银基纳米材料在生物材料表面的构建及其抑菌性能

摘要

生物医学材料在植入体内的感染问题一直是一个令人困扰的难题。但是,由于临床环境不可能是一个封闭式的环境,所以,不管采取怎样的消毒方式,总是不可避免致病菌的存在。致病菌几乎存在于环境中的任何角落,让人防不胜防。它可能来源于材料上贴附的细菌,也可能来源于常用的医疗设备上,甚至有可能是其他患者携带的细菌。更为严重的是,一旦附着在材料表面的细菌没有及时清除,它们会大量繁殖,在材料表面形成生物膜。生物膜内的细菌分泌大量的多糖物质,保护细菌在恶劣的环境下生存,同时,有些细菌还可能进入休眠状态,在环境适宜的时候随时可能爆发,大大增大了灭菌的难度。由于材料上致病菌的繁殖引发的感染问题给患者带来了生理和心理的双重痛苦,它不仅给患者带来剧烈的病痛,延缓疾病的治疗,增加患者的治疗负担,还有可能导致植入材料的失效,使患者错过最佳的治疗时间。因此,如何防止临床材料的感染问题是一项重要的任务。
　　多年的实践和研究证明,银纳米材料是一种非常有效的广谱抗菌剂,它不仅能够杀死细菌,还对其他微生物和病毒具有抑制作用。几千年前,人们便开始使用银制容器米储藏和保存食品,防止细菌引起的变质。近期的研究表明,虽然单质银在作为抗菌剂的使用过程中容易引起银中毒,但是银纳米材料在继承了单质银高效抗菌性能的基础上,大大降低了单质银的毒性,是一种优良的抗菌剂。银纳米材料的抗菌性能足以与抗生素相媲美,而且细菌不会产生抗药性,抗菌效果好。目前,有很多的研究利用了银纳米材料的抗菌性能制各具有自抑茵作用的生物材料。这种生物材料不仅能够抑制细菌在材料表面的贴附,还能够向周围环境中释放银离子,杀死环境中的细菌,杜绝生物膜的形成,预防感染的发生。
　　本论文在以上事实的基础上,利用银纳米材料的抗菌性能,制备了3种具有抗茵性的生物医学材料:载银纳米颗粒的不锈钢医用材料,载银纳米颗粒的猪脱细胞真皮基质皮肤组织工程材料和载磷酸银的壳聚糖-羟基磷灰石骨组织工程支架材料。材料制备后,对不同材料的结构、抗菌性能和生物相容性进行了检测和表征。
　　本论文的主要研究内容如下:
　　1.通过将不锈钢片依次浸泡到氨基硅烷偶联剂的乙二醇溶液和银溶胶中的方法将银纳米颗粒固定在不锈钢的表面。银纳米颗粒由超声方法制得,利用乙二醇作为还原剂,PVP作为稳定剂。用X射线衍射、紫外-可见光分光光谱和动态光散射表征了制制备的银纳米颗粒。颗粒尺寸在20-30nm,稳定性好。用扫描电子显微镜表征了银纳米颗粒在不锈钢片表面的分布。用原子吸收分光光度计表征了载银不锈钢片48小时内在超纯水中的银离子释放速率。银离子缓慢释放,在24h后能达到0.07ppm。用大肠杆菌DH5α表征载银不锈钢的抑菌性能,材料的杀菌率为99%,抑菌圈尺寸为28mm。由于银纳米颗粒表面的银原子可以与氨基硅烷偶联剂一端的基团-NH2通过配位结合连接在一起,而硅烷偶联剂的另一端在溶液中水解形成的Si-OH可以与不锈钢中的Cr2O3钝化层水解产物形成Si-O-Cr键合连接在一起,从而将银纳米颗粒固定在不锈钢材料的表面。
　　2.利用猪脱细胞真皮基质(PADM)的主要成分—I型胶原中存在的大量的氨基残基,将脱细胞的猪真皮基质浸泡到银纳米颗粒的悬浮液中,将银纳米颗粒固定在真皮基质的表面,以制备具有抗菌性的伤口敷料。银纳米颗粒由紫外照射制得,用X射线衍射仪和紫外-可见光分光光谱仪对其进行了表征。银纳米颗粒通过银原子与-NH2的配位结合连接在一起。利用电子万能试验仪傅里叶变换红外光谱仪对PADM的机械性能和成分进行了测试。由于材料中银纳米颗粒的尺寸很小,且含量少,所以,PADM的网络结构和机械性能不受影响。对PADM和载银的PADM的水蒸气挥发率和吸水性进行了测试,载银后,PADM的水蒸气挥发率和吸水性不变。用原子吸收分光光度计表征了载银PADM一周内在PBS中的银离子释放量。利用大肠杆菌DH5α和成纤维3T3细胞培养对载银的PADM的抑菌性能和细胞相容性进行了表征。载银浓度为0.005mM的样品对大肠杆菌DH5α的杀菌率为99.8%,抑菌圈尺寸为21mm。随着载银浓度的增加,材料的杀菌率变大。成纤维3T3细胞培养实验显示对于0.005mM和0.01mM载银的样品对细胞的正常增殖没有不利影响,细胞在材料表面的形态为典型的成纤维细胞的形态,高浓度则抑制细胞的增殖。因此,低浓度载银的猪脱细胞真皮基质既具有抗菌性能,又具有细胞相容性。
　　3.将壳聚糖-纳米羟基磷灰石复合材料浸泡到不同浓度的硝酸银溶液中,利用离子置换法在生物矿化的羟基磷灰石表面原位合成纳米磷酸银抗菌材料,改善壳聚糖-羟基磷灰石支架的抗菌性能。利用X射线光电子能谱、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱仪检测了载银壳聚糖-羟基磷灰石支架的成分。生物矿化形成的羟基磷灰石中的钙离子容易与硝酸银溶液中的银离子置换,原位生成了磷酸银。银离子释放实验表明磷酸银在PBS中可以缓慢释放出银离子,具有抑菌作用。利用扫描电子显微镜对支架的结构进行了表征,由于磷酸银量很少,又是原位合成,因此材料仍然保持原来的二级三维网络结构,利于营养物质和代谢物的输送。0.01mM硝酸银载磷酸银的壳聚糖-羟基磷灰石样品对大肠杆菌DH5α的杀菌率为99.7%,抑菌圈尺寸为15mm。前成骨细胞MC3T3-E1的培养证明了低浓度载磷酸银的样品(0.01mM,0.02mM)上细胞能够正常的增殖,且细胞形态为典型的前成骨细胞的形态,细胞的ALP活性正常。高浓度的载磷酸银支架材料由于银离子释放的浓度过高,对细胞的增殖造成不利影响,具有细胞毒性。因此,通过合理控制材料的载磷酸银的浓度,可以使材料在抗菌性能和细胞相容性之间达到一个平衡,制备具有细胞相容性的抗菌壳聚糖-羟基磷灰石骨组织工程支架。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 银基纳米材料的性能

