ZnO 表面改性Zn-Cu 組織工程支架的研究

任浩征，潘超，許迎，孫小淏，劉德寶

（天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

近年來，具有生物可降解特性的新一代醫(yī)用金屬材料的研究發(fā)展迅速，這類新型醫(yī)用金屬材料（Mg、Fe、Zn）巧妙地應(yīng)用在人體環(huán)境中，充分利用其易發(fā)生腐蝕降解的特性，實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)逐漸降解直至最終消失的醫(yī)學(xué)臨床目的[1-7]。因此，可降解金屬通過材料成分的合理設(shè)計(jì)，結(jié)合生命科學(xué)和工程學(xué)的研究思路，將會(huì)對(duì)骨組織工程學(xué)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

可降解鎂合金材料因表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性而被廣泛研究。Mg 大量參與人體的各種生理活動(dòng)，在許多細(xì)胞功能中發(fā)揮著重要作用[8]，且其密度與人體骨骼密度接近，同時(shí)彈性模量也與人體骨骼相近，減少了應(yīng)力屏蔽[9]。Singh 等人[10]采用粉末冶金以及鈦編織絲網(wǎng)作為空間支撐材料相結(jié)合的方法，成功地制備了一種孔隙率為60%、孔徑大小約為300 μm、孔洞互連的新型Mg-10Zn-4Y 支架材料。其中，鈦編織金屬絲網(wǎng)法保證了拓?fù)溆行蚨嗫捉Y(jié)構(gòu)的形成；鋅和釔作為添加的合金材料，通過提高整體可燒結(jié)性來增強(qiáng)多孔鎂的強(qiáng)度；使用L929 細(xì)胞對(duì)支架材料的細(xì)胞相容性進(jìn)行了研究，證實(shí)了其生物相容性良好。然而，Mg 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.37 V，因此，鎂在生理環(huán)境中的腐蝕速率快，并且在腐蝕過程中會(huì)產(chǎn)生氫氣包囊[11]。應(yīng)用到組織工程領(lǐng)域的鎂基多孔支架由于具有更大的表面積，因而腐蝕降解速率會(huì)更快。可降解鐵基材料有較好的生物相容性。Fe 是人體必需的金屬元素，參與氧的運(yùn)輸與儲(chǔ)存，與某些酶的合成和活動(dòng)密切相關(guān)[12]。Carluccio 等人[13]采用選擇性激光熔化（SLM）制備了孔隙率為42%的Fe-35Mn 骨支架，并對(duì)其性能進(jìn)行了深入分析，結(jié)果表明，選擇性激光熔化可以制備具有復(fù)雜分級(jí)結(jié)構(gòu)的材料，這是傳統(tǒng)制造方法無法實(shí)現(xiàn)的；支架的微觀結(jié)構(gòu)主要由奧氏體組成，延展性良好；電化學(xué)和浸泡測(cè)試體現(xiàn)出Fe-35Mn 支架降解速率比純鐵快；植入大鼠顱骨4 周后觀察到新骨形成，表明該支架具有良好的生物相容性。然而，F(xiàn)e的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.44 V，在體內(nèi)的腐蝕降解速率較慢，鐵基多孔支架如若植入到體內(nèi)會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的保留。此外，鐵的腐蝕產(chǎn)物在生理環(huán)境中趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致長(zhǎng)期滯留，這可能會(huì)引起代謝并發(fā)癥[14-15]。另外，鐵基材料本身具有鐵磁性，在植入后的醫(yī)學(xué)影像檢測(cè)中存在諸多不便。

