納米TiO2抗菌涂層的研究進展

摘要：TiO2納米結構是通過對鈦及鈦合金進行表面改性而獲得的一種表面結構，具有優越的生物相容性和機體組織整合能力，并可作為負載抗菌劑制備抗菌涂層，能有效解決鈦及鈦合金植入體內引發的感染問題，應用前景廣闊。主要對納米TiO2抗菌涂層進行綜述，對比了負載不同種類抗菌劑涂層的優缺點，并對未來納米TiO2抗菌涂層的研究方向進行了討論。

關鍵詞：表面改性；TiO2納米結構；抗菌涂層鈦及鈦合金由于其優異的力學性能和生物相容性在骨科及口腔植入領域得到廣泛應用。然而，鈦及鈦合金一旦植入種植體內，由于體內的環境復雜，可能會引發種植體術后感染，并帶來一系列并發癥如治療過程復雜化、種植失敗，甚至危害生命。種植體表面引發感染有兩個原因：一是細菌附著在植入體表面，形成一層生物膜，阻礙植入體與組織的整合；二是由于手術創傷，出現較低的免疫力，使細菌容易入侵從而引發感染［1］。對植入體進行表面改性，在抗菌的同時促進組織整合是減少術后感染發生的一種簡單而有效的方法。

研究發現，在鈦及鈦合金表面構建TiO2納米結構有利于骨細胞的增殖和粘附，促進組織整合［2］。同時，納米結構制備簡單，尺寸可控，是很好的載藥系統，可負載一些抗菌物質，如抗生素、金屬離子、活性氧化物、蛋白質、基因等，從而在抗菌的同時促進骨整合，提高植入體的生物相容性。本文重點介紹了以TiO2納米結構為載體，負載抗生素、有機和無機等抗菌劑的TiO2抗菌涂層的研究進展。

1載抗生素涂層

接受種植體手術的病人在臨床上通常給予全身抗生素預防性治療以防止感染的發生。然而，抗生素類藥物通常是通過外用、口服、靜脈注射進行治療，這些方式使藥物的溶解性受限，在生物體內的分布較差，缺乏選擇性。因此可將抗生素負載在納米結構上實現針對性治療。在TiO2納米結構上添加慶大霉素涂層，采用大鼠骨髓炎模型研究其抗菌性。結果表明，與鈦基底相比，添加慶大霉素的TiO2納米涂層的抗菌效果顯著。同樣地，黃晗曄等［3］人通過物理包埋的方式將鹽酸莫西沙星負載到TiO2納米結構上，對大腸桿菌表現出優異的抗菌性能，抗菌率從28.0%提升至73.4%，且負載鹽酸莫西沙星的納米結構可明顯破壞大腸桿菌的細胞膜結構，使菌體失活。以上通過負載不同種類的抗生素可以達到明顯的抗菌效果，但由于抗生素在使用過程中容易產生抗藥性，且釋放速率太快，釋放劑量過多可能會損傷細胞功能。

2載非抗生素類有機抗菌劑涂層

由于抗生素存在產生新耐藥菌株的風險，非抗生素有機抗菌劑可能是更好的選擇，如氯己定、氯二甲酚及目前新興的抗菌肽等。它們具有廣譜抗菌能力且產生耐藥菌的風險小，在日常生活中得到廣泛應用。氯己定可以吸附到鈦表面的氧化層并在幾天時間內逐漸脫落，具有一定的抗菌性能且細胞相容性良好。在TiO2納米管上固定抗菌肽GL13K，對牙齦卟啉單胞菌具有一定的抑制作用。固定方法不同，對抗菌肽的抗菌性能也會產生一定影響。為控制抗菌肽的釋放速率，還可通過添加緩釋微球構建具有抗菌肽緩釋功能的納米抗菌涂層，實現持續、有效的抗菌效果。

非抗生素有機抗菌劑產生耐藥菌的風險性低，具有一定優勢。然而，這些研究僅限于體外實驗，并不能確保其安全性，因此需要更深入的研究來證明其生物相容性。

3載無機抗菌劑涂層

無機抗菌劑具有良好的抗菌能力、優秀的生物相容性和令人滿意的穩定性等眾多優點，在制備表面抗菌涂層方面非常具有吸引力。目前，應用比較廣泛的無機抗菌劑有：銀系抗菌材料、無機離子抗菌材料和活性氧化物抗菌材料。

3.1銀系抗菌劑

銀對各種致病菌均有較強的殺滅效果，在低劑量的情況下即可殺死細菌。目前對于銀離子抗菌的機理研究尚不成熟，主要有兩種假說：離子溶出機理和催化反應機理。（1）離子溶出是指銀離子與細菌接觸的反應，當銀離子到達微生物細胞膜時，由于細胞膜帶負電，依靠庫侖力兩者相互吸附，銀離子穿透細胞膜進入細胞內，與巰基或氨基反應，使蛋白質凝固，破壞細胞合成酶的活性，致細胞喪失分裂增殖能力而死亡；（2）催化反應指在光的作用下，銀離子起催化活性中心的作用，激活水和空氣中的氧，產生具有強氧化能力的羥基自由基及活性氧離子，能在短時間內破壞細菌的增殖能力而使細胞死亡。

Wei等［4］通過浸泡和光還原相結合的方式，將硝酸銀和銀納米粒子負載到TiO2納米管的空心管狀納米結構中。結果表明，硝酸銀被加載到TiO2納米結構中，而銀納米粒子則均勻地粘附在納米管壁上。由于銀離子和銀納米粒子的雙重抗菌作用，對革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性菌均表現出較高的抗菌活性，擴大了抗菌譜，且該復合涂層的“開口式”空心管狀納米結構能夠控制銀的釋放，使其能夠實現長期有效的抗菌。盡管載銀抗菌劑的抗菌性好、安全性高，很少的銀含量就能獲得優異的抗菌效果，但與銀離子釋放相關的生物相容性問題和潛在的細胞毒性效應不容忽視。

