二氧化钛纳米管在骨科的研究进展*

董俊杰黄云超* 向柄全杨延龙刘建雄

纳米材料因其优越的理化性能被广泛应用于能源、材料、生物、医学等领域[1]。作为以修复重建为主的骨科学，一直都随材料学的进步而发展，探究一种组织相容性好，力学性能强，且具备一定抗菌能力的材料一直是骨科学研究的热点。作为一种新型材料，二氧化钛纳米管（TiO2纳米管）与骨科常用的不锈钢、纯钛、钛合金、聚乙烯、陶瓷等材料相比，具有良好组织相容性和抗感染特性。因此本文将对TiO2纳米管的基础概念及在骨科学领域的研究做一总结归纳，在此基础上，提出当前存在的问题，并对今后研究工作进行展望。

1 TiO2纳米管的形貌特点

在纯钛片或钛合金片表面制备 TiO2纳米管是骨科领域研究TiO2纳米管材料常用的方法，从外观上看具备TiO2纳米管微观形貌的钛片和普通的钛片形态相似，仅有颜色差异，普通钛片为银色，而阳极氧化法制备的 TiO2纳米管钛片呈现深紫色，用电子显微镜可以观察到在钛片基底形成的大量均一排列的管状结构，每一个管中空，上端开口，底端封闭，具有比表面积高和多孔等结构特点，是吸附药物的良好载体。

2 TiO2纳米管的制备

Gong等[2]在2001年首次用阳极氧化方法成功制备TiO2纳米管，随后的10多年间，国内外学者均对TiO2纳米管的制备开展了大量的研究，常用的三种制备方法是：阳极氧化法、模板合成法和水热合成法[3]。

2.1 阳极氧化法

阳极氧化法是制备 TiO2纳米管的常用方法[2]。将光滑的钛片置入电解液中，使其充分氧化而获得TiO2纳米管。将钛片置入氢氟酸（HF）溶液中，钛片为阳极，惰性电极（常用铂电极）为阴极，经阳极氧化获得 TiO2纳米管。这种方法可以制得排列整齐的 TiO2纳米管阵列[3]。研究表明，管径随阳极电压的增大而增大，电压过低会导致纳米管规则度降低，电压过高则会导致纳米管断裂[4]，纳米管的长度和氧化时间无关[5]。经阳极氧化法处理后的钛片外观看上去跟普通的钛片相似，但是通过氧化后，银白色的纯钛片会经历一个颜色由浅变深的过程。阳极氧化法制备的 TiO2纳米管长度可在100 nm～100 m，直径可在10 nm～500 nm。阳极氧化方法简单，在骨科的实验研究中，常常用此方法制备TiO2纳米管（见图 1A-C[6]）。

图1，阳极氧化法在不同电解电压下制备TiO2纳米管阵列的SEM照片（A）10V；（B）40V；（C）60V[6]。

2.2 模板合成法

模板合成法是采用具有特定结构孔洞的模板来合成TiO2纳米管的方法，即把纳米结构基本组成单元 TiO2组装在模板孔洞中，用电化学沉积法使 TiO2同步沉积在模板孔洞内壁，然后有选择地采用煅烧法、酸碱溶解法去除或分解模板从而获得TiO2纳米管[3]，除此之外还可以用溶胶-凝胶、溶胶-凝胶-聚合等模板合成法制备TiO2纳米管。模板法制备的TiO2纳米管具有分布均匀，相互平行，垂直于膜表面，长度、管壁厚度和孔径可控等优点（见图2[7]），但此法制备的纳米管有如下的缺点：管径较大、管壁厚且易形成纤维体；比表面小；易受模板形貌的限制；去除模板时易引起纳米管形貌损坏；制备过程和工艺复杂等[3]。

图2，采用阳极氧化铝模板合成TiO2纳米管阵列的SEM照片：（A）侧面；（B）横截面[7]。

2.3 水热合成法

水热合成法是用化学的方法制备 TiO2纳米管，将钛与碱液（NaOH溶液）进行反应，反应温度控制在 110℃～120℃，反应结束后对所得产品进行酸洗、水洗、高温热处理等即得最终产品TiO2纳米管。水热合成法制备的TiO2纳米管杂乱无序，长度、壁厚、管层数难控（见图3[8]），构效关系难以建立[9]。

图3，水热合成法制备TiO2纳米管的SEM、TEM照片（A）放大倍数较小的缘故，钛纳米管呈现密集分布现象；（B，C）TEM可见TiO2纳米管中间为空心结构，四周为网状的狭长管道[8]。

