納米TiO2抗菌涂層的研究進(jìn)展

摘要：TiO2納米結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行表面改性而獲得的一種表面結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的生物相容性和機(jī)體組織整合能力，并可作為負(fù)載抗菌劑制備抗菌涂層，能有效解決鈦及鈦合金植入體內(nèi)引發(fā)的感染問(wèn)題，應(yīng)用前景廣闊。主要對(duì)納米TiO2抗菌涂層進(jìn)行綜述，對(duì)比了負(fù)載不同種類抗菌劑涂層的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)納米TiO2抗菌涂層的研究方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：表面改性；TiO2納米結(jié)構(gòu)；抗菌涂層鈦及鈦合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性在骨科及口腔植入領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，鈦及鈦合金一旦植入種植體內(nèi)，由于體內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜，可能會(huì)引發(fā)種植體術(shù)后感染，并帶來(lái)一系列并發(fā)癥如治療過(guò)程復(fù)雜化、種植失敗，甚至危害生命。種植體表面引發(fā)感染有兩個(gè)原因：一是細(xì)菌附著在植入體表面，形成一層生物膜，阻礙植入體與組織的整合；二是由于手術(shù)創(chuàng)傷，出現(xiàn)較低的免疫力，使細(xì)菌容易入侵從而引發(fā)感染［1］。對(duì)植入體進(jìn)行表面改性，在抗菌的同時(shí)促進(jìn)組織整合是減少術(shù)后感染發(fā)生的一種簡(jiǎn)單而有效的方法。

研究發(fā)現(xiàn)，在鈦及鈦合金表面構(gòu)建TiO2納米結(jié)構(gòu)有利于骨細(xì)胞的增殖和粘附，促進(jìn)組織整合［2］。同時(shí)，納米結(jié)構(gòu)制備簡(jiǎn)單，尺寸可控，是很好的載藥系統(tǒng)，可負(fù)載一些抗菌物質(zhì)，如抗生素、金屬離子、活性氧化物、蛋白質(zhì)、基因等，從而在抗菌的同時(shí)促進(jìn)骨整合，提高植入體的生物相容性。本文重點(diǎn)介紹了以TiO2納米結(jié)構(gòu)為載體，負(fù)載抗生素、有機(jī)和無(wú)機(jī)等抗菌劑的TiO2抗菌涂層的研究進(jìn)展。

1載抗生素涂層

接受種植體手術(shù)的病人在臨床上通常給予全身抗生素預(yù)防性治療以防止感染的發(fā)生。然而，抗生素類藥物通常是通過(guò)外用、口服、靜脈注射進(jìn)行治療，這些方式使藥物的溶解性受限，在生物體內(nèi)的分布較差，缺乏選擇性。因此可將抗生素負(fù)載在納米結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)針對(duì)性治療。在TiO2納米結(jié)構(gòu)上添加慶大霉素涂層，采用大鼠骨髓炎模型研究其抗菌性。結(jié)果表明，與鈦基底相比，添加慶大霉素的TiO2納米涂層的抗菌效果顯著。同樣地，黃晗曄等［3］人通過(guò)物理包埋的方式將鹽酸莫西沙星負(fù)載到TiO2納米結(jié)構(gòu)上，對(duì)大腸桿菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能，抗菌率從28.0%提升至73.4%，且負(fù)載鹽酸莫西沙星的納米結(jié)構(gòu)可明顯破壞大腸桿菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，使菌體失活。以上通過(guò)負(fù)載不同種類的抗生素可以達(dá)到明顯的抗菌效果，但由于抗生素在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生抗藥性，且釋放速率太快，釋放劑量過(guò)多可能會(huì)損傷細(xì)胞功能。

