鈦納米管負載米諾環(huán)素羥基磷灰石復合涂層的構建

高啟坤 吳明月

口腔種植義齒被譽為“人類的第三副牙齒”，是依靠鈦種植體支持和固位，成為牙列損失患者的治療手段之一。但在臨床治療過程中，依然存在2%～3%的失敗率，種植體骨結合不佳和種植體周圍炎是口腔種植修復失敗主要原因。鈦基底材質生物化惰性的特性，使其植入體內后存在骨愈合周期長、愈合效果差等缺陷，在骨質、骨量不佳的區(qū)域內表現(xiàn)更為明顯。而TiO納米管特有的多孔隙蜂窩狀管腔，可以作為活性分子生物化修飾的理想載體，實現(xiàn)材料表面結構化與功能化修飾協(xié)同效應，以提高材料的生物相容性。通過陽極氧化法制備鈦納米管，將羥基磷灰石和米諾環(huán)素分子同時負載在鈦納米管基材表面，構建具有成骨和抑菌雙重效應的復合活性涂層。本研究通過TiO納米管為基底材質，應用浸泡法將模擬體液中形成的羥基磷灰石晶體負載在TiO納米管基材表面，構建活性涂層，隨后采用滴加法加載鹽酸米諾環(huán)素,成功構建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復合涂層，為鈦種植體表面生物化和抗菌化修飾研究提供可能性。現(xiàn)將相關研究結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

1.1.1 材料 99.99%高純度鈦片(深圳市海源鋁業(yè)有限公司)；配置氟化胺乙二醇和模擬體液等試劑(天津市致遠化學試劑有限公司)，均為分析純。

1.1.2 儀器 直流穩(wěn)壓電源(DY60V6A,深圳市海源鋁業(yè)有限公司)，場發(fā)射掃描電鏡(Sirion200,FEI,美國Thermo-VG Scientific公司)，X射線光電子能譜儀(PHI1500VersaProbe,美國Thermo-VG Scientific公司)，傅立葉紅外光譜(Thermo Nicolet 8700,美國Thermo-VG Scientific公司)，X射線衍射儀(X,Pert PRO,Philip,美國Thermo-VG Scientific公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 鈦納米管的電解制備 將購置的成品鈦片加工成厚度為0.25 mm、直徑為1 mm的圓形鈦片，用金剛砂紙打磨成光滑鏡面狀，清洗干燥。將純鈦片置為陽極，石墨為陰極，置于濃度為90 mmol/L氟化銨乙二醇電解質溶液中，采用兩步法陽極氧化，電解系數(shù)為6 V 10 min、45 V 50 min。電解結束后用離子水超聲清洗，干燥備用。

1.2.2 鈦納米管表面固定羥基磷灰石 將制備好的鈦納米管完全浸入配備好的模擬體液中，參照kokuko等的方法配置模擬體液，調節(jié)pH在7.2～7.4。將樣品置于水浴鍋中，37℃恒溫處理7 d,用去離子水反復沖洗，去除物理性吸附的羥基磷灰石晶體，自然風干備用。

1.2.3 米諾環(huán)素負載實驗 配置1 g/L的米諾環(huán)素溶液，取12 μL 的米諾環(huán)素溶液平鋪在鈦納米管表面，使其負載量達120 μg，干燥備用。

1.2.4 樣品表征 利用場發(fā)射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)觀察基材表面微觀結構，X射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析材料表面薄膜元素構成及含量分布，傅立葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)檢測基材基團成分，X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)分析基材表面涂層的分子結構。

2 結果

2.1 樣品形貌結構分析 FESEM結果示，純鈦片呈光滑鏡面狀，未見明顯劃痕；鈦納米管呈蜂窩管腔狀結構，管腔大小較為均一，管徑大多集中在50～90 nm,其中70 nm管徑約占基材表面的2/3。見圖1。