鋅具有良好的生物相容性，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.76 V，介于鎂和鐵之間，降解速率適中。Xiao 等人[16]對(duì)Zn-0.05Mg 合金進(jìn)行了體內(nèi)外研究。結(jié)果表明，在純鋅基礎(chǔ)上添加鎂以后，力學(xué)性能得到了改善；合金對(duì)L-929 細(xì)胞無毒性作用，且對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抗菌作用；將Zn-0.05Mg 植入兔股骨后均勻降解且無炎癥反應(yīng)，在骨與植入體界面逐漸有新骨形成。目前，對(duì)于鋅基多孔支架的研究也在不斷深入[17-23]。Capek 等人[18]采用放電等離子燒結(jié)制備了孔隙率約為20%的多孔Zn。結(jié)果表明，初始Zn 粉末尺寸顯著影響孔的大小和形狀、機(jī)械性能以及腐蝕性能；浸泡實(shí)驗(yàn)證明多孔Zn 表面可以沉積Ca-P 產(chǎn)物，具有良好的生物活性。Xie 等人[19]采用氣壓滲流法制備了孔隙率為59.1%的多孔Zn-1Ag、Zn-3.5Ag 支架。結(jié)果表明，降解表面的腐蝕產(chǎn)物主要由ZnO、Ca3(PO4)2和Zn(OH)2組成；多孔Zn-Ag 支架的力學(xué)性能高于相同孔隙率的多孔Zn 支架，說明合金元素的添加改善了支架的力學(xué)性能；隨著銀含量的增加，多孔鋅銀支架的抗菌能力越來越高。Cockerill 等人[20]采用增材制造技術(shù)制備了孔徑為900 μm 和2 mm 的鋅骨支架，制備的多孔鋅支架呈現(xiàn)出完全互連的孔結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)細(xì)胞滲透和骨向內(nèi)生長(zhǎng)，且表現(xiàn)出良好的抗菌作用；體外細(xì)胞測(cè)試和浸泡結(jié)果，證實(shí)了支架良好的生物相容性和適中的降解速率。上述研究都證明了鋅基多孔支架在骨科領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

為了獲得綜合性能優(yōu)異的鋅基多孔支架，對(duì)其進(jìn)行合金化是很有必要的。銅是鋅合金的主要合金化元素之一，也是人體必需的微量元素，可改善機(jī)械性能和生物醫(yī)學(xué)功能，如增強(qiáng)鋅基多孔支架的力學(xué)性能和抗菌效果[24-26]。Hou 等人[25]采用熱壓燒結(jié)來制備氯化鈉模板，將熔化的金屬滲流到氯化鈉模板中，凝固后去除氯化鈉，得到多孔純Zn 和Zn-3Cu 支架。由于銅在鋅基體中的固溶和鋅銅第二相的析出，添加銅顯著提高了鋅支架的力學(xué)性能和腐蝕速率。Tang 等人[26]系統(tǒng)研究了擠壓態(tài)Zn-xCu（x=1,2,3,4）合金的顯微組織、力學(xué)性能、細(xì)胞毒性和抗菌性能。結(jié)果表明，Zn-Cu二元合金具有良好的強(qiáng)度和延展性、可接受的細(xì)胞毒性和良好的抗菌性能。此外，由于人體細(xì)胞存在于組織液中，組織液以水溶液為基礎(chǔ)，支架材料優(yōu)良的親水性能有利于組織液浸潤(rùn)，也有利于促進(jìn)細(xì)胞的快速粘附和快速生長(zhǎng)[27-28]。在醫(yī)用金屬材料表面改性的研究中發(fā)現(xiàn)，在Ti 基體表面制備了Hep/ Chi 功能涂層，在Mg 基體表面制備了PDA/HA 功能涂層，改善了表面的潤(rùn)濕性，顯著地提高了材料的生物相容性[29]。在Zn-Cu 組織工程支架表面進(jìn)行ZnO 表面修飾可改善支架表面潤(rùn)濕性，促進(jìn)親水性，且ZnO 也具備一定的抗菌作用[30-31]，對(duì)Zn-Cu 組織工程支架進(jìn)行ZnO表面修飾，有望達(dá)成ZnO 與富銅相的協(xié)同抗菌作用，進(jìn)一步提高Zn-Cu 組織工程支架的抑菌、抗菌性能。在合金支架表面制備ZnO 的方法有固相法、氣相法和液相法。固相法在反應(yīng)中會(huì)引入雜質(zhì)粒子，氣相法的制備過程較復(fù)雜。液相法效率高，成本較低，其中水熱法制備ZnO 過程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制，速度快且制備的ZnO 形貌可控均勻。所以，水熱法是目前制備ZnO 最常見的方法[32]。

