二氧化鈦納米管及抗菌涂層制備的進(jìn)展*

李岳鴻 李瑞延 卿云安 唐雄風(fēng) 秦彥國(guó)*

鈦和鈦合金具有良好的生物相容性，耐腐蝕性以及易于加工的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于骨科移植物制作領(lǐng)域。以鈦及其合金為原料制作的多孔移植物，相較于其他材料，具有更好的骨整合能力[1]。

臨床上假體相關(guān)感染是導(dǎo)致假體置換術(shù)失敗的主要原因之一[2,3]。大約三分之二的術(shù)后感染是由表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌引起的[4]。細(xì)菌污染假體后會(huì)在表面形成一層具有保護(hù)作用的生物膜，使抗感染需要的殺菌藥物的能力是普通情況的1000倍，極大提高了抗菌難度[5]。對(duì)病人而言，再次對(duì)假體進(jìn)行修復(fù)，會(huì)增加手術(shù)難度，遭受更大的痛苦，同時(shí)加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。所以，預(yù)防術(shù)后感染是骨科手術(shù)中關(guān)鍵的一環(huán)。然而，循環(huán)系統(tǒng)給藥會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)藥物濃度很高而病灶部濃度較低，容易引起全身藥物中毒。因此，阻止細(xì)菌在假體表面粘附，增加局部藥物濃度，減輕全身中毒風(fēng)險(xiǎn)，局部給藥成了首要的選擇[6]。

二氧化鈦納米管（titaniumdioxidenanotubes,TNT）具有良好的骨整合能力和載藥能力，因?yàn)椋篢NT極大的增加了假體的表面積，從而增強(qiáng)了周圍真核細(xì)胞對(duì)其表面的粘附性能。TNT的長(zhǎng)度和直徑可控，具有一端開口一段閉合的空腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是非常理想的載藥平臺(tái)[1]。綜上，TNT在加強(qiáng)假體抗菌性能的方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ疚目偨Y(jié)了近幾年TNT的制備方法以及在抗菌方面的應(yīng)用，并對(duì)TNT在抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用提出了展望。

1 二氧化鈦納米管的制備

1.1 陽(yáng)極氧化法

陽(yáng)極氧化法是制備TNT最常用的方法，該種方法可以加強(qiáng)鈦和鈦合金表面的生物活性和抗菌性，在生物材料領(lǐng)域的研究中備受關(guān)注[7]。反應(yīng)器中的陽(yáng)極一般為鈦或鈦合金薄片，陰極為鉑薄片，電解液為氫氟酸或氟化銨溶液[8]。通過調(diào)節(jié)陽(yáng)極氧化反應(yīng)中電壓、時(shí)間等參數(shù)，可以控制TNT孔徑大小以及長(zhǎng)度，并且該種方法高效、經(jīng)濟(jì)，可以用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[9]。其也存在一定的不足，首先是材料會(huì)有過早疲勞損壞的風(fēng)險(xiǎn)。再者是電解液殘留的氟離子對(duì)機(jī)體的利弊沒有定論，需進(jìn)一步研究[5,10]。

1.2 模板合成法

模板合成法也是制備TNT方法之一，根據(jù)提前制備好的模板，通過電化學(xué)沉積法來獲得特定結(jié)構(gòu)的納米管。模板一般由在納米管合成后易被徹底清除的材料構(gòu)成，如陽(yáng)極鋁膜，氧化鋅或二氧化硅[11,12]。模板合成法的優(yōu)點(diǎn)在于通過改變模板的形貌可以獲得需要的納米結(jié)構(gòu)，而缺點(diǎn)也較為顯著，首先模板需要提前制作和最后清除，這增加了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，其次，消除模板可能溶解已形成的納米管，改變最初形貌。同時(shí)，模板大小和形態(tài)的限制也制約了模板合成法的應(yīng)用[13]。

