纳米多孔阳极氧化铝表面改性及生物学性能研究

摘要

多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina, PAA)是通过电化学氧化的方法在纯铝表面形成的具有高度规整孔结构的薄膜，其长程有序的纳米孔阵列结构具有较好的化学稳定性，优异的耐磨防蚀性能，植入体内后具有良好的生物安全性、无毒副作用，因此可以将其应用在生物材料领域。其表面相互平行的大面积六角形排列的纳米孔道可以作为生物活性物质的优良载体，从而赋予纳米结构本身特殊的生物学功能。近年来众多的研究表明，钙-硅基(CaO-SiO2)生物材料具有优良的生物活性和降解性，能在体内和体外快速诱导类骨磷灰石沉积并促进骨组织相关细胞的增殖和分化。但生物材料植入人体后往往引起材料界面的细菌感染，造成植入体的松动，甚至脱落，导致手术失败。Cu2+因为具有广谱杀菌作用而在生物材料领域被广泛运用，并且最近的研究表明，Cu2+能促进人骨髓间充质干细胞(BMSCs)增殖及骨相关基因表达，具有良好的细胞相容性。因此设计钙-硅-铜(CaO-SiO2-CuO)三元体系的生物活性粒子，并将其装载入 PAA的纳米孔道中，就可以综合这些材料各自的优势，赋予 PAA诱导类骨磷灰石沉积性能、良好的细胞相容性能以及优良的抗菌性能，这在临床医学上具有重要的理论和医用价值。
　　本文利用高度有序大孔径(200nm)PAA，采用超声辅助的溶胶-凝胶法制备出 CaO-SiO2/PAA及 CaO-SiO2-CuO/PAA，通过模拟体液(SBF)浸泡实验评价了其诱导类骨磷灰石形成的能力及其离子缓释性能，采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)及傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对材料的形貌、结构和组成进行了表征及分析。利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)分析离子释放行为。然后，选用乳鼠成骨细胞进行体外细胞粘附和增殖实验，并采用场发射扫描电镜(FESEM)对细胞粘附情况进行表征。选用革兰氏阳性菌-金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，S.aureus)和革兰氏阴性菌-大肠杆菌(Escherichia coli，E.coli)进行体外抗菌实验。
　　获得结论如下：通过溶胶-凝胶法及超声辅助的减压浸渍法将活性粒子CaO-SiO2及CaO-SiO2-CuO填充进了PAA纳米孔道并保持了纳米孔道原有的完整性，成功制备出的CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-CuO/PAA。通过 SBF浸泡后 CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-CuO/PAA表面都形成了致密的类骨磷灰石，并且能持继缓慢释放出 Ca2+、Si2+、Cu2+等离子，说明 Cu2+的加入并没有影响其诱导类骨磷灰石形成能力和离子缓释性能。乳鼠成骨细胞在材料表面粘附和增殖实验表明：经24h培养后，乳鼠成骨细胞粘附在材料表面，细胞形态正常。培养5d后， CaO-SiO2-CuO/PAA能够显著促进乳鼠成骨细胞增殖，呈现出良好的细胞相容性。抗菌性能测试结果表明：经24h培养后，CaO-SiO2-CuO/PAA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为86％±4％和88％±2％，同时，CaO-SiO2/PAA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌也具有一定的抗菌效果，其抑菌率分别为40％±4％和48％±3％。
　　此外，由于内植物感染的第一步是细菌在材料表面的粘附，因此植入材料的表面性质对其抗菌性有决定性的影响。研究表明，材料表面的润湿性对细菌的粘附有较大影响，因此可以借助改变材料表面的润湿性来改变材料的抗菌效果。本文还采用低表面能物质氟硅烷对PAA表面进行修饰构筑疏水性表面，通过比较亲水性表面和疏水性表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌粘附作用，验证通过增加材料表面疏水性可提高其抗菌效果。获得结论如下：FTIR测试表明氟硅烷很好的修饰在了PAA表面，并且 PAA表面接触角由43°±3°提高为124°±4°。抗菌性能测试结果表明：经6h培养后，PTES/PAA（氟硅烷/阳极氧化铝）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为55％±3％和50％±3％，具有一定的抗菌效果。
　　以上研究结果显示，本文构建的CaO-SiO2-CuO/PAA具有优异的诱导类骨磷灰石沉积能力，能够显著地促进乳鼠成骨细胞的粘附和增殖，同时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有有效抗菌性，这种多功效体系有望作为一种新型的人工植入材料的表面活性涂层而应用于硬组织修复材料领域。此外，通过氟硅烷修饰构筑的PTES/PAA疏水性表面对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的抗菌效果。

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第一章绪论

1.1生物医学材料概述

1.2金属植入体材料的表面改性

1.3 生物涂层构建方法

1.4多孔阳极氧化铝简介

1.5 钙-硅基生物活性玻璃研究进展

1.6 抗菌剂铜在生物材料中的应用

1.7 立题依据

1.8 研究内容

第二章CaO-SiO2-CuO/PAA的制备及其细胞相容性和抗菌性能研究

2.1 引言

2.2实验材料、试剂及仪器

2.3 改进两步阳极氧化法制备大孔径PAA[46]

2.4 CaO-SiO2-CuO/PAA的制备

2.5模拟体液(SBF)浸泡及离子缓释实验

2.6体外细胞相容性能测试

2.7体外抗菌性能测试

2.8实验结果与分析

2.9本章小结

第三章 多孔阳极氧化铝疏水表面的构建及抗菌性能研究

3.1 引言

3.2实验材料、试剂及仪器

3.3 50nm多孔阳极氧化铝的制备

3.4多孔阳极氧化铝疏水表面的构建

3.5疏水表面的表征

3.6疏水表面的抗菌性能测试

3.7 实验结果与分析

3.8 本章小结

第四章结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

东华大学硕士研究生在学期间发表学术论文及专利目录

致谢