杜策之，王成勇

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

研究顯示，約10%的住院患者會(huì)在臨床治療過程中出現(xiàn)感染癥狀。在歐洲每年有3～4萬人死于臨床感染。美國疾控中心專家表示，在臨床感染中超過60%的病例與細(xì)菌生物膜有關(guān)。導(dǎo)致臨床感染的主要原因之一是醫(yī)療器械表面細(xì)菌污染。醫(yī)療環(huán)境中的細(xì)菌可在器械表面附著后形成生物膜。常用的高壓蒸汽、紫外線和化學(xué)藥劑等外部滅菌方式難以對醫(yī)療器械表面的生物膜進(jìn)行徹底清除，從而導(dǎo)致治療過程中患者細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)增大。尤其是對植入體來說，其本身的異體性及植入手術(shù)操作過程的高風(fēng)險(xiǎn)因素大大增加了臨床感染的發(fā)生率。具備抗菌特性的醫(yī)療器械能降低器械表面細(xì)菌粘附的概率，對器械表面粘附的細(xì)菌進(jìn)行高效消殺，有效減小臨床感染風(fēng)險(xiǎn)。擁有高效抗菌表面的醫(yī)療器械對提升醫(yī)療質(zhì)量有著重要的作用。因此，提升醫(yī)用材料，尤其是醫(yī)用金屬材料表面的抗菌性是當(dāng)前生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文從材料表面抗菌機(jī)制出發(fā)，列舉了當(dāng)前醫(yī)用金屬材料抗菌表面的主要制造方法，總結(jié)了各類制造方法實(shí)現(xiàn)醫(yī)用金屬表面抗菌的途徑，指出了當(dāng)前醫(yī)用金屬材料抗菌表面加工研究中存在的不足，并對醫(yī)用金屬抗菌表面制造的未來進(jìn)行了展望。

1 材料表面抗菌機(jī)制

從抗菌機(jī)制看（圖1），當(dāng)前材料表面抗菌形式可分為結(jié)構(gòu)抗菌、成分抗菌和復(fù)合抗菌。結(jié)構(gòu)抗菌多利用表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌粘附率的降低。表面微結(jié)構(gòu)可降低細(xì)菌與材料表面的接觸面積，進(jìn)而降低細(xì)胞膜于材料之間的作用力。小于細(xì)菌尺度的微結(jié)構(gòu)被證明對表面細(xì)菌粘附有較強(qiáng)的抑制作用。而擁有較大尺寸的超疏水結(jié)構(gòu)表面同樣對細(xì)菌粘附有較強(qiáng)的抵抗性。

圖1 醫(yī)用金屬表面抗菌機(jī)制

成分抗菌主要利用細(xì)菌細(xì)胞膜及DNA與特定化學(xué)元素/官能團(tuán)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)表面抗菌。利用抗菌性較強(qiáng)的Ag、Cu等金屬元素、活性氧和有機(jī)官能團(tuán)對粘附在材料表面的細(xì)菌細(xì)胞的蛋白結(jié)構(gòu)和DNA結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，從分子層面實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌細(xì)胞的分解。

復(fù)合抗菌是將結(jié)構(gòu)抗菌和成分抗菌相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)降低材料表面細(xì)菌粘附率的同時(shí)對粘附細(xì)菌細(xì)胞體進(jìn)行殺滅，從而大幅提升表面抗菌效能。

2 抗菌表面制造

2.1 激光加工

醫(yī)用金屬表面激光加工主要是利用微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)材料表面的結(jié)構(gòu)抗菌。而抗菌結(jié)構(gòu)的激光加工中又以脈沖激光為主。R K Gupta等[1]利用納秒激光對304不銹鋼表面進(jìn)行輻照，提升了304不銹鋼表面的抗細(xì)菌粘附性能。V Vishwakarma等[2]利用納秒激光對鈦合金表面實(shí)現(xiàn)了Cu-Ni 合金的沉積，并實(shí)現(xiàn)了Cu、Ni在鈦合金表面多層交替疊加，使鈦合金表面抗細(xì)菌成膜性能有效提升。H R Fatema等[3]利用皮秒激光在不銹鋼表面制備了納米級亞微米級和納米-微米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并通過研究證實(shí)了納米-微米復(fù)合結(jié)構(gòu)具備最佳的抗細(xì)菌粘附特性。P Alexander 等[4]利用皮秒激光對不銹鋼表面進(jìn)行納米線陣列和孔陣列進(jìn)行加工，研究發(fā)現(xiàn)納米線陣列和孔陣列可有效降低不銹鋼表面大腸桿菌的粘附。C Alexandre 等[5]利用飛秒激光在鈦合金表面制造出周期性納米線陣列和納米凸起陣列結(jié)構(gòu)，并通過研究證實(shí)兩種納米結(jié)構(gòu)能顯著降低鈦合金表面金黃色葡萄球菌的粘附。A A Nastulyavichus等[6]利用飛秒激光在不銹鋼表面加工出納米條狀陣列結(jié)構(gòu)和織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)兩種納米結(jié)構(gòu)均可降低不銹鋼表面金黃色葡萄球菌的粘附，但納米織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗細(xì)菌粘附性能優(yōu)于納米條狀陣列結(jié)構(gòu)。Du 等[7]采用飛秒激光對鋯基非晶合金表面進(jìn)行了納米顆粒結(jié)構(gòu)和周期性陣列結(jié)構(gòu)兩種不同類型納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)。研究結(jié)果表明，飛秒激光在非晶合金表面通過單次輻照即可誘導(dǎo)出具備抗菌功能的微結(jié)構(gòu)，且保持材料表面的非晶態(tài)。同時(shí)，激光誘導(dǎo)的周期性陣列結(jié)構(gòu)具備更好的抗細(xì)菌粘附性能，如圖2 所示。

