钛表面聚多巴胺—纳米银复合膜层的构建及抗菌性能研究

作     者：谭英 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭帼馨

授予年度：2014年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070305[理学-高分子化学与物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：钛 纳米结构 聚多巴胺 纳米银 抗菌 

摘      要：细菌感染是骨植入手术中最严重的并发症之一,传统的治疗方法依赖于长期使用抗生素、清除手术等,增加了患者的痛苦和经济负担,甚至导致残疾和死亡。钛具有良好的力学性能,较好的生物相容性和耐腐蚀性,因而广泛用作硬组织修复材料。但钛生物活性差,植入人体后其表面会形成大量的纤维包囊,不能与周围骨组织形成骨性结合,易导致植入失败。因此,对钛基植入材料进行表面改性,赋予其良好的抗菌性能和成骨活性具有重要的现实意义。本课题从模拟类骨纳米结构及细胞外基质组分角度出发,利用化学氧化法构建了纳米结构化表面的活性钛基材;进一步接枝仿生聚多巴胺(PDA)膜层,构建出适宜的细胞外微环境;最后利用PDA的螯合作用和还原性制备出聚多巴胺-纳米银复合膜层,以期提高钛基植入体的抗菌性能的同时促进其骨整合,主要研究内容和结论如下： 通过化学氧化法在亚微米“台阶结构钛表面构建出纳米形貌,调控化学氧化的反应时间、温度和反应液(H2O2/H2SO4)配比得到了不同纳米结构化钛表面,推导了化学氧化法构建钛表面纳米结构的机理,探究了纳米结构化钛基材对小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)行为的影响。结果表明,钛表面原有的亚微米“台阶结构随着氧化的进行而逐渐被刻蚀,亚微米粗糙度减小;化学氧化法在钛表面构建出无定型的Ti02薄层,其表面亲水性和表面能大大提高;与未处理的纯钛相比,表面纳米结构化促进了BMSCs在钛表面的粘附、增殖及成骨分化,体现较好的成骨活性。 进一步利用多巴胺自聚合在纳米结构化钛表面构建出仿生聚多巴胺膜层。傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外可见光谱(UV-vis)等证实PDA均匀沉积在钛表面。体外矿化实验证明,PDA分子末端裸露的羟基能够螯合模拟体液中的Ca2+,从而大幅提高了羟基磷灰石(HA)的沉积能力,体现较好的生物活性。蛋白质定性吸附结果表明PDA膜层促进了牛血清白蛋白(BSA)的吸附,细胞实验证实PDA修饰钛表面成骨细胞(MC3T3-E1)早期粘附数量及增殖率高于未处理的对照组,显示了良好的细胞相容性。 为提高钛表面的抗菌性能,本研究以PDA为桥梁,利用其对金属离子的螯合能力和自身的还原性成功将纳米银(AgNPs)沉积在PDA修饰钛表面,通过控制钛片在硝酸银溶液中的浸泡时间制备出不同负载量的AgNPs。银离子释放结果表明,反应1h和2h得到的AgNPs修饰钛表面银离子在释放3d内达到平衡,而反应4h样品在释放3d后仍呈上升趋势。选用金黄色葡萄球菌测试样品表面的抗菌性能,结果表明低负载量(1h和2h)AgNPs修饰钛表面具有优异的杀菌能力的同时,具有较好的细胞相容性,而高负载量(4h)的AgNPs修饰样品会对细胞粘附、增殖有一定的抑制作用。本研宄有望为临床制备出兼具抗菌和成骨活性的钛基植入材料提供新的研究思路。