在本研究中，利用氣壓滲流鑄造法制備出理論孔隙率為60%且孔徑尺寸為100～500 μm 的Zn-xCu（x=0,1,2,3）合金組織工程支架。通過水熱法對(duì)Zn-Cu組織工程支架進(jìn)行ZnO 表面修飾，從而改善其表面潤(rùn)濕性。對(duì)所制備支架的宏觀、微觀形貌，ZnO 表面修飾后支架表面的微觀形貌、相結(jié)構(gòu)以及表面親水性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征，并且評(píng)價(jià)了ZnO 表面修飾后的Zn-Cu 組織工程支架的抑菌、抗菌性能。本研究可以對(duì)開發(fā)新一代Zn 基組織工程支架材料提供借鑒與參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料制備方法

1.1.1 Zn-Cu 支架的制備

本研究中制備Zn-Cu 合金組織工程支架所用的材料包括高純鋅錠（純度99.995%）、高純銅粉（純度99.99%）、50～100 目NaCl 顆粒。Zn-Cu 合金組織工程支架的制備采用氣壓滲流鑄造法，其鑄造模具示意圖如圖1 所示。具體制備步驟為：首先在坩堝中將鋅錠加熱至560 ℃，保溫1 h，之后將配比好的銅粉加入坩堝，繼續(xù)保溫1 h，在此過程中通入N2作為保護(hù)氣氛；將氯化鈉顆粒放入模具中，一起放入電阻爐中330 ℃保溫至澆鑄；然后迅速將熔融好的合金撇渣后澆鑄到模具中，冷卻后脫模；在超聲環(huán)境中清洗去除氯化鈉顆粒，得到鋅銅合金支架。

圖1 鑄造模具示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the casting mould

1.1.2 表面ZnO 涂層的制備

將Zn-Cu 合金組織工程支架采用線切割的方法加工成φ10 mm×3 mm 圓柱體試樣，用去離子水、無水乙醇超聲清洗，然后充分干燥。將干燥后的試樣置于200 g/L 的氯化鈉溶液中，在80 ℃下保溫5 h。到預(yù)定時(shí)間后，取出試樣放置到真空干燥箱中充分干燥。

1.2 顯微形貌觀察與物相分析方法

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM, Quanta FEG 250）對(duì)φ10 mm×3 mm 的Zn-Cu 支架圓柱體試樣進(jìn)行顯微形貌觀察。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)φ10 mm×3 mm 的表面制備有ZnO 層的圓柱體試樣進(jìn)行顯微形貌觀察。使用X 射線衍射儀（XRD，Rigaku D/max/2500PC），在掃描范圍2θ 為10°～80°、掃描速度為5 (°)/min 的條件下，對(duì)表面制備有ZnO 層的圓柱體試樣進(jìn)行物相分析。

1.3 Zn-Cu 支架表面接觸角測(cè)定方法

材料表面與水的接觸角采用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。將平整的待測(cè)試樣放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，然后通過滴定針管將5 μL 去離子水滴在樣品表面，用相機(jī)拍攝液滴與樣品表面接觸圖像，最后經(jīng)圖像分析得到材料與水的接觸角。

1.4 ZnO 表面修飾前后的Zn-3Cu 支架細(xì)胞粘附性能評(píng)價(jià)

對(duì)ZnO 表面修飾前后的Zn-3Cu 合金組織工程支架的細(xì)胞粘附性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。將MC3T3 大鼠成骨細(xì)胞置于α-MEM 培養(yǎng)基中，在37 ℃、5%CO2條件下的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 h，將Zn-3Cu 合金組織工程支架輻照滅菌之后，每片材料接種相同數(shù)量的細(xì)胞，用磷酸鹽緩沖液（PBS）沖洗掉殘留的培養(yǎng)基，之后用Hoechst染色劑染色細(xì)胞核20 min，最后用激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM，Nikon A 1）觀察細(xì)胞的粘附情況。

1.5 ZnO 表面修飾前后的Zn-3Cu 支架抗菌性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)材料抑菌、抗菌性能所用菌種為金黃色葡萄球菌與大腸桿菌。將金黃色葡萄球菌置于LB 液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，將培養(yǎng)好的細(xì)菌懸液接種于平板，充分涂抹，將ZnO 表面修飾前后的Zn-3Cu 支架小圓片貼于平板中間，16 h 后觀察測(cè)定材料周邊抑菌圈的大小，抑菌圈越大，材料的抑菌抗菌性能越好。

