高啟坤 吳明月

口腔種植義齒被譽(yù)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(guò)程中，依然存在2%～3%的失敗率，種植體骨結(jié)合不佳和種植體周?chē)资强谇环N植修復(fù)失敗主要原因。鈦基底材質(zhì)生物化惰性的特性，使其植入體內(nèi)后存在骨愈合周期長(zhǎng)、愈合效果差等缺陷，在骨質(zhì)、骨量不佳的區(qū)域內(nèi)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(shí)現(xiàn)材料表面結(jié)構(gòu)化與功能化修飾協(xié)同效應(yīng)，以提高材料的生物相容性。通過(guò)陽(yáng)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(shí)負(fù)載在鈦納米管基材表面，構(gòu)建具有成骨和抑菌雙重效應(yīng)的復(fù)合活性涂層。本研究通過(guò)TiO納米管為基底材質(zhì)，應(yīng)用浸泡法將模擬體液中形成的羥基磷灰石晶體負(fù)載在TiO納米管基材表面，構(gòu)建活性涂層，隨后采用滴加法加載鹽酸米諾環(huán)素,成功構(gòu)建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復(fù)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(guān)研究結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)化學(xué)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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Sirion200,FEI,美國(guó)Thermo-VG Scientific公司)，X射線光電子能譜儀(PHI1500VersaProbe,美國(guó)Thermo-VG Scientific公司)，傅立葉紅外光譜(Thermo Nicolet 8700,美國(guó)Thermo-VG Scientific公司)，X射線衍射儀(X,Pert PRO,Philip,美國(guó)Thermo-VG Scientific公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鈦納米管的電解制備 將購(gòu)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(yáng)極，石墨為陰極，置于濃度為90 mmol/L氟化銨乙二醇電解質(zhì)溶液中，采用兩步法陽(yáng)極氧化，電解系數(shù)為6 V 10 min、45 V 50 min。電解結(jié)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(diào)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(fù)沖洗，去除物理性吸附的羥基磷灰石晶體，自然風(fēng)干備用。

1.2.3 米諾環(huán)素負(fù)載實(shí)驗(yàn) 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(fù)載量達(dá)120 μg，干燥備用。

1.2.4 樣品表征 利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)觀察基材表面微觀結(jié)構(gòu)，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(gòu)成及含量分布，傅立葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)檢測(cè)基材基團(tuán)成分，X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)分析基材表面涂層的分子結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果

2.1 樣品形貌結(jié)構(gòu)分析 FESEM結(jié)果示，純鈦片呈光滑鏡面狀，未見(jiàn)明顯劃痕；鈦納米管呈蜂窩管腔狀結(jié)構(gòu)，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(jiàn)圖1。

2.2 樣品XPS分析 XPS結(jié)果示，140eV和350eV處分別出現(xiàn)磷和鈣元素的特征性波峰。見(jiàn)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(jié)果顯示，在衍射角度數(shù)值2θ=34°、38°、40°和53°可見(jiàn)4個(gè)顯著的骨樣磷酸鹽衍射峰。見(jiàn)圖3。

圖3 羥基磷灰石修飾后基材的XRD檢測(cè)結(jié)果

2.4 米諾環(huán)素修飾后復(fù)合涂層的FTIR檢測(cè) FTIR圖譜顯示C=C和苯環(huán)官能團(tuán)的特征性波峰。見(jiàn)圖4。

圖4 米諾環(huán)素修飾后復(fù)合涂層的FTIR檢測(cè)結(jié)果

2.5 復(fù)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(jiàn)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(jiàn)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(fù)效果主要取決于近期的骨結(jié)合成功率和遠(yuǎn)期的種植體周穩(wěn)定性。其中促進(jìn)骨結(jié)合主要有物理、化學(xué)、形態(tài)學(xué)等方法，而通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備的鈦納米管，排列高度平整，其一端開(kāi)口而另一端封閉，管腔可作為容納生物活性分子的儲(chǔ)存器。本課題組前期研究證實(shí)70 nm管徑的鈦納米管表現(xiàn)出最佳的骨結(jié)合促進(jìn)效應(yīng)，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(jié)構(gòu)。

多項(xiàng)研究證實(shí)，羥基磷灰石多孔隙、多親水基團(tuán)的表面微結(jié)構(gòu)為種植體周-組織界面的細(xì)胞生物學(xué)活動(dòng)提供良好的外部環(huán)境，繼而促進(jìn)蛋白的吸附和細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)增加了分子和基材的機(jī)械性嵌合力，減少了材料-組織界面的不良應(yīng)力。通過(guò)去離子水反復(fù)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(jiǎn)單的物理性吸附，而是蜂窩狀、高活性的鈦納米管基材誘導(dǎo)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(shí)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(gòu)建抗菌表面，鈦納米管和羥基磷灰石多孔隙、高活性的結(jié)構(gòu)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(yīng)。本課題選用針對(duì)兼性和專性厭氧菌的廣譜抗菌藥物米諾環(huán)素，將其負(fù)載于納米管-羥基磷灰石表面，利用分子的相互化學(xué)反應(yīng)，穩(wěn)固附著米諾環(huán)素，同時(shí)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(gòu)建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復(fù)合活性涂層。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)陽(yáng)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(gòu)建鈦納米管-羥基磷灰石-米諾環(huán)素復(fù)合活性涂層，為種植體表面同期實(shí)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(fù)合活性涂層的緩釋動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)尚有待體外細(xì)胞學(xué)及體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。