圖2 鋯基非晶合金飛秒激光加工微結(jié)構(gòu)表面抗菌特性

2.2 化學(xué)處理

醫(yī)用金屬表面化學(xué)處理研究在表面結(jié)構(gòu)抗菌、成分抗菌和復(fù)合抗菌的應(yīng)用上均有涉及。F Variola等[8]通過表面氧化處理的方式在鈦合金表面制備了具備抗菌性能的微納結(jié)構(gòu)，顯著降低了鈦合金表面的細(xì)菌粘附率。I Merve[9]通過陽極氧化處理在鈦合金表面制備了納米孔隙微結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在具備良好生物相容性的同時(shí)對金黃色葡萄球菌有顯著的抑制作用。在醫(yī)用金屬抗菌表面化學(xué)處理研究方面，Z M Lei 等[10]采用放電等離子燒結(jié)和酸蝕處理工藝在純鈦制作了不同Ag 含量的Ag-Ti合金，研究證實(shí)經(jīng)酸蝕刻處理后Ti-Ag樣品的抗菌比例明顯增加。同時(shí)，純鈦(cp-Ti)和Ti-Ag(AE)樣品表面的細(xì)胞增殖、細(xì)胞形態(tài)和成骨細(xì)胞分化無明顯差異，生物相容性未產(chǎn)生顯著改變。丁新更等[11]利用溶膠-凝膠方法在乙烯基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑中加入銀離子，得到含銀有機(jī)硅烷水解溶液。通過硅烷在不銹鋼表面水解制備了抗菌、耐蝕的抗菌膜層，將不銹鋼表面的抗菌性能提升到到99.9%以上。H C Qian等[12]在室外環(huán)境下依次利用多巴胺、AgNO3及全氟癸硫醇(PFDT)對不銹鋼表面進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼表面結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合抗菌層的制造。V M Villapún等[13]通過在空氣中對Cu基非晶合金復(fù)合材料進(jìn)行加熱氧化，利用Cu氧化物提升了Cu基非晶合金復(fù)合材料表面的抗菌性，如圖3所示。

圖3 Cu基非晶合金在氧化處理后表面抗菌性

2.3 氣相沉積

氣相沉積技術(shù)主要通過在醫(yī)用金屬表面增加具有抗菌性能的Ag元素來提升材料的成分抗菌性能。在醫(yī)用金屬表面抗菌涂層制造方面，G Y Lan等[14]研究表明，采用物理氣相沉積（PVD）制備的含Ag及其氧化物的涂層對鈦合金、不銹鋼等醫(yī)用金屬表面抗菌性具有顯著的改善作用。J Osés等[15]采用PVD方式對316L不銹鋼表面進(jìn)行Ag涂層的制備，極大提升了不銹鋼表面的抗菌性能。E.Andrea 等[16]在鈦合金表面使用PVD 技術(shù)制備了Ti-Ag 涂層。研究結(jié)果顯示在Ag 含量為3%～9%的情況下材料表面細(xì)胞毒性均未出現(xiàn)顯著改變，而抗菌性增強(qiáng)。H L Chih等[17]利用PVD方式在鈦合金表面制備了非晶態(tài)的ZrCN/a-C 涂層，使得鈦合金表面生物相容性改變不大的情況下抗菌性大大提升且。H Y Zhou等[18]利用CVD技術(shù)在316L不銹鋼表面制備了非晶態(tài)的a-C:H 層，研究結(jié)果顯示非晶態(tài)a-C:H 層有較強(qiáng)的抗大腸桿菌粘附特性。M Jitti 等[19]采用化學(xué)氣相沉積（CVD）的方式在304不銹鋼表面制備了TiO2-Ag薄層，對比制備了TiO2的表面，在TiO2-Ag 薄層中Ag 含量小于1%的情況下抗菌性出現(xiàn)了較大幅度提升。