3 观察TiO2纳米管的常用方法

3.1 肉眼观察

用肉眼观察，普通钛片与TiO2纳米管钛片形态相似，均为表面平整的金属片，仅有颜色的差异，普通钛片经物理、化学抛光打磨后呈现银白色，TiO2纳米管钛片颜色为深紫色[10]。

3.2 X射线衍射分析

X射线衍射分析是利用X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的技术，可以对钛纳米管晶体形态的变化进行检测。因为不同的晶体形态的活性和稳定性均存在差异，所以可以通过X射线衍射分析不同条件下制备出TiO2纳米管晶体活性与稳定性，有助于改良 TiO2纳米管的制备条件。

3.3 原子力显微镜

原子力显微镜是一种结构分析仪器，可以在纳米级别上对各种材料物理性质包括形貌和力学性能等进行探测，甚至直接对材料行纳米加工[11]，它可以对TiO2纳米管粗糙度进行测量，TiO2纳米管粗糙度又会影响细胞的粘附与集聚，所以原子力显微镜对 TiO2纳米管生物相容性的研究有一定的价值。

3.4 扫描电子显微镜

扫描电镜的主要功能是对固态物质的形貌显微分析和对常规成分的微区分析，有较高的放大倍数和分辨率[12]，可直接对 TiO2纳米管进行微观成像。因为扫描电镜有较高的放大倍数，较大的景深和视野，所以成像富有立体感，研究中可以运用扫描电镜对 TiO2纳米管的排列、管径、管长等进行直观的检测。

4 TiO2纳米管的特性

TiO2纳米管是纳米二氧化钛的管状存在形式，它具有高比表面积、高深宽比等特性，因此具有较强的载物和吸附能力，同时它无毒，组织相容性好[13]。尤其在骨科应用中，钛片表面的 TiO2纳米管可提高成骨细胞生长能力，并有促进成骨活性和促进钙质沉积的作用[14]。研究发现TiO2纳米管具有抑制细菌黏附的作用，直径为80 nm的纳米管表面可以抑制细菌黏附和生物膜的形成[15,16]。因其可以减少细菌粘附，降低感染几率，所以有可能成为新型简便的抗菌修饰材料[17]。这些优越的特性使得TiO2纳米管成为骨科材料研究的热点。

5 TiO2纳米管在骨科的应用研究

TiO2纳米管在骨科的研究目前大致分为两个领域：一方面是 TiO2纳米管组织相容性的研究，即与骨融合、促进骨生长的研究；另一方面是TiO2纳米管表面改性的研究，即载药、载金属离子、抗感染、抗肿瘤等的研究。两方面的研究相辅相成。

5.1 TiO2纳米管的组织相容性研究

据报道，在钛纳米管表面，成骨细胞的生长能力较普通钛金属表面提高了300%～400%，并且纳米管有提高成骨细胞活性和钙质沉积的作用[14]。Popat等[18]研究表明，TiO2纳米管可显著促进骨髓间充质干细胞的黏附、增殖、碱性磷酸酶活性表达。TiO2纳米管的管径大小影响着成骨细胞的黏附、增殖、分化、凋亡等细胞学行为[19]，管径小时可以促进其粘附和生长，管径大时可以使干细胞形态变长并增强成骨细胞的分化能力。直径30 nm时，干细胞易于粘附，孔径增大到100 nm时，细胞粘附能力下降，成骨能力增强。顾昕等[10]研究表明，钛纳米材料表面与成骨细胞有良好的生物相容性，可以促进材料与原生骨的骨整合，从而加强内置物的骨融合稳定性。

5.2 TiO2纳米管表面改性研究

研究者们利用纳米管材料的较强载物和吸附能力，负载各种物质，以达到良好的抗菌、抗肿瘤和骨融合效果。目前研究集中在：金属元素掺杂，如常见的Ag（见图4A,4B[20]）、Zn、Gu等；载抗菌剂，如常见的庆大霉素、万古霉素、硝酸镓（见图4C，4D[21]）等；载抗菌肽；载抗肿瘤药物，如阿霉素、五氟尿嘧啶等；载生长因子等。

图 4，TiO2纳米管表面载物的 SEM 照片：（A，B）载银颗粒[20]；（C，D）载庆大霉素[21]。

5.2.1 金属元素掺杂

银、锌等抗菌金属颗粒均可以掺杂TiO2纳米管并起到一定的抗菌效果，其中银能有效抑制细菌附着和生长，并且影响成骨细胞和上皮细胞的活性[22,23]，因此TiO2纳米管载银颗粒成为研究的热点，常见的负载银的方法有简单的物理吸附、光还原、电沉积、纳米银颗粒原位置换等方法。有报道，用18 V电压下制备的TiO2纳米管载入纳米银颗粒能在3天内有效抑制金黄色葡萄球菌的黏附与增殖[24]。有研究表明，银掺杂的 TiO2纳米管杀菌能力取决于涂层的 Ag-TiO2尺寸特性，直径20 nm的纳米银颗粒掺杂在直径为100 nm的TiO2纳米管中，具有最高的抗菌活性[25]，并且不会导致明显的细胞毒性[26]。Zn掺杂的TiO2纳米管通过调节纳米管的直径与长度，也具有良好的内在抗菌性能，可以防止术后感染[27]。