2載非抗生素類有機(jī)抗菌劑涂層

由于抗生素存在產(chǎn)生新耐藥菌株的風(fēng)險(xiǎn)，非抗生素有機(jī)抗菌劑可能是更好的選擇，如氯己定、氯二甲酚及目前新興的抗菌肽等。它們具有廣譜抗菌能力且產(chǎn)生耐藥菌的風(fēng)險(xiǎn)小，在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。氯己定可以吸附到鈦表面的氧化層并在幾天時(shí)間內(nèi)逐漸脫落，具有一定的抗菌性能且細(xì)胞相容性良好。在TiO2納米管上固定抗菌肽GL13K，對(duì)牙齦卟啉單胞菌具有一定的抑制作用。固定方法不同，對(duì)抗菌肽的抗菌性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響。為控制抗菌肽的釋放速率，還可通過(guò)添加緩釋微球構(gòu)建具有抗菌肽緩釋功能的納米抗菌涂層，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、有效的抗菌效果。

非抗生素有機(jī)抗菌劑產(chǎn)生耐藥菌的風(fēng)險(xiǎn)性低，具有一定優(yōu)勢(shì)。然而，這些研究?jī)H限于體外實(shí)驗(yàn)，并不能確保其安全性，因此需要更深入的研究來(lái)證明其生物相容性。

3載無(wú)機(jī)抗菌劑涂層

無(wú)機(jī)抗菌劑具有良好的抗菌能力、優(yōu)秀的生物相容性和令人滿意的穩(wěn)定性等眾多優(yōu)點(diǎn)，在制備表面抗菌涂層方面非常具有吸引力。目前，應(yīng)用比較廣泛的無(wú)機(jī)抗菌劑有：銀系抗菌材料、無(wú)機(jī)離子抗菌材料和活性氧化物抗菌材料。

3.1銀系抗菌劑

銀對(duì)各種致病菌均有較強(qiáng)的殺滅效果，在低劑量的情況下即可殺死細(xì)菌。目前對(duì)于銀離子抗菌的機(jī)理研究尚不成熟，主要有兩種假說(shuō)：離子溶出機(jī)理和催化反應(yīng)機(jī)理。（1）離子溶出是指銀離子與細(xì)菌接觸的反應(yīng)，當(dāng)銀離子到達(dá)微生物細(xì)胞膜時(shí)，由于細(xì)胞膜帶負(fù)電，依靠庫(kù)侖力兩者相互吸附，銀離子穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，與巰基或氨基反應(yīng)，使蛋白質(zhì)凝固，破壞細(xì)胞合成酶的活性，致細(xì)胞喪失分裂增殖能力而死亡；（2）催化反應(yīng)指在光的作用下，銀離子起催化活性中心的作用，激活水和空氣中的氧，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基及活性氧離子，能在短時(shí)間內(nèi)破壞細(xì)菌的增殖能力而使細(xì)胞死亡。

Wei等［4］通過(guò)浸泡和光還原相結(jié)合的方式，將硝酸銀和銀納米粒子負(fù)載到TiO2納米管的空心管狀納米結(jié)構(gòu)中。結(jié)果表明，硝酸銀被加載到TiO2納米結(jié)構(gòu)中，而銀納米粒子則均勻地粘附在納米管壁上。由于銀離子和銀納米粒子的雙重抗菌作用，對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性菌均表現(xiàn)出較高的抗菌活性，擴(kuò)大了抗菌譜，且該復(fù)合涂層的“開(kāi)口式”空心管狀納米結(jié)構(gòu)能夠控制銀的釋放，使其能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期有效的抗菌。盡管載銀抗菌劑的抗菌性好、安全性高，很少的銀含量就能獲得優(yōu)異的抗菌效果，但與銀離子釋放相關(guān)的生物相容性問(wèn)題和潛在的細(xì)胞毒性效應(yīng)不容忽視。

3.2其他無(wú)機(jī)粒子抗菌劑

除銀外，一些無(wú)機(jī)金屬或非金屬粒子如銅、金和硒等也能起到抗菌作用。陳華鍇［5］在鈦板上制備了TiO2納米結(jié)構(gòu)，然后分別將銅以納米狀態(tài)和原子狀態(tài)載入納米結(jié)構(gòu)表面。結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下的納米涂層均改善了鈦板的親水性和耐腐蝕性能，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率在99%及以上。Zhu等［6］通過(guò)磁控濺法制備了負(fù)載納米顆粒的TiO2納米涂層。體外實(shí)驗(yàn)表明，該涂層沒(méi)有明顯的細(xì)胞毒性，能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的增殖，且能使細(xì)菌膜破裂，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。同時(shí)，將人體必需微量元素之一硒的納米顆粒摻入TiO2納米管中能抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長(zhǎng)，與鈦對(duì)照組相比，其將大腸桿菌的密度減少了94.6%，金黃色葡萄球菌減少了89.6%。且該摻硒納米涂層還能抑制巨噬細(xì)胞的增殖，減少植入體植入后的免疫反應(yīng)，減輕炎癥，表現(xiàn)出抗菌和抗炎雙重特性，并促進(jìn)骨整合。