1.3 水熱合成法和溶劑熱合成法

水熱合成法簡(jiǎn)單，高效。將二氧化鈦前體與反應(yīng)液密封在不銹鋼反應(yīng)器中，在特定高溫和一定壓力下進(jìn)行反應(yīng)，隨后用去離子水和酸性溶液如鹽酸溶液清洗表面的雜質(zhì)，一次水熱合成反應(yīng)就可以將二氧化鈦前體百分百轉(zhuǎn)化為TNT[14]。但水熱合成法存在反應(yīng)緩慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，并且大規(guī)模制備TNT排列不規(guī)整的缺點(diǎn)[13]。溶劑熱合成法與水熱合成法相類似將液態(tài)溶液換成有機(jī)溶液。在應(yīng)用低介電常數(shù)有機(jī)溶劑時(shí)，二氧化鈦的可溶性降低，溶解沉淀平衡右移，二氧化鈦沉淀量增加，生成更多的納米管[15]。有些有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)比水高，反應(yīng)溫度和施加的壓力可以控制在更高的水平，對(duì)納米管的尺寸，晶相，分布和附聚有更好的調(diào)控功能[16]。

2 二氧化鈦納米管抗菌性能的研究

2.1 二氧化鈦納米管自身的抗菌性

TNT自身具有抗菌能力。其抗菌性受晶型、管徑、親水性以及其表面化學(xué)成分的影響[17]。晶型和親水性的改變可以控制細(xì)菌的粘附，管徑形態(tài)的作用可能類似于在其碳納米管中的機(jī)制，影響細(xì)菌的應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂[18]。滅菌方法也會(huì)改變TNT抗菌能力，如紫外線照射TNT產(chǎn)生光催化反應(yīng)增強(qiáng)了TNT的抗菌性能。目前對(duì)哪種管徑尺寸抗菌性最強(qiáng)還存在爭(zhēng)議，Lewandowska等[1]通過陽(yáng)極氧化法制作出了多組管徑大小不同的納米管，其中，管徑為23nm的納米管抗菌性最突出。Kummer等[9]在實(shí)驗(yàn)中也得出了管徑為20 nm的抗菌效果要好于80 nm的TNT的結(jié)論。然而Peng等[5]得出了不同的結(jié)論，提出80 nm的納米管的總菌量和活菌量都小于30 nm 的納米管。Esfandiari等[19]指出，表面的粗糙程度和親水性也會(huì)影響到TNT的抗菌性能。管徑越大粗糙度越小，親水性越差，細(xì)菌越難粘附于表面。所以半徑越大，TNT抗菌性就越強(qiáng)。對(duì)于親疏水性對(duì)抗菌的影響，Bartlet等[20]對(duì) TNT親疏水性做了對(duì)比，結(jié)果表明，疏水性越強(qiáng)抗細(xì)胞粘附性越強(qiáng)，抗菌效果越好。晶型的不同也會(huì)產(chǎn)生不同的抗菌效果，在Lewandowska等[1]的實(shí)驗(yàn)中，30nm非晶形和96nm銳鈦礦型或銳鈦礦金紅石混合型的納米管表現(xiàn)出對(duì)特定金葡菌品系的抗性。針對(duì)管徑大小對(duì)抗菌性影響的相反結(jié)論，原因可能是，與假體的滅菌處理有關(guān)。應(yīng)用紫外線照射滅菌處理是常見的一種滅菌手段，經(jīng)紫外線照射后引發(fā)光催化反應(yīng)，納米管表面會(huì)形成一層·OH分子團(tuán)和活性氧簇，以破壞細(xì)菌細(xì)胞膜以及細(xì)胞壁的方式來殺死細(xì)菌[19]。孔徑越大，光催化反應(yīng)效果越強(qiáng)。這一說法可以解釋Lewandowska等的實(shí)驗(yàn)，其樣品TNT沒有經(jīng)過紫外線照射而得出與其他人不同的結(jié)論。晶型對(duì)抗菌能力有影響，在銳鈦礦和金紅石的混合型中兩種晶型的比例不同可能影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總的來說，目前的研究已經(jīng)證實(shí)了TNT自身具有抗菌性，但影響抗菌性的具體條件還沒有統(tǒng)一的結(jié)論，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 二氧化鈦納米管與抗菌藥物