5.2.2 载抗菌剂

头孢菌素、米诺环素、羧苄青霉素、阿莫西林、妥布霉素和万古霉素等已被用于抗菌内植物涂层[28]，其中庆大霉素是研究较多的药物，其为广谱抗生素，并对骨科常见的金黄色葡萄球菌敏感。研究表明，在80 nm和120 nm直径的TiO2纳米管中载入庆大霉素，与未载庆大霉素的TiO2纳米管相比具有更好的抗表皮葡萄球菌效果[29]。与普通的钛片相比，载庆大霉素的 TiO2纳米管和未载药的 TiO2纳米管能够显著促进细胞附着、增殖、扩散及成骨分化[11]。硝酸镓为一种新型的抗菌剂，其为三价镓盐，镓离子可以竞争性抑制细菌形成过程中所需的铁离子，从而影响细菌代谢，起到抗菌的效果。研究表明，用硝酸镓涂膜的 PVC（Polyvinyl chloride）材料可抑制铜绿假单胞菌的生长和生物膜的形成[30]。硝酸镓具有显著抑制大肠杆菌的生长和自动聚集的作用，当载有硝酸镓的钛片浸泡在人血清中，并在37℃孵育后，表现出显著的抗菌活性，并可以持续28天[31]。因此硝酸镓涂层的植入物可以抑制表面细菌定植。

5.2.3 载抗菌肽

抗菌肽为一种多肽类的抗菌物质，目前为止，已经发现的抗菌肽有1200余种[32]，根据抗菌肽的二级结构可以将其分为4种类型：带有 螺旋结构的线性肽，折叠肽，具有环状结构的肽和片层结构的肽[33]。将抗菌肽 HHC-36用物理方法负载到 TiO2纳米管上，测试对革兰氏阳性菌、金黄色葡萄球菌抗菌活性，培养4 h后负载抗菌肽的纳米管的表面能有效地杀死细菌和降低细菌总数，其药物释放时间缓慢，释放曲线从4 h至7天[34]。

5.2.4 载抗肿瘤药物

由于 TiO2纳米管具有较高的比表面积和优良的表面活性，有研究将阿霉素、五氟尿嘧啶等抗肿瘤药物负载到二氧化钛纳米管上并探讨其体外的负载、释放与抗肿瘤的作用。结果 显示，抗癌药物阿霉素可以用物理吸附的方法载入TiO2纳米管并可以通过调节缓释液的pH值来调节其释放，体外研究表明阿霉素负载于 TiO2纳米管的最佳负载质量浓度为0.7 mg/mL，最佳负载时间为24 h，载药量可达到40%[35]，在 pH值=3的条件下，阿霉素最终释放率可以到达75%以上。有研究表明，负载五氟尿嘧啶的 TiO2/ZnS纳米管具有理想的药物释放动力学，它具有选择性的杀伤肿瘤细胞的能力[36]。由此可见TiO2纳米管是一种很有前景的抗肿瘤药物的载体。

5.2.5 重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）

rhBMP-2有显著的成骨诱导能力，现已被应用于外科整形手术诱导骨再生。rhBMP-2修饰的 TiO2纳米管可以提高骨髓间充质干细胞（MSC）的分化能力，TiO2纳米管为载体，以羰基二咪唑（CDI）为活性中间体，可以通过化学偶联方式接枝rhBMP-2，这种化学偶联的方式不仅有利于提高细胞生物活性，负载的生物活性物质的缓释效应还能为骨整合提供充分的愈合时间[37-39]。

6 TiO2纳米管存在的问题与展望

虽然国内外对TiO2纳米管做了大量的研究，但目前TiO2纳米管临床应用研究还比较欠缺，没有公认的较稳定的TiO2纳米管材料被应用于临床。制备结构均一、稳定的 TiO2纳米管还需要开展大量的材料学研究。TiO2纳米管在骨科领域的研究多局限于体外研究，很多研究结果不能反映体内的实际情况。在TiO2纳米管涂层、载药方面，其药物载入量、释放的调控性、稳定性均存在局限性。综上所述，虽然目前对TiO2纳米管的研究还存在不足，但其制备简单、成本低廉、无毒，且具有良好载药、抗菌和生物相容的性能，是具有发展前景的骨科植入材料，具有良好研究价值。

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