Cu/Ta-Ti抗感染复合纳米涂层研制和应用研究
作者单位：中国人民解放军海军军医大学
学位级别：硕士
导师姓名：章浩
授予年度：2024年
学科分类：08[工学] 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）] 080502[工学-材料学]
摘 要：研究背景及目的 骨植入物感染是指细菌或其他微生物附着在植入物表面,形成生物膜,导致局部或全身性感染。这种感染难以治疗,因为生物膜内的微生物对抗生素具有高度抵抗力。常见的病原体包括金黄色葡萄球菌、链球菌、大肠杆菌等。这种感染可能会导致肢体疼痛、肿胀、红肿、发热等症状,严重的情况下甚至可能导致手术失败和骨缺损。骨植入物相关感染的发生原因多种多样,包括手术过程中的污染、手术后的伤口护理不当、患者免疫系统功能低下等。然而,植入物感染作为一种严重的并发症,不仅对患者的健康构成威胁,也带来了沉重的社会经济负担。因此,对于如何防止骨科植入物感染一直是骨科领域研究的热点之一。 近年来,在植入体表面负载纳米金属抗菌涂层的方法在临床实践中得到一些初步的成功。纳米金属涂层材料具生物相容性好,易于加工与抗菌性能优异等特点。 铜是人体必需的微量元素,对于维持正常的生理功能至关重要。研究报道指出纳米铜颗粒因其具有良好的抗菌性而被广泛研究,它可以有效抑制细菌、病毒等微生物的生长,且不易产生耐药性。纳米铜颗粒能够逐渐释放出铜离子,这些铜离子与细菌细胞膜上的硫醇基团结合,导致细菌的呼吸链受到破坏,从而抑制细菌的生长和繁殖。在与细菌接触的过程中,纳米铜可以诱导产生大量的活性氧(如羟基自由基、过氧化氢等)。活性氧具有很强的氧化性,能够破坏细菌的细胞膜、蛋白质和核酸,从而导致细菌死亡。纳米铜颗粒可以直接与细菌细胞接触,通过物理方式破坏细胞膜的完整性,使细胞内容物泄漏,从而导致细菌死亡。纳米铜还可以进入细菌细胞内部,与DNA结合,影响基因的表达和复制,从而抑制细菌的生长和繁殖。纳米铜还可以与细菌中的一些关键酶(如脱氢酶、氧化还原酶等)结合,影响其活性,从而抑制细菌的新陈代谢和生长。 钽是一种具有高抗腐蚀性的稀有金属元素。钽及其合金因其良好的生物相容性和抗腐蚀性,在骨科植入物领域有着广泛的应用。纳米钽颗粒具有促进骨生长的作用,纳米钽颗粒具有较大比表面积和高度活性的特点,可以提供高效的生长基质,促进骨细胞的侵入和生长。同时纳米钽能够诱导骨细胞分泌骨基质沉积物,如钙、磷等元素,加速钙化作用,促进骨的愈合。纳米钽颗粒还可以促进干细胞向骨细胞的分化,从而增强骨细胞功能,促进骨的再生和修复。纳米钽颗粒与骨的成分相似,具有生物相容性和生物可降解性,可以被人体吸收,避免了对人体的副作用和损害。 围绕上述研究背景,本课题拟对抗感染复合纳米涂层进行以下系列关键技术的研究:通过磁控溅射技术制备Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料。针对Cu/Ta-Ti复合纳米涂层,通过对其有效表征,测试复合纳米涂层的表面粗糙度、微观形貌等结构;评价Cu/Ta-Ti复合纳米涂层的体内和体外抗菌效果,筛选出具有优异结构和性能的抗感染复合纳米涂层材料。 研究方法 我们利用磁控溅射技术,制备Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料;针对以上涂层,通过对其有效表征分析。主要的手段包括:X射线衍射图谱分析(XRD)、扫描电子显微镜分析(SEM)、原子力显微镜分析(AFM)、电子探针显微分析(EPMA)。通过以上分析方法,表征复合纳米涂层的元素组成、微观形貌等结构与表面粗糙度。通过涂层离子释放实验,研究Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料纳米颗粒的释放能力。通过体外细胞毒性实验来探究Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料对大鼠骨髓间充质干细胞增殖的影响。为了评估Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料的体外抗菌效能,我们实施了细菌活性实验、细菌涂板定量实验以及活/死细菌染色实验。为了探究该纳米涂层材料对大鼠骨髓间充质干细胞(r BMSCs)成骨分化的影响,我们进行了一系列促成骨分化的相关实验。此外,为了全面评估该涂层材料在体内的抗感染能力和成骨效果,我们构建了大鼠股骨植入物感染模型,并进行了体内抗感染实验及成骨实验。在实验过程中,我们运用了micro-CT分析、微生物学分析、病理组织切片染色、Masson染色和吉姆萨染色等多种实验方法,以期全面、准确地评估Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料在体内的实际表现。 研究结果 采用XRD、SEM、AFM和EPMA等实验方法对涂层进行相关理化性质表征分析,成功制备Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料。离子释放实验结果显示Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料可在组织中释放纳米铜颗粒及纳米钽颗粒。体外细胞毒性实验表明,Cu/Ta-Ti纳米复合涂层材料具有良好的生物相容性。体外抗菌实验证实,Cu/Ta-Ti复合纳米涂层材料在体外可显著抑制金黄色葡萄球菌的黏附和增殖。体外促成骨实验表明,Cu/Ta-Ti纳米复合涂层材料具有促进r BMSCs增殖及成骨分化能力。体内动物实验表明,Cu/Ta-Ti纳米复合涂层材料在SD大鼠体内可有效抑制金黄色葡萄球菌感染并具有一定的促进骨形成的作用。 研究结论 Cu/Ta-Ti
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