納米TiO2抗菌涂層的研究進展

摘要：TiO2納米結(jié)構(gòu)是通過對鈦及鈦合金進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體組織整合能力，并可作為負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)的感染問題，應用前景廣闊。主要對納米TiO2抗菌涂層進行綜述，對比了負載不同種類抗菌劑涂層的優(yōu)缺點，并對未來納米TiO2抗菌涂層的研究方向進行了討論。

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)異的力學性能和生物相容性在骨科及口腔植入領(lǐng)域得到廣泛應用。然而，鈦及鈦合金一旦植入種植體內(nèi)，由于體內(nèi)的環(huán)境復雜，可能會引發(fā)種植體術(shù)后感染，并帶來一系列并發(fā)癥如治療過程復雜化、種植失敗，甚至危害生命。種植體表面引發(fā)感染有兩個原因：一是細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，使細菌容易入侵從而引發(fā)感染［1］。對植入體進行表面改性，在抗菌的同時促進組織整合是減少術(shù)后感染發(fā)生的一種簡單而有效的方法。

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

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外用、口服、靜脈注射進行治療，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。因此可將抗生素負載在納米結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)針對性治療。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］人通過物理包埋的方式將鹽酸莫西沙星負載到TiO2納米結(jié)構(gòu)上，對大腸桿菌表現(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胞膜結(jié)構(gòu)，使菌體失活。以上通過負載不同種類的抗生素可以達到明顯的抗菌效果，但由于抗生素在使用過程中容易產(chǎn)生抗藥性，且釋放速率太快，釋放劑量過多可能會損傷細胞功能。

2載非抗生素類有機抗菌劑涂層

由于抗生素存在產(chǎn)生新耐藥菌株的風險，非抗生素有機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)生耐藥菌的風險小，在日常生活中得到廣泛應用。氯己定可以吸附到鈦表面的氧化層并在幾天時間內(nèi)逐漸脫落，具有一定的抗菌性能且細胞相容性良好。在TiO2納米管上固定抗菌肽GL13K，對牙齦卟啉單胞菌具有一定的抑制作用。固定方法不同，對抗菌肽的抗菌性能也會產(chǎn)生一定影響。為控制抗菌肽的釋放速率，還可通過添加緩釋微球構(gòu)建具有抗菌肽緩釋功能的納米抗菌涂層，實現(xiàn)持續(xù)、有效的抗菌效果。

非抗生素有機抗菌劑產(chǎn)生耐藥菌的風險性低，具有一定優(yōu)勢。然而，這些研究僅限于體外實驗，并不能確保其安全性，因此需要更深入的研究來證明其生物相容性。

3載無機抗菌劑涂層

無機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，在制備表面抗菌涂層方面非常具有吸引力。目前，應用比較廣泛的無機抗菌劑有：銀系抗菌材料、無機離子抗菌材料和活性氧化物抗菌材料。

3.1銀系抗菌劑

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

Wei等［4］通過浸泡和光還原相結(jié)合的方式，將硝酸銀和銀納米粒子負載到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，對革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性菌均表現(xiàn)出較高的抗菌活性，擴大了抗菌譜，且該復合涂層的“開口式”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)的生物相容性問題和潛在的細胞毒性效應不容忽視。

3.2其他無機粒子抗菌劑

除銀外，一些無機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］通過磁控濺法制備了負載納米顆粒的TiO2納米涂層。體外實驗表明，該涂層沒有明顯的細胞毒性，能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的增殖，且能使細菌膜破裂，導致細菌死亡。同時，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，與鈦對照組相比，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胞的增殖，減少植入體植入后的免疫反應，減輕炎癥，表現(xiàn)出抗菌和抗炎雙重特性，并促進骨整合。

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

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越多的關(guān)注。其中，ZnO由于穩(wěn)定性高、耐久性好等特點，是目前應用較多的一種抗菌劑。然而，ZnO的抗菌機理還不明確，目前有3種機制假設，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程中產(chǎn)生具有強氧化的H+、·OH和H2O2等物質(zhì)，可使有機物化學鍵斷裂，從而達到抗菌效果；（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)上的某些基團反應，破壞細菌活性，達到殺菌目的；（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對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均顯示出優(yōu)異的抗菌性能。在TiO2納米管上沉積氧化鋅可對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌性能。同時，高含量的鋅可使細菌的細胞膜破裂，胞內(nèi)物質(zhì)外流，進一步導致細菌死亡。Sreya等通過一種簡單的化學和熱處理方法，在鈦金屬表面形成一層含有ZnO的TiO2納米結(jié)構(gòu)層。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，銳鈦礦TiO2層上的ZnO對革蘭氏陽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MG63成骨肉瘤細胞無細胞毒性，具有良好的細胞相容性。

4結(jié)語

納米TiO2負載抗生素、非抗生素有機抗菌劑、銀、銅和ZnO等無機抗菌劑均能起到顯著的抗菌作用。但有機抗菌劑、無機粒子抗菌劑的釋放速率過快和釋放量過大可能會對健康細胞產(chǎn)生影響，進而影響生物相容性，因此對有效控制釋放量和釋放速率需進行進一步研究，以期實現(xiàn)有效抗菌和提升相容性。而活性氧化物抗菌劑如ZnO對細胞無毒害，但尚未研究對骨整合能力的影響，需進一步研究其對骨整合能力的影響。因此，結(jié)合TiO2結(jié)構(gòu)特點、抗菌原理，嘗試設計合理的控釋體系，開發(fā)多功能抗菌涂層，在實現(xiàn)抗菌的同時促進或不影響組織結(jié)合，將是納米TiO2抗菌涂層未來的研究趨勢。

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［3］黃晗曄，郭雪萍，徐佳微，等.納米TiO2負載鹽酸莫西沙星體系的構(gòu)建及其抗菌效果評價［J］.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學報，2024，32（2）：484-492.

［4］WEI L， WANG H， WANG Z， et al. Preparation and long-term antibacterial activity of TiO2 nanotubes loaded with Ag nanoparticles and Ag ions［J］. RSC Advances， 2015， 5（91）： 74347-74352.

［5］陳華鍇.醫(yī)用鈦表面載銅二氧化鈦納米棒抗菌涂層制備及性能研究［D］.廣州：暨南大學，2022.

［6］ZHU H， TAN J， QIU J， et al. Gold nanoparticles decorated titanium oxide nanotubes with enhanced antibacterial activity driven by photocatalytic memory effect［J］. Coatings， 2022， 12（9）： 1351-1360.

基金項目：滄州交通學院科研基金資助項目（CJ202301003）；滄州市科技計劃自籌經(jīng)費項目（222107010）；滄州市科技計劃自籌經(jīng)費項目（222104006）

作者簡介：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、納米材料制備。