雖然上述粒子都具有殺滅、抑制病原體的作用，但過(guò)量釋放以及釋放速率過(guò)快也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響，所以仍存在著生物相容性和安全性的問(wèn)題。

3.3活性氧化物抗菌劑

目前，以ZnO、CaO和MgO為代表的活性氧化物抗菌材料受到越來(lái)越多的關(guān)注。其中，ZnO由于穩(wěn)定性高、耐久性好等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用較多的一種抗菌劑。然而，ZnO的抗菌機(jī)理還不明確，目前有3種機(jī)制假設(shè)，光催化抗菌、金屬離子溶出抗菌和活性氧抗菌。（1）光催化抗菌指在光催化過(guò)程中產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化的H+、·OH和H2O2等物質(zhì)，可使有機(jī)物化學(xué)鍵斷裂，從而達(dá)到抗菌效果；（2）金屬離子溶出是指ZnO在含水介質(zhì)中緩慢釋放出Zn2+，與蛋白質(zhì)上的某些基團(tuán)反應(yīng)，破壞細(xì)菌活性，達(dá)到殺菌目的；（3）活性氧抗菌是指ZnO產(chǎn)生H2O2，活性氧發(fā)揮抗菌作用。

研究發(fā)現(xiàn)，ZnO對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌均顯示出優(yōu)異的抗菌性能。在TiO2納米管上沉積氧化鋅可對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌性能。同時(shí)，高含量的鋅可使細(xì)菌的細(xì)胞膜破裂，胞內(nèi)物質(zhì)外流，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)菌死亡。Sreya等通過(guò)一種簡(jiǎn)單的化學(xué)和熱處理方法，在鈦金屬表面形成一層含有ZnO的TiO2納米結(jié)構(gòu)層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，銳鈦礦TiO2層上的ZnO對(duì)革蘭氏陽(yáng)性的金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性的大腸桿菌均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，并且對(duì)MG63成骨肉瘤細(xì)胞無(wú)細(xì)胞毒性，具有良好的細(xì)胞相容性。

4結(jié)語(yǔ)

納米TiO2負(fù)載抗生素、非抗生素有機(jī)抗菌劑、銀、銅和ZnO等無(wú)機(jī)抗菌劑均能起到顯著的抗菌作用。但有機(jī)抗菌劑、無(wú)機(jī)粒子抗菌劑的釋放速率過(guò)快和釋放量過(guò)大可能會(huì)對(duì)健康細(xì)胞產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響生物相容性，因此對(duì)有效控制釋放量和釋放速率需進(jìn)行進(jìn)一步研究，以期實(shí)現(xiàn)有效抗菌和提升相容性。而活性氧化物抗菌劑如ZnO對(duì)細(xì)胞無(wú)毒害，但尚未研究對(duì)骨整合能力的影響，需進(jìn)一步研究其對(duì)骨整合能力的影響。因此，結(jié)合TiO2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、抗菌原理，嘗試設(shè)計(jì)合理的控釋體系，開(kāi)發(fā)多功能抗菌涂層，在實(shí)現(xiàn)抗菌的同時(shí)促進(jìn)或不影響組織結(jié)合，將是納米TiO2抗菌涂層未來(lái)的研究趨勢(shì)。

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基金項(xiàng)目：滄州交通學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（CJ202301003）；滄州市科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（222107010）；滄州市科技計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（222104006）

作者簡(jiǎn)介：封旭佳，女，河北石家莊人，講師，碩士，研究方向：納米材料制備與性能研究，材料表面改性。

通信作者：高晨靜，女，河北石家莊人，講師，碩士，研究方向：電化學(xué)、納米材料制備。