2.4 增材制造

抗菌表面增材制造主要通過在醫(yī)用金屬表面加入抗菌元素來實(shí)現(xiàn)材料表面成分抗菌。以選擇性激光熔化（SLM）為主。S Guo 等[20]將鈦合金（Ti6Al4V）粉末與Cu 粉末混合后利用選擇性激光融化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Ti6Al4V-xCu 合金的制備。相對Ti6Al4V合金來說，Ti6Al4V-xCu合金對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長起到了顯著的抑制作用，同時(shí)表面細(xì)胞毒性變化不大。Q Wang等[21]將316L粉末于Cu粉末混合，采用SLM方式制備了含Cu 的不銹鋼，顯著提升了不銹鋼表面的抗菌性。M Andrew 等[22]利用SLM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦合金表面Ag 和Cu 元素的添加。研究表明Ag元素的加入對鈦合金表面結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度沒有顯著影響，但增強(qiáng)了其表面的延展性。同時(shí)，Ag元素也使得鈦合金表面具備了更好的抗菌性。G M Li 等[23]利用SLM技術(shù)將Cu 粉末加入Ti-6Al-4V 中制備了Ti-6Al-4V-5Cu 合金。其表面生物特性研究結(jié)果表明，Ti-6Al-4V-5Cu 合金對金黃色葡萄球菌抑制率達(dá)到了57%。R S Chen等[24]利用SLM技術(shù)在316L不銹鋼表面植入了Ag元素，從而讓不銹鋼表面對大腸桿菌的抑制率提升到90%以上。

2.5 復(fù)合加工

醫(yī)用金屬表面的復(fù)合加工技術(shù)多以提升材料表面成分抗菌或復(fù)合抗菌為目標(biāo)進(jìn)行。在抗菌表面復(fù)合加工方面，Y K Ca 等[25]將納秒激光與AgNO3化學(xué)處理相結(jié)合，在激光輻照過程中對激光輻照區(qū)域噴灑超聲霧化的AgNO3溶液。利用AgNO3在高溫下產(chǎn)生分解，在激光加工區(qū)域形成了Ag顆粒沉淀和表面微結(jié)構(gòu)的同步制造，進(jìn)而提升了316L醫(yī)用不銹鋼表面的復(fù)合抗菌性。Y Dong 等[26]結(jié)合等離子體表面合金化技術(shù)和低溫等離子體滲氮技術(shù)，在強(qiáng)化了不銹鋼表面抗磨損性的同時(shí)提升了表面的抗菌性。李健等[27]利用真空蒸鍍法對鈦合金表面分別進(jìn)行Cu 和Ag 元素沉積，并使用超快激光實(shí)現(xiàn)Cu 元素、Ag元素與鈦合金表面合金化。研究結(jié)果表明，合金化元素層的耐蝕性能得到提高。在對細(xì)菌的抑菌實(shí)驗(yàn)中，Cu和Ag注入的鈦合金都具備良好的抑菌性。但Cu注入的鈦合金對大腸桿菌的抑制性能較弱。J Vaithilingam 等[28]通過SLM 技術(shù)制備了Ti6Al4V合金，并將環(huán)丙沙星封裝于基于膦酸的自組裝單層膜后修飾在SLM加工表面顆粒結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了Ti6Al4V合金SLM制造表面的載藥，極大提升了Ti6Al4V合金的抗菌性能。Y H Zheng 等[29]利用過氧化氫在鈦合金表面制備納米結(jié)構(gòu)，并采用離子注入技術(shù)將Ag 離子植入納米結(jié)構(gòu)中。研究發(fā)現(xiàn)有Ag注入的納米結(jié)構(gòu)表面對變形鏈球菌、牙齦卟啉單胞菌和白色念珠菌具有較好的抗粘附性和生長抑制性，且生物相容性較好。

3 制造方法、抗菌機(jī)制及材料分類

當(dāng)前醫(yī)用金屬材料抗菌表面的主要制造方式可分為激光加工、化學(xué)處理、氣相沉積、增材制造和復(fù)合加工5大類。激光加工主要致力于物理高效抗菌表面構(gòu)建。氣相沉積和增材制造主要以提升材料的成分抗菌特性為主?；瘜W(xué)處理和復(fù)合加工則多以結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合抗菌層構(gòu)建為目標(biāo)。對當(dāng)前不銹鋼，鈦合金/純鈦和非晶合金抗菌表面主要制造方法、抗菌機(jī)制及其主要抗細(xì)菌類型進(jìn)行了歸類，如表1所示。當(dāng)前對于傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料抗菌表面制造的研究覆蓋較廣，材料表面對常見細(xì)菌抑制特性的研究均有涉及。而非晶合金抗菌表面制造的研究不多，其加工表面抗菌性研究僅限于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這兩種細(xì)菌。

