二氧化钛纳米管及抗菌涂层制备的进展*

李岳鸿 李瑞延 卿云安 唐雄风 秦彦国*

钛和钛合金具有良好的生物相容性，耐腐蚀性以及易于加工的性质，被广泛应用于骨科移植物制作领域。以钛及其合金为原料制作的多孔移植物，相较于其他材料，具有更好的骨整合能力[1]。

临床上假体相关感染是导致假体置换术失败的主要原因之一[2,3]。大约三分之二的术后感染是由表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌引起的[4]。细菌污染假体后会在表面形成一层具有保护作用的生物膜，使抗感染需要的杀菌药物的能力是普通情况的1000倍，极大提高了抗菌难度[5]。对病人而言，再次对假体进行修复，会增加手术难度，遭受更大的痛苦，同时加重经济负担。所以，预防术后感染是骨科手术中关键的一环。然而，循环系统给药会导致血管内药物浓度很高而病灶部浓度较低，容易引起全身药物中毒。因此，阻止细菌在假体表面粘附，增加局部药物浓度，减轻全身中毒风险，局部给药成了首要的选择[6]。

二氧化钛纳米管（titaniumdioxidenanotubes,TNT）具有良好的骨整合能力和载药能力，因为：TNT极大的增加了假体的表面积，从而增强了周围真核细胞对其表面的粘附性能。TNT的长度和直径可控，具有一端开口一段闭合的空腔结构特点，是非常理想的载药平台[1]。综上，TNT在加强假体抗菌性能的方面具有巨大的发展潜力，本文总结了近几年TNT的制备方法以及在抗菌方面的应用，并对TNT在抗菌领域的应用提出了展望。

1 二氧化钛纳米管的制备

1.1 阳极氧化法

阳极氧化法是制备TNT最常用的方法，该种方法可以加强钛和钛合金表面的生物活性和抗菌性，在生物材料领域的研究中备受关注[7]。反应器中的阳极一般为钛或钛合金薄片，阴极为铂薄片，电解液为氢氟酸或氟化铵溶液[8]。通过调节阳极氧化反应中电压、时间等参数，可以控制TNT孔径大小以及长度，并且该种方法高效、经济，可以用于大规模工业化生产[9]。其也存在一定的不足，首先是材料会有过早疲劳损坏的风险。再者是电解液残留的氟离子对机体的利弊没有定论，需进一步研究[5,10]。

1.2 模板合成法

模板合成法也是制备TNT方法之一，根据提前制备好的模板，通过电化学沉积法来获得特定结构的纳米管。模板一般由在纳米管合成后易被彻底清除的材料构成，如阳极铝膜，氧化锌或二氧化硅[11,12]。模板合成法的优点在于通过改变模板的形貌可以获得需要的纳米结构，而缺点也较为显著，首先模板需要提前制作和最后清除，这增加了实验时间和经济成本，其次，消除模板可能溶解已形成的纳米管，改变最初形貌。同时，模板大小和形态的限制也制约了模板合成法的应用[13]。

1.3 水热合成法和溶剂热合成法

水热合成法简单，高效。将二氧化钛前体与反应液密封在不锈钢反应器中，在特定高温和一定压力下进行反应，随后用去离子水和酸性溶液如盐酸溶液清洗表面的杂质，一次水热合成反应就可以将二氧化钛前体百分百转化为TNT[14]。但水热合成法存在反应缓慢，反应时间长，并且大规模制备TNT排列不规整的缺点[13]。溶剂热合成法与水热合成法相类似将液态溶液换成有机溶液。在应用低介电常数有机溶剂时，二氧化钛的可溶性降低，溶解沉淀平衡右移，二氧化钛沉淀量增加，生成更多的纳米管[15]。有些有机溶剂的沸点比水高，反应温度和施加的压力可以控制在更高的水平，对纳米管的尺寸，晶相，分布和附聚有更好的调控功能[16]。