將大腸桿菌置于LB 瓊脂培養(yǎng)基中培養(yǎng)，將配制好的有ZnO 表面修飾的Zn-3Cu 支架材料浸提液涂于此培養(yǎng)基上，干燥后將培養(yǎng)好的細(xì)菌懸液分別涂布與劃線，16 h 后與空白試樣形成對(duì)照，觀察細(xì)菌數(shù)量的變化情況。細(xì)菌數(shù)量若減少，進(jìn)一步證明ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 支架材料具有抗菌性能。

2 結(jié)果及分析

2.1 Zn-Cu 支架的微觀形貌

本研究制備的Zn-3Cu 合金組織工程支架的宏觀和微觀形貌如圖2 所示。計(jì)算分析得出支架的平均孔徑尺寸為237 μm，實(shí)際孔隙率為(71.13±0.90)%。從圖2a 中的宏觀形貌照片可以看出，支架材料底面和側(cè)面的孔洞均勻分布。以圖2b 中的SEM 照片可看出，支架體孔洞分布均勻，孔的連通性良好，孔洞之間的孔壁相對(duì)完整。

圖2 Zn-3Cu 合金組織工程支架形貌 Fig.2 Zn-3Cu alloy tissue engineering scaffolds: a) macrostructures; b) scanning electron microscope (SEM) image

2.2 ZnO 表面修飾的Zn-Cu 支架表面微觀形貌及相組成

Zn-Cu 合金組織工程支架表面ZnO 層的微觀形貌如圖3 所示?？梢钥闯觯谕粶囟?、相同時(shí)間的處理?xiàng)l件下，在純鋅支架體表面，ZnO 多為一些絮狀顆粒。 添加Cu 合金元素的Zn-xCu（x=1,2,3）支架表面均被針狀或者棒狀聚集的團(tuán)簇均勻覆蓋，并且隨著Cu 添加量的增加，支架表面針狀、棒狀ZnO 的大小逐漸變大。圖4 為帶涂層支架體表面XRD 相結(jié)構(gòu)分析譜圖。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，支架體表面有Zn、CuZn5、ZnO 相，說明經(jīng)過改性后的材料表面生成了棒狀、針狀的ZnO 產(chǎn)物。

圖3 Zn-Cu 合金組織工程支架表面修飾后的微觀形貌 Fig.3 Microstructures of coated Zn-Cu alloy tissue engineering scaffolds

圖4 支架體表面修飾后的XRD 相結(jié)構(gòu)分析圖譜 Fig.4 XRD phase structure analysis of coated scaffolds surface

從圖3 可以看出，相同水熱反應(yīng)條件下，純鋅支架體表面生成的ZnO 為顆粒狀，處于生長(zhǎng)的初級(jí)階段，有逐漸形成與長(zhǎng)大的趨勢(shì)。而添加Cu 以后，由XRD 相結(jié)構(gòu)分析可知，Zn-2Cu、Zn-3Cu 支架體表面會(huì)有金屬間化合物CuZn5相的形成，并且隨著Cu 添加量的增加，CuZn5相的含量也增加。基體Zn 的腐蝕電位低于第二相CuZn5相的腐蝕電位，二者之間會(huì)形成腐蝕微電池，Zn 在Zn-Cu 合金中充當(dāng)陽極，發(fā)生電偶腐蝕[26]，鋅基體的腐蝕速率顯著增加，Zn 離子釋放量增加，從而使ZnO 晶體的生成與長(zhǎng)大速率變快，因此隨著合金元素Cu 含量的增加，Zn-Cu 支架材料表面生成的ZnO 晶體尺寸逐漸增加。

Zn-Cu 合金組織工程支架在80 ℃的NaCl 溶液中生成ZnO 相的反應(yīng)方程式如(1)—(3)所列[33-35]。

支架置于NaCl 溶液后，鋅的溶解和氧的還原開始進(jìn)行，Zn2+和OH-通過擴(kuò)散作用相互接觸，反應(yīng)生 成Zn(OH)2，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為ZnO，當(dāng)ZnO 在NaCl 溶液中的濃度達(dá)到過飽和時(shí)，則會(huì)在試樣表面逐漸沉積。雖然ZnO 層在Cl-的作用下會(huì)發(fā)生分解生成可溶性物質(zhì)ZnCl2[36]，但依據(jù)表面均被ZnO 層均勻覆蓋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷，ZnO 層的沉積速率大于其分解速率。其原因可能是NaCl 電解質(zhì)溶液具有良好的導(dǎo)電性，加速了鋅的溶解和氧的還原過程的進(jìn)行。此外，試樣附近溶液中的OH-會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸增多，pH 值進(jìn)而大于7，溶液呈堿性，而ZnO 易于在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在。制備的ZnO 納米棒大多呈現(xiàn)六棱柱形態(tài)。六棱柱ZnO 的生長(zhǎng)過程主要包括三個(gè)階段[37]：