雖然傳統(tǒng)醫(yī)用金屬在生物醫(yī)療上應(yīng)用廣泛，但其晶體材料固有特性導(dǎo)致的力學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)性能的不足難以全方位的改善。尤其是在臨床醫(yī)療器械方面，傳統(tǒng)的鈦合金植入體，不銹鋼手術(shù)器械均存在較多的短板。大量的研究表明，非晶合金相在力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)性能上對傳統(tǒng)醫(yī)用金屬有著顯著的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[30]。目前對于非晶合金抗菌研究多集中于改進(jìn)材料配方，通過加入Ag等元素提升抗菌性。但是Ag含量較多會(huì)對非晶合金的成型性能產(chǎn)生影響。而現(xiàn)有非晶合金表面處理的研究對非晶材料本質(zhì)把握不夠透徹，容易在處理過程中導(dǎo)致材料表面晶化程度更嚴(yán)重的情況，制約著非晶合金的進(jìn)一步應(yīng)用。同時(shí)，在復(fù)合抗菌表面構(gòu)建上，現(xiàn)有研究多將Ag、Cu等元素通過加工修飾于醫(yī)用金屬表面來提升復(fù)合抗菌性能，對于如納米單晶金剛石這類具備高效抗菌特性的新型納米材料[31]與醫(yī)用金屬表面微結(jié)構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合抗菌的研究較為少見。

表1 醫(yī)用金屬抗菌表面主要制造方法、抗菌機(jī)制及其主要抗細(xì)菌類型

4 結(jié)束語

當(dāng)前在醫(yī)用金屬材料表面使用的結(jié)構(gòu)抗菌、成分抗菌和復(fù)合抗菌方法均可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的抗菌性能，但是具備結(jié)構(gòu)-成分復(fù)合抗菌的表面具有多重抗菌機(jī)制，更有利于減少器械表面細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，當(dāng)前對于非晶合金這類具備廣泛醫(yī)用潛力的材料抗菌表面制造的研究較少，主要在激光加工和化學(xué)處理加工兩個(gè)方向有探索，缺乏對不同體系非晶合金實(shí)現(xiàn)表面抗菌特性的探索，不利于對醫(yī)療器械領(lǐng)域的革新。因此，本文認(rèn)為未來在醫(yī)用金屬抗菌表面制造的研究方面應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注以下3個(gè)部分。

（1）在復(fù)合抗菌表面構(gòu)建方面，將諸如納米金剛石等新型高效抗菌材料與結(jié)構(gòu)抗菌表面相結(jié)合，進(jìn)一步提升實(shí)現(xiàn)醫(yī)用金屬表面的抗菌性。同時(shí)，尋找合適的表面處理工藝，使新型納米抗菌材料能在醫(yī)用金屬抗菌微結(jié)構(gòu)表面穩(wěn)定的附著，保證構(gòu)建的復(fù)合抗菌表面能夠長效抗菌。

（2）針對非晶合金這類新型醫(yī)用金屬表面抗菌制造方面，首先從加工過程中材料去除特性出發(fā)，確?？刂萍庸囟?，避免材料晶化現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而保持材料非晶態(tài)。在獲得表面抗菌特性的同時(shí)不降低材料自身的生物醫(yī)用性能。再者從加工方式出發(fā)，開發(fā)新型加工方法，尤其是注重多種加工方式的結(jié)合。針對現(xiàn)有抗菌表面主要加工方法存在的不足，如激光加工對激光光束質(zhì)量要求較高、化學(xué)處理對溫度和配方工藝控制較嚴(yán)格的問題，采用復(fù)合加工方式，結(jié)合以構(gòu)建表面復(fù)合抗菌層為目標(biāo)的導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)新型醫(yī)用材料抗菌表面高效低成本的制造。

（3）針對醫(yī)療器械抗菌表面應(yīng)用擴(kuò)展方面，可制造具備不僅限于抗菌的功能性表面。通過表面微結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)基團(tuán)配合，使得材料表面具備抗菌性的同時(shí)還具備特定藥物輸送和釋放功能，最終獲得表面具備抗菌、載藥等多種功能的醫(yī)療器械。利用器械表面具備微結(jié)構(gòu)或特定官能團(tuán)之后在物理聲、光、電、磁方面的特性，實(shí)現(xiàn)多物理場與表面結(jié)構(gòu)/官能團(tuán)協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用材料表面對細(xì)菌污染的快速檢測及高效消殺，進(jìn)一步推動(dòng)臨床醫(yī)療器械的發(fā)展。