2 二氧化钛纳米管抗菌性能的研究

2.1 二氧化钛纳米管自身的抗菌性

TNT自身具有抗菌能力。其抗菌性受晶型、管径、亲水性以及其表面化学成分的影响[17]。晶型和亲水性的改变可以控制细菌的粘附，管径形态的作用可能类似于在其碳纳米管中的机制，影响细菌的应激反应导致细胞膜破裂[18]。灭菌方法也会改变TNT抗菌能力，如紫外线照射TNT产生光催化反应增强了TNT的抗菌性能。目前对哪种管径尺寸抗菌性最强还存在争议，Lewandowska等[1]通过阳极氧化法制作出了多组管径大小不同的纳米管，其中，管径为23nm的纳米管抗菌性最突出。Kummer等[9]在实验中也得出了管径为20 nm的抗菌效果要好于80 nm的TNT的结论。然而Peng等[5]得出了不同的结论，提出80 nm的纳米管的总菌量和活菌量都小于30 nm 的纳米管。Esfandiari等[19]指出，表面的粗糙程度和亲水性也会影响到TNT的抗菌性能。管径越大粗糙度越小，亲水性越差，细菌越难粘附于表面。所以半径越大，TNT抗菌性就越强。对于亲疏水性对抗菌的影响，Bartlet等[20]对 TNT亲疏水性做了对比，结果表明，疏水性越强抗细胞粘附性越强，抗菌效果越好。晶型的不同也会产生不同的抗菌效果，在Lewandowska等[1]的实验中，30nm非晶形和96nm锐钛矿型或锐钛矿金红石混合型的纳米管表现出对特定金葡菌品系的抗性。针对管径大小对抗菌性影响的相反结论，原因可能是，与假体的灭菌处理有关。应用紫外线照射灭菌处理是常见的一种灭菌手段，经紫外线照射后引发光催化反应，纳米管表面会形成一层·OH分子团和活性氧簇，以破坏细菌细胞膜以及细胞壁的方式来杀死细菌[19]。孔径越大，光催化反应效果越强。这一说法可以解释Lewandowska等的实验，其样品TNT没有经过紫外线照射而得出与其他人不同的结论。晶型对抗菌能力有影响，在锐钛矿和金红石的混合型中两种晶型的比例不同可能影响到实验结果。

总的来说，目前的研究已经证实了TNT自身具有抗菌性，但影响抗菌性的具体条件还没有统一的结论，需要进一步实验研究。

2.2 二氧化钛纳米管与抗菌药物

载药纳米管制备方法有物理吸附法和冻干法，两者过程较为类似，物理吸附法是在TNT上均匀覆盖药物溶液之后在室温下真空或暴露在空气中干燥，冻干法则是在极低温下真空干燥。两种方法载药效率都可达到80%以上且纳米管管径越大效率越高[7,21,22]。纳米管管径可以影响载药纳米管的抗菌性，Lin等[23]在体外实验中发现，载药TNT直径越大抗菌性越强。这是由于其直径越大载药量越大，释放时间越长，持续抗菌能力越强。Caliskan等[7]发现，增加 TNT的长度，可以装载更多的药物，延长药物的释放时间。但是抗生素会产生耐药性，Yang等[24]在动物实验中，发现尽管载药纳米管具有绝佳的抗菌性，耐药菌落依然存在，无法杜绝感染。TNT对药物的吸附能力不够，导致药物短时间内快速释放，无法长效抗菌，也易导致局部药物浓度过高产生毒性[24]。针对这一问题，Feng等[22]对装载庆大霉素的纳米管表面覆盖一层混合有庆大霉素与壳聚糖的薄膜，实现了在不影响抗菌能力的基础上对载药纳米管的药物释放速度的控制。Kumeria等[25]为装载了庆大霉素的TNT覆盖了聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）的薄膜以及壳聚糖薄膜，PLGA组控制药物释放能力上更强，但由于壳聚糖本身具有抗菌能力，所以在总抗菌性上，壳聚糖组表现更好。多药物混合装载也是现在的一个研究方向。抗菌药加消炎药的组合能更全面的预防感染和减轻炎症。Pawlik等[26]将抗菌的庆大霉素和消炎的布洛芬结合起来，指出根据两者在水和有机溶剂中的溶解度不同，改变装药的先后顺序可以有效地提高装药量。Aw等[27]用标准多聚体微胶粒搭载疏水药物，用转化多聚体微胶粒搭载亲水药物，再装配到TNT中，通过这种方法，可以控制溶解性不同的药物的释放并达到即时、延迟、持续的治疗效果。