1）六方薄片的形成。Zn2+與OH-發(fā)生反應(yīng)生成ZnO，為降低表面能，ZnO 聚集在一起形成六方薄片。

2）二維方向形核。在低能量的{0001}晶面族上不斷形成新晶核，溶液中Zn2+與OH-數(shù)量逐漸增多，ZnO 二維形核速率也相應(yīng)變快。

3）晶核側(cè)向長(zhǎng)大。晶核將主要沿二維方向側(cè)向長(zhǎng)大，以降低晶核六個(gè)側(cè)面的高表面能。隨著不斷的形核與長(zhǎng)大，ZnO 六方薄片逐層生長(zhǎng)并最終生長(zhǎng)為六棱柱ZnO 納米棒。

2.3 ZnO 表面修飾對(duì)Zn-Cu 支架表面接觸角的影響

圖5 ZnO 表面修飾前后的Zn-Cu 合金組織工程支架接觸角測(cè)定結(jié)果 Fig.5 Water contact angles of the surface of Zn-Cu alloy tissue engineering scaffolds with or without ZnO coating

Zn-Cu 合金組織工程支架和ZnO 表面改性的Zn-Cu 合金組織工程支架的接觸角測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。從圖5 中可以看出，表面沒有制備ZnO 層的Zn-Cu支架對(duì)水的接觸角均為90°～180°，即水對(duì)材料均表現(xiàn)為不潤(rùn)濕。而ZnO 表面改性的Zn-Cu 合金組織工程支架表面接觸角則表現(xiàn)出明顯差異：純鋅支架的接觸角為112.21°，大于90°，表現(xiàn)為不潤(rùn)濕，即純鋅支架經(jīng)5 h 的水熱處理后，表面涂層并不能夠改善其潤(rùn)濕性。這可能是因?yàn)榧冧\支架為純金屬，成分單一，制備 的表面ZnO 層厚度較薄、局部覆蓋，造成對(duì)水的吸引力較弱。Zn-1Cu、Zn-2Cu、Zn-3Cu 支架材料表面的接觸角分別為46.44°、46.48°、0°，均小于90°，都表現(xiàn)為潤(rùn)濕。結(jié)合ZnO 的尺寸和形貌，Zn-Cu 材料表面的ZnO 多生長(zhǎng)為針狀或者棒狀，且形態(tài)多為聚集的團(tuán)簇，導(dǎo)致表面的粗糙度變大，對(duì)水的吸引力變大，接觸角變小。Zn-3Cu 支架材料表面的ZnO 分布均勻且相對(duì)致密，粗糙度較大，對(duì)水的吸引力較強(qiáng)，潤(rùn)濕效果最佳，表現(xiàn)為完全潤(rùn)濕。材料表面與水的接觸角大小可以顯示出材料表面潤(rùn)濕性的差異[38-39]，通過測(cè)定材料表面對(duì)水的接觸角可反映支架材料表面的親疏水性能。接觸角越小，代表材料的親水性能越好，有利于組織液的浸潤(rùn)，從而促進(jìn)細(xì)胞快速粘附；相反，接觸角越大，表示支架材料表面的潤(rùn)濕性越差，越不利于組織液的浸潤(rùn)，從而減緩細(xì)胞在支架表面粘附。

2.4 ZnO 表面修飾對(duì)Zn-Cu 支架細(xì)胞粘附性的影響

圖6 Zn-3Cu 合金組織工程支架細(xì)胞粘附 Fig.6 Cell adhesion on Zn-3Cu alloy tissue engineering scaffolds: a) without ZnO coating, b) with ZnO coating

結(jié)合Zn-Cu 合金組織工程支架的接觸角大小，說明了材料表面的ZnO 能夠改善材料的親水性，促進(jìn)了細(xì)胞在組織工程支架表面的快速粘附，從而實(shí)現(xiàn)支架材料表面功能化，對(duì)于組織工程支架的臨床應(yīng)用十分有意義。

