文獻(xiàn)報(bào)道骨科置入物感染的發(fā)生率為1%~10%，其中脊柱手術(shù)和骨折內(nèi)固定術(shù)后感染發(fā)生率可能高達(dá)20%［1-2］。一旦發(fā)生感染，患者往往需要經(jīng)歷長(zhǎng)期而復(fù)雜的治療，包括抗生素治療、手術(shù)清創(chuàng)甚至取出置入物，這不僅增加了患者的心理和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量［3］。骨科置入物表面抗菌修飾涂層是目前研究的熱點(diǎn)之一，其目的是降低術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)，提高置入物應(yīng)用的成功率［4］。鈦納米管（TiO2-NTs）因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是骨科置入物的應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

TiO2-NTs 的研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，被廣泛應(yīng)用于光催化、制氫、染料敏化、太陽能電池等領(lǐng)域［5］。 TiO2-NTs在骨科領(lǐng)域的研究和應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：①TiO2-NTs 的高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)為骨細(xì)胞提供了更多的附著點(diǎn)，從而促進(jìn)骨整合；TiO2-NTs表面可以進(jìn)行化學(xué)修飾，以增強(qiáng)其與骨組織的結(jié)合能力［6］；②TiO2-NTs除了本身具有抑制細(xì)菌粘附作用外，還可以通過裝載抗菌藥物預(yù)防和治療骨科置入物相關(guān)的感染［7］，載藥系統(tǒng)可以通過控制藥物釋放實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期抗菌效果；③TiO2-NTs 的管狀結(jié)構(gòu)使其成為理想的藥物載體，可以裝載成骨生長(zhǎng)因子促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)和修復(fù)；TiO2-NTs還可以通過智能控釋系統(tǒng)，根據(jù)局部環(huán)境變化（如 pH 值變化）來調(diào)節(jié)藥物釋放速度［8-9］；④TiO2-NTs 具有良好的生物相容性，可減少炎癥反應(yīng)和免疫排斥［5］；⑤TiO2-NTs可以增強(qiáng)置入物的機(jī)械性能，如硬度和耐磨性，這對(duì)于承受高負(fù)荷的骨科置入物尤為重要［5］。聚維酮碘展現(xiàn)出廣泛的殺菌譜、高效的滅菌速度、低毒性特征，對(duì)組織刺激性微

弱，具備出色的組織滲透能力及持久的藥效，因此在臨床中得到了廣泛應(yīng)用［10］。Shirai等［11］已經(jīng)證明了碘涂層內(nèi)置物的抗菌性能和生物相容性。因此，本研究通過陽極氧化法對(duì)骨科鈦合金板進(jìn)行表面修飾生成鈦納米管，再用電泳沉積法對(duì)修飾后的鈦板表面進(jìn)行碘負(fù)載，擬研制一種具有抗菌涂層的鈦合金內(nèi)置物， 報(bào)道如下。

1、材料與方法

1.1 鈦納米管涂層的制備 

制備0.5 wt%的氟化銨甘油電解液，將 25 mL 去離子水與 250 mL 甘油溶液混合，隨后向該混合液中加入 1.25 g的氟化銨晶體以完成電解液的配制。將鈦合金板（長(zhǎng) 3.0 cm，寬 1.0 cm，厚0.3 cm）連接陽極電極線，鉑片（長(zhǎng)3.0 cm，寬1.0 cm，厚 0.1 cm）連接陰極電極線，間隔為 2 cm，溫度 25 ℃，轉(zhuǎn)速 90 次/min，電壓 70 V，陽極氧化時(shí)間 10 h。掃描電子顯微鏡觀察鈦納米管生長(zhǎng)情況。

1.2 電泳沉積法進(jìn)行碘的負(fù)載 

配制 2 000 ppm 聚維酮碘水溶液（1 ppm=1 mg/kg=1 mg/L），將鈦合金板充當(dāng)陽極，鉑片作為陰極，在200 V電壓下運(yùn)行30 min。

取出鈦合金板，利用蒸餾水通過超聲波清洗 10 min，隨后進(jìn)行干燥處理，最終制成了表面含碘納米管涂層 的鈦板。掃描電子顯微鏡觀察含碘的鈦納米管涂層，EDS能譜儀分析涂層中碘的分布和含量。

1.3 體外抗菌試驗(yàn) 