3.2其他無機粒子抗菌劑

除銀外，一些無機金屬或非金屬粒子如銅、金和硒等也能起到抗菌作用。陳華鍇［5］在鈦板上制備了TiO2納米結構，然后分別將銅以納米狀態和原子狀態載入納米結構表面。結果表明，兩種狀態下的納米涂層均改善了鈦板的親水性和耐腐蝕性能，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率在99%及以上。Zhu等［6］通過磁控濺法制備了負載納米顆粒的TiO2納米涂層。體外實驗表明，該涂層沒有明顯的細胞毒性，能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的增殖，且能使細菌膜破裂，導致細菌死亡。同時，將人體必需微量元素之一硒的納米顆粒摻入TiO2納米管中能抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長，與鈦對照組相比，其將大腸桿菌的密度減少了94.6%，金黃色葡萄球菌減少了89.6%。且該摻硒納米涂層還能抑制巨噬細胞的增殖，減少植入體植入后的免疫反應，減輕炎癥，表現出抗菌和抗炎雙重特性，并促進骨整合。

雖然上述粒子都具有殺滅、抑制病原體的作用，但過量釋放以及釋放速率過快也會對人體產生影響，所以仍存在著生物相容性和安全性的問題。

3.3活性氧化物抗菌劑

目前，以ZnO、CaO和MgO為代表的活性氧化物抗菌材料受到越來越多的關注。其中，ZnO由于穩定性高、耐久性好等特點，是目前應用較多的一種抗菌劑。然而，ZnO的抗菌機理還不明確，目前有3種機制假設，光催化抗菌、金屬離子溶出抗菌和活性氧抗菌。（1）光催化抗菌指在光催化過程中產生具有強氧化的H+、·OH和H2O2等物質，可使有機物化學鍵斷裂，從而達到抗菌效果；（2）金屬離子溶出是指ZnO在含水介質中緩慢釋放出Zn2+，與蛋白質上的某些基團反應，破壞細菌活性，達到殺菌目的；（3）活性氧抗菌是指ZnO產生H2O2，活性氧發揮抗菌作用。

研究發現，ZnO對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均顯示出優異的抗菌性能。在TiO2納米管上沉積氧化鋅可對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌表現出優良的抗菌性能。同時，高含量的鋅可使細菌的細胞膜破裂，胞內物質外流，進一步導致細菌死亡。Sreya等通過一種簡單的化學和熱處理方法，在鈦金屬表面形成一層含有ZnO的TiO2納米結構層。通過實驗研究發現，銳鈦礦TiO2層上的ZnO對革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性的大腸桿菌均表現出優異的抗菌活性，并且對MG63成骨肉瘤細胞無細胞毒性，具有良好的細胞相容性。

4結語

納米TiO2負載抗生素、非抗生素有機抗菌劑、銀、銅和ZnO等無機抗菌劑均能起到顯著的抗菌作用。但有機抗菌劑、無機粒子抗菌劑的釋放速率過快和釋放量過大可能會對健康細胞產生影響，進而影響生物相容性，因此對有效控制釋放量和釋放速率需進行進一步研究，以期實現有效抗菌和提升相容性。而活性氧化物抗菌劑如ZnO對細胞無毒害，但尚未研究對骨整合能力的影響，需進一步研究其對骨整合能力的影響。因此，結合TiO2結構特點、抗菌原理，嘗試設計合理的控釋體系，開發多功能抗菌涂層，在實現抗菌的同時促進或不影響組織結合，將是納米TiO2抗菌涂層未來的研究趨勢。

參考文獻：

［1］WILDEMANN B， JANDT K D. Infections trauma/orthopedic implants： Recent advances on materials， methods， and microbes-a mini-review［J］. Materials， 2021， 14（19）： 5834.

［2］盧燃，王彩云，曹旭，等.氫化二氧化鈦納米管對小鼠成骨前體細胞和單核巨噬細胞的影響［J］.北京口腔醫學，2022，30（3）：176-181.

［3］黃晗曄，郭雪萍，徐佳微，等.納米TiO2負載鹽酸莫西沙星體系的構建及其抗菌效果評價［J］.農業生物技術學報，2024，32（2）：484-492.

［4］WEI L， WANG H， WANG Z， et al. Preparation and long-term antibacterial activity of TiO2 nanotubes loaded with Ag nanoparticles and Ag ions［J］. RSC Advances， 2015， 5（91）： 74347-74352.

［5］陳華鍇.醫用鈦表面載銅二氧化鈦納米棒抗菌涂層制備及性能研究［D］.廣州：暨南大學，2022.

［6］ZHU H， TAN J， QIU J， et al. Gold nanoparticles decorated titanium oxide nanotubes with enhanced antibacterial activity driven by photocatalytic memory effect［J］. Coatings， 2022， 12（9）： 1351-1360.

基金項目：滄州交通學院科研基金資助項目（CJ202301003）；滄州市科技計劃自籌經費項目（222107010）；滄州市科技計劃自籌經費項目（222104006）

作者簡介：封旭佳，女，河北石家莊人，講師，碩士，研究方向：納米材料制備與性能研究，材料表面改性。

通信作者：高晨靜，女，河北石家莊人，講師，碩士，研究方向：電化學、納米材料制備。