除了庆大霉素，如万古霉素，盘尼西林，以及生物活性微粒等，都可以装载到TNT中达到抗菌的功效[28-32]。总的来看，TNT具有搭载药物并获得局部杀菌的能力，但对药物释放的控制，以及药物搭载的搭配与剂量上还需要进一步的研究。TNT搭载多种药物并完成药物的多级释放是未来的研究方向。

2.3 二氧化钛纳米管与金属微粒

随着各种抗菌药物的应用，细菌也产生了更强的耐药性，为了克服耐药性，金属和金属氧化物纳米颗粒成为了研究的热点[33,34]。纳米银微粒具有接触杀菌和释放杀菌的能力，相比于其他的抗菌方法如抗菌药物或者抗菌肽，纳米银微粒具有长时间释放能力，广谱抗菌能力以及强大的微动力学，并且不易出现耐药性。载银TNT是在已经制备好TNT的基础上通过化学反应法，电化学沉积法，光还原法等方法对银微粒进行装载而得到。目前，光还原法应用较为广泛，通过紫外线对浸泡过硝酸银溶液的TNT进行照射来达到装载目的[35]，本方法获得的纳米银颗粒可以覆盖纳米管，但并不均匀，其大小和形状受 TNT形状，紫外线照射时间，硝酸银溶液的浓度和浸润时间的影响[19,36]。

载银 TNT在银离子释放和抗菌方面有着不俗的表现，Zhao等[37]检测了4组不同载银量的纳米管样品的离子释放能力。在长达两周的释放后载银量较高的三组释放量依然保持在100ppb以上，并且在30天后仍然保持较强的抗菌能力，证明了载银纳米管不俗的抗菌性。在释放杀菌和接触杀菌方面，Wei等[35]用TNT装载纳米银微粒和银离子，体外实验发现，3天内 TNT以银离子释放杀菌为主，对革兰阴性菌抗性更强，3天后以纳米银微粒接触杀菌为主，对革兰阳性菌效果更好，该结论可用于对特定的菌种进行有目的的抑制。将银的生物毒性对机体的损伤降到最小也是植入的关键。Zhao等[37]针对不同实验给出的引起细胞毒性的银离子浓度不同，指出在某一浓度下银离子是否表现出细胞毒性，与用于实验的细胞的品系和初始细胞的数目多少有关。所以，为了明确可以引起细胞毒性的银离子浓度，未来的体内实验非常有必要。

现如今氧化锌也常常被用于抗菌领域，氧化锌不仅有抗菌作用，还可以加强骨整合[38]。尽管有研究表明，细菌可以对锌产生耐药性，但是产生的耐药性也极为有限，而且相比于汞等其他金属，锌毒性对人体损伤非常小。因此，氧化锌也可以看做是可以替代纳米银微粒的一种新型金属氧化物微粒内容物。Roguska等[39]观察到相较于装载氧化锌量最多的TNT，锌离子释放量最高的TNT在杀菌和抗细菌粘附方面上表现最好，从而得出了离子的浓度在杀菌和抗粘附中是最重要的结论。氧化锌装载量最高的TNT却不是锌离子释放量最高原因在于内部氧化锌层形成了不规则的岛状结构，阻塞纳米管，导致锌离子无法释放。该实验从侧面证明了 TNT装药的方法和装药量也会对抗菌性有很大的影响，相信在未来会出现对不同装药方法以及最适宜装药量的进一步研究。

TNT还可以装载金、氧化钛微粒等来达到抗菌目的，本文在此不多赘述[38,40-42]。

3 结论与展望

随着TNT研究的深入，其必将在假体移植领域中得到广泛应用。笔者对TNT之后的研究有如下2点展望：实现药物的可控释放，增加装载量以及控制药物释放的速度，在较长时间内有效抗菌。目前的研究方向虽然呈现多向发展，但少有将多线结合起来的研究。将TNT自身的性质与药物或者金属微粒的性质相结合，获得最佳的抗菌效果，也将会是一个研究领域，尤其是短期内药物释放完毕后，最后能够更加持续的抗菌的就是纳米管自身的性质。只有将两者

完美结合才能获得最佳的抗菌效果。