載藥納米管制備方法有物理吸附法和凍干法，兩者過程較為類似，物理吸附法是在TNT上均勻覆蓋藥物溶液之后在室溫下真空或暴露在空氣中干燥，凍干法則是在極低溫下真空干燥。兩種方法載藥效率都可達(dá)到80%以上且納米管管徑越大效率越高[7,21,22]。納米管管徑可以影響載藥納米管的抗菌性，Lin等[23]在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，載藥TNT直徑越大抗菌性越強(qiáng)。這是由于其直徑越大載藥量越大，釋放時(shí)間越長(zhǎng)，持續(xù)抗菌能力越強(qiáng)。Caliskan等[7]發(fā)現(xiàn)，增加 TNT的長(zhǎng)度，可以裝載更多的藥物，延長(zhǎng)藥物的釋放時(shí)間。但是抗生素會(huì)產(chǎn)生耐藥性，Yang等[24]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)盡管載藥納米管具有絕佳的抗菌性，耐藥菌落依然存在，無法杜絕感染。TNT對(duì)藥物的吸附能力不夠，導(dǎo)致藥物短時(shí)間內(nèi)快速釋放，無法長(zhǎng)效抗菌，也易導(dǎo)致局部藥物濃度過高產(chǎn)生毒性[24]。針對(duì)這一問題，F(xiàn)eng等[22]對(duì)裝載慶大霉素的納米管表面覆蓋一層混合有慶大霉素與殼聚糖的薄膜，實(shí)現(xiàn)了在不影響抗菌能力的基礎(chǔ)上對(duì)載藥納米管的藥物釋放速度的控制。Kumeria等[25]為裝載了慶大霉素的TNT覆蓋了聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）的薄膜以及殼聚糖薄膜，PLGA組控制藥物釋放能力上更強(qiáng)，但由于殼聚糖本身具有抗菌能力，所以在總抗菌性上，殼聚糖組表現(xiàn)更好。多藥物混合裝載也是現(xiàn)在的一個(gè)研究方向?？咕幖酉姿幍慕M合能更全面的預(yù)防感染和減輕炎癥。Pawlik等[26]將抗菌的慶大霉素和消炎的布洛芬結(jié)合起來，指出根據(jù)兩者在水和有機(jī)溶劑中的溶解度不同，改變裝藥的先后順序可以有效地提高裝藥量。Aw等[27]用標(biāo)準(zhǔn)多聚體微膠粒搭載疏水藥物，用轉(zhuǎn)化多聚體微膠粒搭載親水藥物，再裝配到TNT中，通過這種方法，可以控制溶解性不同的藥物的釋放并達(dá)到即時(shí)、延遲、持續(xù)的治療效果。

除了慶大霉素，如萬古霉素，盤尼西林，以及生物活性微粒等，都可以裝載到TNT中達(dá)到抗菌的功效[28-32]?？偟膩砜?，TNT具有搭載藥物并獲得局部殺菌的能力，但對(duì)藥物釋放的控制，以及藥物搭載的搭配與劑量上還需要進(jìn)一步的研究。TNT搭載多種藥物并完成藥物的多級(jí)釋放是未來的研究方向。

2.3 二氧化鈦納米管與金屬微粒

隨著各種抗菌藥物的應(yīng)用，細(xì)菌也產(chǎn)生了更強(qiáng)的耐藥性，為了克服耐藥性，金屬和金屬氧化物納米顆粒成為了研究的熱點(diǎn)[33,34]。納米銀微粒具有接觸殺菌和釋放殺菌的能力，相比于其他的抗菌方法如抗菌藥物或者抗菌肽，納米銀微粒具有長(zhǎng)時(shí)間釋放能力，廣譜抗菌能力以及強(qiáng)大的微動(dòng)力學(xué)，并且不易出現(xiàn)耐藥性。載銀TNT是在已經(jīng)制備好TNT的基礎(chǔ)上通過化學(xué)反應(yīng)法，電化學(xué)沉積法，光還原法等方法對(duì)銀微粒進(jìn)行裝載而得到。目前，光還原法應(yīng)用較為廣泛，通過紫外線對(duì)浸泡過硝酸銀溶液的TNT進(jìn)行照射來達(dá)到裝載目的[35]，本方法獲得的納米銀顆粒可以覆蓋納米管，但并不均勻，其大小和形狀受 TNT形狀，紫外線照射時(shí)間，硝酸銀溶液的濃度和浸潤(rùn)時(shí)間的影響[19,36]。