將 3 塊未處理的鈦合金板作為對(duì)照組，3 塊載碘鈦納米管涂層的鈦板鈦合金板作為

I-TIO2組，采用環(huán)氧乙烷低溫熏蒸消毒。選取金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株（ATCC25923），濃度 106 CFU/mL。

將鈦合金板浸沒于金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株懸液中，在 37 ℃下保溫 6 h 后取出。將鈦板取出后先用 5 mL磷酸鹽緩沖液沖洗，然后將處理過的鈦合金板轉(zhuǎn)移至一個(gè)新的無菌培養(yǎng)皿中，向培養(yǎng)皿內(nèi)加入 10 mL無菌生理鹽水，確保鈦合金板完全浸沒在鹽水中。利用超聲震蕩裝置對(duì)鈦合金板進(jìn)行震蕩處理，徹底去除其表面的細(xì)菌。將震蕩脫落的細(xì)菌懸液稀釋至原濃度的1/10 000，從中取 100 μL 均勻涂布于瓊脂培養(yǎng)基上，在37 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)，24 h后對(duì)培養(yǎng)基上的菌落進(jìn)行觀察和計(jì)數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，服從正態(tài)分布與方差齊性的計(jì)量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，組間比較采用兩獨(dú)立樣本 t檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2、結(jié)果

陽極氧化法制備的鈦納米管涂層外觀呈現(xiàn)淡藍(lán)色，表面光滑；用掃描電子顯微鏡放大5 000倍觀察到鈦合金表面生長(zhǎng)一層致密的納米管結(jié)構(gòu)，分布大致均勻，納米管直徑為 210~240 nm，納米管厚度大約 4 μm（圖 1）。電泳沉積后，肉眼觀鈦合金板下段表面附著一層棕黃色顆粒狀涂層，大致均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，超聲震蕩清洗膜層結(jié)構(gòu)無脫落；掃描電子顯微鏡放大 20 000倍觀察納米管表面沉積一些晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合緊密，沿管口和管周分布（圖 2）。采用 EDS 能譜儀分析鈦合金板表面元素含量，明確碘元素負(fù)載，碘元素含量為1.55 wt%。涂層表面元素含量依次為鈦（53.83 wt%）、氧（28.99 wt%）、氟（7.81 wt%）、鋁（3.33 wt%）、碳（2.56 wt%）、釩（1.92 wt%）、碘（1.55 wt%）。對(duì)照組瓊脂培養(yǎng)基中菌落計(jì)數(shù)為104.66±8.32，I-TIO2組菌落計(jì)數(shù)為72.66±15.01；I-TIO2組細(xì)菌計(jì)數(shù)較對(duì)照組少，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.180，P=0.020）。

3、討論

現(xiàn)階段骨科內(nèi)置物材料以鈦合金為主，鈦合金材料有著良好的生物相容性和獨(dú)特的物理特性，這些特點(diǎn)滿足了臨床應(yīng)用的需要。鈦是惰性金屬，細(xì)菌表面粘附聚集也成為假體周圍感染難治的原因之一［12-13］。

鈦合金內(nèi)置物表面抗菌處理辦法最常用的就是表面修飾和表面涂層［14］。鈦納米管是一種鈦表面改性技術(shù)，形成的納米級(jí)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出膜層穩(wěn)定、多孔且排列有序的特點(diǎn)，有效增加了表面積并保持了整齊的陣列結(jié)構(gòu)。陽極氧化法因工藝簡(jiǎn)單、成本效益高、能生成高度有序的納米管陣列且與鈦基底結(jié)合緊密，已成為廣泛應(yīng)用的制備手段［15］。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鈦納米管對(duì)體外礦化過程的促進(jìn)作用及成骨誘導(dǎo)能力，而體內(nèi)研究表明，相較于微米級(jí)二氧化鈦噴砂表面，鈦納米管在生物力學(xué)性能和組織相容性方面均表現(xiàn)出優(yōu)越性，同時(shí)自身具備抑制細(xì)菌附著的能力，經(jīng)過改性后的鈦納米管對(duì)人體產(chǎn)生的毒性反應(yīng)更低［16］。鈦納米管抑制細(xì)菌粘附的作用主要是通過產(chǎn)生活性氧的方式來殺滅細(xì)菌，也有文獻(xiàn)報(bào)道通過光的催化機(jī)制抗菌［17-18］。