2.5 ZnO 表面修飾前后的Zn-3Cu 支架抗菌性能評(píng)價(jià)

圖7 為未經(jīng)ZnO 表面修飾和ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 支架與金黃色葡萄球菌接觸培養(yǎng)16 h 后的細(xì)菌菌落鋪板數(shù)碼照片。從圖7 中可以看出，未經(jīng)ZnO表面修飾的Zn-3Cu 合金支架有效滅菌空白區(qū)域的最長(zhǎng)距離為7.8 mm，說明其合金本身Zn-3Cu 材料存在抗菌活性，ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 合金支架有效滅菌空白區(qū)域的最長(zhǎng)距離為9.8 mm，說明ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 合金支架的抑菌、抗菌效果優(yōu)于未經(jīng)ZnO 表面修飾的Zn-3Cu 合金支架。圖7 中沒有完整抑菌環(huán)的存在，可能是因?yàn)槲⒂^孔隙結(jié)構(gòu)存在毛細(xì)現(xiàn)象，孔與孔之間的結(jié)構(gòu)存在差異，合適的孔結(jié)構(gòu)對(duì)菌落有一定的吸附作用，從而會(huì)有一部分菌落貼附于材料周圍，導(dǎo)致抑菌環(huán)不完整。

圖7 Zn-3Cu 合金組織工程支架抑菌圈照片 Fig.7 Antibacterial circle photograph of Zn-3Cu alloy tissue engineering scaffolds: a) without ZnO coating; b) with ZnO coating

圖8、圖9 分別為菌液劃線圖與涂布圖。圖8a與圖9a 為空白菌液，圖8b 與圖9b 為ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 支架浸提液與大腸桿菌共培養(yǎng)后的菌液?？梢钥闯?，分別將菌液劃線與涂布后，作為空白對(duì)照的菌落生長(zhǎng)狀態(tài)良好，菌落與菌落之間致密緊湊排列，稠密分布，肉眼無法分辨出菌落狀態(tài)；而Zn-3Cu 支架材料浸提液處理過的菌液與空白菌液相 比，菌落數(shù)量減少，清晰可見點(diǎn)狀細(xì)菌菌落，分布稀疏，松散排列。這進(jìn)一步說明了ZnO 表面修飾后的Zn-3Cu 支架材料具有抑菌、抗菌性能。

圖8 Zn-3Cu 合金組織工程支架抑菌劃線照片 Fig.8 Antibacterial line photograph of Zn-3Cu alloy tissue engineering scaffolds: a) blank; b) with ZnO coating

細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜會(huì)被ZnO 顆粒溶解釋放的Zn2+破壞，導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)容物流出，從而嚴(yán)重抑制其活性，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。并且有研究發(fā)現(xiàn)，ZnO 中溶解的Zn2+的質(zhì)量濃度約為10 μg/mL 時(shí)，細(xì)胞活性降低到50%[40]。除Zn2+的作用外，ZnO 顆粒對(duì)細(xì)胞的機(jī)械損傷也可導(dǎo)致其抑菌、抗菌。細(xì)菌的細(xì)胞表面存在羧基等一些帶負(fù)電荷的基團(tuán)，ZnO 納米顆粒帶正電荷，在靜電力的作用下，細(xì)菌細(xì)胞與ZnO 顆粒相互吸引，緊密結(jié)合，針狀或者棒狀聚集的團(tuán)簇ZnO 對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜造成破壞，從而使細(xì)菌失去活性[41]。此外，ZnO 顆粒的取向也能影響其抗菌性能，隨機(jī)取向的ZnO 顆粒的抗菌效果優(yōu)于規(guī)則取向的ZnO 顆粒[42]。

圖9 Zn-3Cu 合金組織工程支架抑菌涂布照片 Fig.9 Antibacterial coated photograph of Zn-3Cu alloy tissue engineering scaffolds: a) blank; b) with ZnO coating

3 結(jié)論

1）制備的Zn-xCu（x=0,1,2,3）支架體孔洞分布均勻，連通性良好。

2）ZnO 表面修飾后的Zn-Cu 組織工程支架的表面潤(rùn)濕性得到改善，有利于細(xì)胞快速粘附，提高了支架材料的細(xì)胞相容性。

3）ZnO 表面修飾后的Zn-Cu 組織工程支架具有良好的抑菌、抗菌性能。