2.2 樣品XPS分析 XPS結果示，140eV和350eV處分別出現(xiàn)磷和鈣元素的特征性波峰。見表1、圖2。

表1 鈦納米管經(jīng)羥基磷灰石修飾前后表面各元素含量百分比(%)

圖2 鈦納米管經(jīng)羥基磷灰石修飾前后XPS分析圖譜

2.3 羥基磷灰石修飾后基材的XRD相分析 XRD結果顯示，在衍射角度數(shù)值2θ=34°、38°、40°和53°可見4個顯著的骨樣磷酸鹽衍射峰。見圖3。

圖3 羥基磷灰石修飾后基材的XRD檢測結果

2.4 米諾環(huán)素修飾后復合涂層的FTIR檢測 FTIR圖譜顯示C=C和苯環(huán)官能團的特征性波峰。見圖4。

圖4 米諾環(huán)素修飾后復合涂層的FTIR檢測結果

2.5 復合涂層的表面形貌分析 SEM示，鈦納米管-羥基磷灰石基材表面有一薄層、云霧狀的灰白色沉積物；鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素樣品見大塊的絮狀物將蜂窩狀的納米管和薄層的羥基磷灰石完全覆蓋。見圖5。

圖5 掃描電鏡下鈦納米管經(jīng)羥基磷灰石和

3 討論

目前，口腔種植修復效果主要取決于近期的骨結合成功率和遠期的種植體周穩(wěn)定性。其中促進骨結合主要有物理、化學、形態(tài)學等方法，而通過陽極氧化法制備的鈦納米管，排列高度平整，其一端開口而另一端封閉，管腔可作為容納生物活性分子的儲存器。本課題組前期研究證實70 nm管徑的鈦納米管表現(xiàn)出最佳的骨結合促進效應，故選擇70 nm管徑的鈦納米管作為研究的基材。FESEM圖片示：純鈦片呈光滑鏡面狀，鈦納米管為管距相近、均一分布的蜂窩狀結構。

多項研究證實，羥基磷灰石多孔隙、多親水基團的表面微結構為種植體周-組織界面的細胞生物學活動提供良好的外部環(huán)境，繼而促進蛋白的吸附和細胞的黏附、生長。本實驗采用模擬體液浸泡法，將溶液中的鈣磷分子沉積在蜂窩狀的鈦納米管基材表面，其中鈦納米管特有的篩孔狀結構增加了分子和基材的機械性嵌合力，減少了材料-組織界面的不良應力。通過去離子水反復沖洗吸附的分子，繼而表明羥基磷灰石分子與基材并非是簡單的物理性吸附，而是蜂窩狀、高活性的鈦納米管基材誘導羥基磷灰石晶體的生成與沉積。目前的研究大多集中在種植體生物化改性或抗菌修飾，而實現(xiàn)兩者同期修飾研究較少，故本研究可為種植體多重改性提供一種新的思路和方法。目前較為成熟、理想的抗菌修飾是構建抗菌表面，鈦納米管和羥基磷灰石多孔隙、高活性的結構可作為抑菌藥物分子的良好載體并有望避免藥物突釋，發(fā)揮其緩釋效應。本課題選用針對兼性和專性厭氧菌的廣譜抗菌藥物米諾環(huán)素，將其負載于納米管-羥基磷灰石表面，利用分子的相互化學反應，穩(wěn)固附著米諾環(huán)素，同時羥基磷灰石分子可作為緩釋支架，控制藥物分子的釋放速率，繼而成功構建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復合活性涂層。

本實驗通過陽極氧化法在鈦基材表面形成蜂窩狀、均一的納米管陣列，采用模擬體液浸泡法和鹽酸米諾環(huán)素滴加法，成功構建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復合活性涂層，為種植體表面同期實現(xiàn)生物化改性和抑菌改性提供了新的方法與思路,但該復合活性涂層的緩釋動力學、生物學效應尚有待體外細胞學及體內動物實驗的進一步驗證。