綜合上述特點(diǎn)，筆者采用陽極氧化法在鈦合金板表面制備出鈦納米管陣列，通過不斷調(diào)整電壓參數(shù)、陽極氧化的時(shí)間、氟化銨甘油體系的濃度，最終確定在 0.5 wt%甘油體系中施加 70 V 電壓并作用 10 h，獲得納米管陣列參數(shù)為直徑210~240 nm，高度4.2 μm，此時(shí)鈦納米管形態(tài)最穩(wěn)定且排列最有序。通過不同時(shí)間段掃描電子顯微鏡下觀察納米管生長(zhǎng)的形態(tài)特點(diǎn)，筆者發(fā)現(xiàn)該體系下鈦納米管在鈦合金板表面形成出現(xiàn)、聚集、生長(zhǎng)、成熟四個(gè)階段。體外金黃色葡萄球菌抗菌試驗(yàn)也證實(shí)了筆者制備的鈦納米管陣列相對(duì)于普通的鈦板具有更好的抑制細(xì)菌粘附的作用。鈦納米管在不同體系下制作出來的直徑、長(zhǎng)度不同，管越長(zhǎng)則涂層的厚度越大，不同厚度的納米管對(duì)光的折射角度不同，外觀顏色也不一樣［19］，而本研究中筆者制作的納米管涂層外觀呈現(xiàn)藍(lán)色。通過陽極氧化法制備的鈦納米涂層屬于鈦合金板表面理化性能修飾產(chǎn)生的抑制細(xì)菌粘附阻礙涂層，但是其抗菌特點(diǎn)仍無法滿足大部分臨床需求。鑒于納米管具有載藥功能，可以尋找一種安全性好、低毒性藥物負(fù)載于納米管內(nèi)。聚維酮碘由聚維酮與碘絡(luò)合而成，其中有殺菌作用的成分是碘。碘元素展現(xiàn)的抗菌特性主要是通過干擾細(xì)菌的細(xì)胞功能和結(jié)構(gòu)完整性，促使細(xì)菌細(xì)胞發(fā)生變性并失去活性［20］。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，碘對(duì)于多種病原體具有顯著的抗菌效果，對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒、孢子、阿米巴囊蟲均具有殺滅作用，而且能夠減輕宿主的炎癥反應(yīng)［21］，有效對(duì)抗導(dǎo)致醫(yī)院感染的多種耐藥菌株［22-24］。筆者結(jié)合碘的特點(diǎn)采用電泳沉積法在鈦納米管表面進(jìn)行碘負(fù)載，能譜分析及元素定量顯示碘成功負(fù)載于鈦納米管表面，其含量為 1.55 wt%；體外抗菌試驗(yàn)結(jié)果顯示，含碘鈦納米管涂層的鈦合金板抗菌性能優(yōu)于普通鈦合金板。

此外，筆者也試圖通過增加電解液聚維酮碘的濃度、改變電壓、延長(zhǎng)作用時(shí)間等方式以提高涂層表面碘的含量，但是結(jié)果不理想，改變電壓或延長(zhǎng)電泳時(shí)間會(huì)導(dǎo)致納米管的厚度不斷增加，電阻不斷增大，工作電流隨之降低，最終會(huì)導(dǎo)致膜層結(jié)構(gòu)脫落，碘的含量反而降低。

綜上所述，利用陽極氧化法在鈦合金板表面制備納米管涂層，再用電泳沉積法實(shí)現(xiàn)了碘的負(fù)載，聯(lián)合兩種鈦合金內(nèi)置物表面改性方法制備的含碘鈦納米管涂層的膜層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗菌性能良好，為骨科抗感染內(nèi)置物的研發(fā)提供了新的理論基礎(chǔ)。本研究介紹的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用前景。

然而，本研究?jī)H在體外驗(yàn)證了含碘鈦納米管涂層的鈦合金板抗菌性能、細(xì)胞的毒性作用，體內(nèi)抗菌性能及

生物相容性結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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（注，原文標(biāo)題：骨科鈦合金表面含碘鈦納米管抗菌涂層的制備）

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tag標(biāo)簽:陽極氧化,電泳沉積,協(xié)同策略,鈦基植入體,碘/二氧化鈦納米管,復(fù)合涂層,抗菌機(jī)理

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