納米多孔陽極氧化鋁表面改性及生物學(xué)性能研究.pdf

1、多孔陽極氧化鋁(Porous anodic alumina, PAA)是通過電化學(xué)氧化的方法在純鋁表面形成的具有高度規(guī)整孔結(jié)構(gòu)的薄膜，其長程有序的納米孔陣列結(jié)構(gòu)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的耐磨防蝕性能，植入體內(nèi)后具有良好的生物安全性、無毒副作用，因此可以將其應(yīng)用在生物材料領(lǐng)域。其表面相互平行的大面積六角形排列的納米孔道可以作為生物活性物質(zhì)的優(yōu)良載體，從而賦予納米結(jié)構(gòu)本身特殊的生物學(xué)功能。近年來眾多的研究表明，鈣-硅基(CaO-SiO2)

2、生物材料具有優(yōu)良的生物活性和降解性，能在體內(nèi)和體外快速誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積并促進(jìn)骨組織相關(guān)細(xì)胞的增殖和分化。但生物材料植入人體后往往引起材料界面的細(xì)菌感染，造成植入體的松動(dòng)，甚至脫落，導(dǎo)致手術(shù)失敗。Cu2+因?yàn)榫哂袕V譜殺菌作用而在生物材料領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，并且最近的研究表明，Cu2+能促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)增殖及骨相關(guān)基因表達(dá)，具有良好的細(xì)胞相容性。因此設(shè)計(jì)鈣-硅-銅(CaO-SiO2-CuO)三元體系的生物活性粒子，并將其裝

3、載入 PAA的納米孔道中，就可以綜合這些材料各自的優(yōu)勢(shì)，賦予 PAA誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積性能、良好的細(xì)胞相容性能以及優(yōu)良的抗菌性能，這在臨床醫(yī)學(xué)上具有重要的理論和醫(yī)用價(jià)值。
　　本文利用高度有序大孔徑(200nm)PAA，采用超聲輔助的溶膠-凝膠法制備出 CaO-SiO2/PAA及 CaO-SiO2-CuO/PAA，通過模擬體液(SBF)浸泡實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了其誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力及其離子緩釋性能，采用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、X射

4、線能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜分析儀(XPS)及傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了表征及分析。利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)分析離子釋放行為。然后，選用乳鼠成骨細(xì)胞進(jìn)行體外細(xì)胞粘附和增殖實(shí)驗(yàn)，并采用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對(duì)細(xì)胞粘附情況進(jìn)行表征。選用革蘭氏陽性菌-金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，S.aureus)和革蘭氏陰性菌-大腸桿菌(Escher

5、ichia coli，E.coli)進(jìn)行體外抗菌實(shí)驗(yàn)。
　　獲得結(jié)論如下：通過溶膠-凝膠法及超聲輔助的減壓浸漬法將活性粒子CaO-SiO2及CaO-SiO2-CuO填充進(jìn)了PAA納米孔道并保持了納米孔道原有的完整性，成功制備出的CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-CuO/PAA。通過 SBF浸泡后 CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-CuO/PAA表面都形成了致密的類骨磷灰石，并且能持繼緩慢釋放出 Ca2+、Si2

6、+、Cu2+等離子，說明 Cu2+的加入并沒有影響其誘導(dǎo)類骨磷灰石形成能力和離子緩釋性能。乳鼠成骨細(xì)胞在材料表面粘附和增殖實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)24h培養(yǎng)后，乳鼠成骨細(xì)胞粘附在材料表面，細(xì)胞形態(tài)正常。培養(yǎng)5d后， CaO-SiO2-CuO/PAA能夠顯著促進(jìn)乳鼠成骨細(xì)胞增殖，呈現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。抗菌性能測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)24h培養(yǎng)后，CaO-SiO2-CuO/PAA對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為86％±4％和88％±2％，同時(shí)，CaO

7、-SiO2/PAA對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌也具有一定的抗菌效果，其抑菌率分別為40％±4％和48％±3％。
　　此外，由于內(nèi)植物感染的第一步是細(xì)菌在材料表面的粘附，因此植入材料的表面性質(zhì)對(duì)其抗菌性有決定性的影響。研究表明，材料表面的潤濕性對(duì)細(xì)菌的粘附有較大影響，因此可以借助改變材料表面的潤濕性來改變材料的抗菌效果。本文還采用低表面能物質(zhì)氟硅烷對(duì)PAA表面進(jìn)行修飾構(gòu)筑疏水性表面，通過比較親水性表面和疏水性表面對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸

8、桿菌粘附作用，驗(yàn)證通過增加材料表面疏水性可提高其抗菌效果。獲得結(jié)論如下：FTIR測(cè)試表明氟硅烷很好的修飾在了PAA表面，并且 PAA表面接觸角由43°±3°提高為124°±4°。抗菌性能測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)6h培養(yǎng)后，PTES/PAA（氟硅烷/陽極氧化鋁）對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為55％±3％和50％±3％，具有一定的抗菌效果。
　　以上研究結(jié)果顯示，本文構(gòu)建的CaO-SiO2-CuO/PAA具有優(yōu)異的誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積