載銀 TNT在銀離子釋放和抗菌方面有著不俗的表現(xiàn)，Zhao等[37]檢測(cè)了4組不同載銀量的納米管樣品的離子釋放能力。在長(zhǎng)達(dá)兩周的釋放后載銀量較高的三組釋放量依然保持在100ppb以上，并且在30天后仍然保持較強(qiáng)的抗菌能力，證明了載銀納米管不俗的抗菌性。在釋放殺菌和接觸殺菌方面，Wei等[35]用TNT裝載納米銀微粒和銀離子，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3天內(nèi) TNT以銀離子釋放殺菌為主，對(duì)革蘭陰性菌抗性更強(qiáng)，3天后以納米銀微粒接觸殺菌為主，對(duì)革蘭陽(yáng)性菌效果更好，該結(jié)論可用于對(duì)特定的菌種進(jìn)行有目的的抑制。將銀的生物毒性對(duì)機(jī)體的損傷降到最小也是植入的關(guān)鍵。Zhao等[37]針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)給出的引起細(xì)胞毒性的銀離子濃度不同，指出在某一濃度下銀離子是否表現(xiàn)出細(xì)胞毒性，與用于實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞的品系和初始細(xì)胞的數(shù)目多少有關(guān)。所以，為了明確可以引起細(xì)胞毒性的銀離子濃度，未來的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)非常有必要。

現(xiàn)如今氧化鋅也常常被用于抗菌領(lǐng)域，氧化鋅不僅有抗菌作用，還可以加強(qiáng)骨整合[38]。盡管有研究表明，細(xì)菌可以對(duì)鋅產(chǎn)生耐藥性，但是產(chǎn)生的耐藥性也極為有限，而且相比于汞等其他金屬，鋅毒性對(duì)人體損傷非常小。因此，氧化鋅也可以看做是可以替代納米銀微粒的一種新型金屬氧化物微粒內(nèi)容物。Roguska等[39]觀察到相較于裝載氧化鋅量最多的TNT，鋅離子釋放量最高的TNT在殺菌和抗細(xì)菌粘附方面上表現(xiàn)最好，從而得出了離子的濃度在殺菌和抗粘附中是最重要的結(jié)論。氧化鋅裝載量最高的TNT卻不是鋅離子釋放量最高原因在于內(nèi)部氧化鋅層形成了不規(guī)則的島狀結(jié)構(gòu)，阻塞納米管，導(dǎo)致鋅離子無法釋放。該實(shí)驗(yàn)從側(cè)面證明了 TNT裝藥的方法和裝藥量也會(huì)對(duì)抗菌性有很大的影響，相信在未來會(huì)出現(xiàn)對(duì)不同裝藥方法以及最適宜裝藥量的進(jìn)一步研究。

TNT還可以裝載金、氧化鈦微粒等來達(dá)到抗菌目的，本文在此不多贅述[38,40-42]。

3 結(jié)論與展望

隨著TNT研究的深入，其必將在假體移植領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。筆者對(duì)TNT之后的研究有如下2點(diǎn)展望：實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放，增加裝載量以及控制藥物釋放的速度，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有效抗菌。目前的研究方向雖然呈現(xiàn)多向發(fā)展，但少有將多線結(jié)合起來的研究。將TNT自身的性質(zhì)與藥物或者金屬微粒的性質(zhì)相結(jié)合，獲得最佳的抗菌效果，也將會(huì)是一個(gè)研究領(lǐng)域，尤其是短期內(nèi)藥物釋放完畢后，最后能夠更加持續(xù)的抗菌的就是納米管自身的性質(zhì)。只有將兩者

完美結(jié)合才能獲得最佳的抗菌效果。