两阶段释放ZnO双层纳米阵列在3D打印植入物表面的修饰及应用

摘要

研究背景和目的： 由于人口老龄化、运动损伤、骨肿瘤和医疗技术改进等原因，植入物手术量正处于逐年上升趋势。对于骨科手术而言，植入物手术仍然具有一定感染风险，众所周知感染是外科手术失败和导致医疗纠纷的主要原因之一。因此，有必要通过适当的表面修饰增强植入物抗菌性能以降低植入物相关感染率。抗菌纳米颗粒作为未来临床药物受到很大关注，其具有抑菌剂量少，表面积大和生物相容性好等优点。在实际临床应用中，修饰在植入物表面的抗菌成分理想释放方式应分为两阶段。首先的快速释放阶段（48h内），快速杀死植入物表面和周围组织的病原菌；随后的缓慢释放阶段（约2周左右），以实现长期优异抗菌效果。目前3D打印技术已经在骨科领域广泛应用，精准医疗和定制化设备已经是未来医疗的发展方向。本研究将3D打印与纳米修饰技术相结合，在3D打印植入物表面修饰ZnO双层纳米阵列，赋予定制化设备抗菌能力，为降低植入物相关感染率提供新的选择。 方法： （1）水浴法在PEEK/PLA材料表面修饰三种不同形貌的ZnO纳米阵列； （2）通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对已修饰三种不同形貌ZnO纳米阵列的PEEK/PLA材料表面进行镜下观察，同时运用X线衍射技术明确材料表面修饰的纳米阵列； （3）将PEEK/PLA材料以及修饰三种不同形貌ZnO纳米阵列的PEEK/PLA材料浸泡在缓冲液中，每2天换液一次持续2周，对浸泡后的缓冲液进行ICP分析； （4）利用CATIA和3DMAX软件设计腰椎融合器，骨钉和骨折内固定板，通过3D打印机打印出PLA材料实物； （5）体外抗菌实验将已修饰不同 ZnO纳米阵列的 PEEK/PLA材料分别与革兰氏阳性和革兰氏阴性代表菌共培养，对存活的细菌数进行计数并计算抑菌率； （6）体内抗菌实验将已修饰不同 ZnO纳米阵列的 PEEK/PLA材料和致病菌同时植入动物体内，经过2周的饲养，取植入物表面和周围体液进行细菌计数。另外，取植入物周围组织进行包蜡切片和HE染色观察其中炎症细胞数量。 结果： （1）镜下观察和X线衍射技术表明材料表面成功修饰了ZnO纳米片阵列， ZnO纳米棒阵列和ZnO双层（棒状+片状）纳米阵列，经过超声处理后， ZnO双层纳米阵列呈现出优异的材料表面黏附性； （2）材料表面修饰的ZnO双层纳米阵列存在48h内暴释和2周内缓释的现象，而单纯修饰ZnO纳米棒阵列的材料只存在2周缓释的特征，同时单纯修饰ZnO纳米片阵列的材料只存在48h内暴释的形式； （3）3D打印PLA模型表面修饰三种不同形貌ZnO纳米阵列与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养计数结果显示，经 ZnO纳米阵列修饰的3D打印模型对革兰氏阳性和阴性代表菌呈现出良好的抗菌性能，对比未经修饰 ZnO纳米阵列的PLA模型具有显著差异性(p＜0.001)； （4）体外抗菌实验，三种ZnO纳米阵列在24h和48h均呈现较好的抗菌性能，其中48h更优。ZnO纳米阵列对金黄色葡萄球菌的抑菌能力较大肠杆菌更好，其中ZnO双层纳米阵列抑菌率将近100%。经过超声处理后， ZnO双层纳米阵列仍然展现出良好的抑菌性能，而ZnO单层纳米阵列的抗菌性能相比较弱。同时生物膜实验结果显示， ZnO双层纳米阵列表面只有极少细菌存在，展现出良好的破坏生物膜形成作用； （5）体内抗菌实验，经ZnO双层纳米阵列修饰植入物的植入切口愈合良好，修饰ZnO单层纳米阵列的植入切口呈现一定程度的延迟愈合，特别是未经修饰植入物的植入切口明显愈合缓慢。对植入物表面和周围细菌进行计数显示，相比未经修饰的植入物，经三种不同ZnO纳米阵列修饰的植入物表面和周围存在的细菌大大减少(p＜0.001)，而且未经修饰的植入物周围皮肤和肌肉组织切片经观察显示有大量炎症细胞存在，相反三种 ZnO纳米阵列修饰的植入物周围组织中仅发现少量炎症细胞。 结论： （1）PEEK/PLA材料表面成功修饰了一种制备方法简单，抗菌效果极好的ZnO双层纳米阵列； （2）ZnO双层纳米阵列与3D打印植入物结合可以为降低植入物相关感染率提供新的有效方法，为减少抗生素使用提供新的选择。

目录

声明

中英文缩略词

第1章 引言

第2章 材料和方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验动物

2.1.2 主要仪器与试剂

2.2 实验方法

2.2.1PEEK/PLA材料表面修饰ZnO单层（棒状）纳米阵列

2.2.2 PEEK/PLA材料表面修饰ZnO单层（片状）纳米阵列

2.2.3 PEEK/PLA材料表面修饰ZnO双层（棒状、片状）纳米阵列

2.2.4修饰表面ZnO纳米阵列的表征

2.2.5锌离子释放实验

2.2.6实验模型的设计和3D打印

2.2.7体外抗菌实验

2.2.8体内抗菌实验

2.2.9统计学分析

第3章 结果

3.1 表征结果

3.1.1 扫描电子显微镜观察结果

3.1.2 透射电子显微镜观察结果

3.1.3 X线衍射结果

3.2 锌离子释放特性

3.3 体外抗菌实验

3.3.1 3D打印植入物模型抗菌实验

3.3.2 共培养抗菌实验

3.3.3 生物膜实验和体内抗菌实验

3.4 体内抗菌实验

第4章 讨论

4.1 材料表征

4.2 材料释放特性

4.3 体外抗菌实验

4.4 体内抗菌实验

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

综述: 提高PEEK在骨科和牙科应用中生物活性的方法进展