1.2.1 细菌毒性

1.2.2 其他微生物毒性

1.2.3 抗炎症反应性能

1.3 银基材料的抗菌机理

1.4 银基材料在医学领域的应用

1.4.1 心血管植入材料

1.4.2 中心静脉导管

1.4.3 神经外科导管

1.4.4 骨水泥

1.4.5 伤口敷料

1.5 银基材料的应用前景展望

1.6 研究的目的及主要内容

参考文献

第二章 抗菌性载银不锈钢材料的构建

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验过程

2.3 实验结果及讨论

2.3.1 银纳米颗粒和载银不锈钢形貌

2.3.2 不锈钢载银机理

2.3.3 银离子释放

2.3.4 体外抗菌性能

2.4 本章小结

参考文献

第三章 抗菌性载银猪脱细胞真皮基质伤口敷料的构建

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验过程

3.3 实验结果及讨论

3.3.1 PADM力学性能

3.3.2 载银PADM结构与形貌

3.3.3 载银PADM水蒸气挥发和吸水性能

3.3.4 银离子释放

3.3.5 体外抗菌性能和细胞相容性

3.4 本章小结

参考文献

第四章 抗菌性骨组织工程支架:载磷酸银壳聚糖-纳米羟基磷灰石复合材料的构建及生物性能

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验过程

4.3 实验结果与分析

4.3.1 支架材料成分分析

4.3.2 磷酸银形成机理

4.3.3 支架材料形貌分析

4.3.4 银离子释放实验分析

4.3.5 支架材料的体外抗菌性能和细胞相容性

4.4 本章小结

参考文献

第五章 结论

5.1 主要结论

5.2 本论文的创新点

5.3 展望(有待进一步开展的工作)

攻读硕士期间取得的研究成果

致谢

学位论文评阅及答辩情况表