different time

3 結(jié) 論

(1)隨著中間層造孔劑含量的增加，梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷的孔隙度增大，抗壓強(qiáng)度減?。浑S著Ag含量和燒結(jié)溫度的增大，梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷孔隙度減小，抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)；當(dāng)造孔劑分布為20%-10%-20%，壓制壓力為100 MPa，載Ag含量為2%，燒結(jié)溫度為1 150 ℃時(shí)，燒結(jié)后梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷孔隙度為24.7%，抗壓強(qiáng)度為12.6 MPa。

(2)XRD和SEM分析表明燒結(jié)產(chǎn)物為Ag+摻雜的HA相，燒結(jié)后樣品具有明顯的梯度孔隙結(jié)構(gòu)?？咕鷮?shí)驗(yàn)表明：隨載Ag含量和孔隙度的增大，梯度多孔2.0Ag-HA陶瓷對(duì)于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑的增加，表現(xiàn)出良好的抗菌性。

(3)梯度多孔Ag-HA陶瓷的殺菌率在1 h時(shí)接近100%，在5 h、9 h、18 h和24 h后均達(dá)到100%，且抗菌效果具有一定的持久性。而純HA陶瓷未表現(xiàn)出抗菌性能。