文獻報道骨科置入物感染的發生率為1%~10%，其中脊柱手術和骨折內固定術后感染發生率可能高達20%［1-2］。一旦發生感染，患者往往需要經歷長期而復雜的治療，包括抗生素治療、手術清創甚至取出置入物，這不僅增加了患者的心理和經濟負擔，也嚴重影響了患者的生活質量［3］。骨科置入物表面抗菌修飾涂層是目前研究的熱點之一，其目的是降低術后感染的風險，提高置入物應用的成功率［4］。鈦納米管（TiO2-NTs）因其獨特的物理化學性質，在生物醫學領域尤其是骨科置入物的應用中顯示出巨大潛力。

TiO2-NTs 的研究已經取得了顯著進展，被廣泛應用于光催化、制氫、染料敏化、太陽能電池等領域［5］。 TiO2-NTs在骨科領域的研究和應用主要集中在以下幾個方面：①TiO2-NTs 的高比表面積和多孔結構為骨細胞提供了更多的附著點，從而促進骨整合；TiO2-NTs表面可以進行化學修飾，以增強其與骨組織的結合能力［6］；②TiO2-NTs除了本身具有抑制細菌粘附作用外，還可以通過裝載抗菌藥物預防和治療骨科置入物相關的感染［7］，載藥系統可以通過控制藥物釋放實現長期抗菌效果；③TiO2-NTs 的管狀結構使其成為理想的藥物載體，可以裝載成骨生長因子促進骨組織生長和修復；TiO2-NTs還可以通過智能控釋系統，根據局部環境變化（如 pH 值變化）來調節藥物釋放速度［8-9］；④TiO2-NTs 具有良好的生物相容性，可減少炎癥反應和免疫排斥［5］；⑤TiO2-NTs可以增強置入物的機械性能，如硬度和耐磨性，這對于承受高負荷的骨科置入物尤為重要［5］。聚維酮碘展現出廣泛的殺菌譜、高效的滅菌速度、低毒性特征，對組織刺激性微

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用［10］。Shirai等［11］已經證明了碘涂層內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骨科鈦合金板進行表面修飾生成鈦納米管，再用電泳沉積法對修飾后的鈦板表面進行碘負載，擬研制一種具有抗菌涂層的鈦合金內置物， 報道如下。

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 3.0 cm，寬 1.0 cm，厚0.3 cm）連接陽極電極線，鉑片（長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 ℃，轉速 90 次/min，電壓 70 V，陽極氧化時間 10 h。掃描電子顯微鏡觀察鈦納米管生長情況。

1.2 電泳沉積法進行碘的負載 

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

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

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

將鈦合金板浸沒于金黃色葡萄球菌標準菌株懸液中，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移至一個新的無菌培養皿中，向培養皿內加入 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鈦合金板進行震蕩處理，徹底去除其表面的細菌。將震蕩脫落的細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基上，在37 ℃條件下進行培養，24 h后對培養基上的菌落進行觀察和計數。

1.4 統計學方法 

數據采用SPSS 21.0軟件進行統計學分析，服從正態分布與方差齊性的計量資料數據以均數±標準差（x±s）表示，組間比較采用兩獨立樣本 t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2、結果

陽極氧化法制備的鈦納米管涂層外觀呈現淡藍色，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一層致密的納米管結構，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，結構穩定，超聲震蕩清洗膜層結構無脫落；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構，結合緊密，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%）。對照組瓊脂培養基中菌落計數為104.66±8.32，I-TIO2組菌落計數為72.66±15.01；I-TIO2組細菌計數較對照組少，差異有統計學意義（t=3.180，P=0.020）。

3、討論

現階段骨科內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特的物理特性，這些特點滿足了臨床應用的需要。鈦是惰性金屬，細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，形成的納米級結構展現出膜層穩定、多孔且排列有序的特點，有效增加了表面積并保持了整齊的陣列結構。陽極氧化法因工藝簡單、成本效益高、能生成高度有序的納米管陣列且與鈦基底結合緊密，已成為廣泛應用的制備手段［15］。體外實驗證實了鈦納米管對體外礦化過程的促進作用及成骨誘導能力，而體內研究表明，相較于微米級二氧化鈦噴砂表面，鈦納米管在生物力學性能和組織相容性方面均表現出優越性，同時自身具備抑制細菌附著的能力，經過改性后的鈦納米管對人體產生的毒性反應更低［16］。鈦納米管抑制細菌粘附的作用主要是通過產生活性氧的方式來殺滅細菌，也有文獻報道通過光的催化機制抗菌［17-18］。

綜合上述特點，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，通過不斷調整電壓參數、陽極氧化的時間、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為直徑210~240 nm，高度4.2 μm，此時鈦納米管形態最穩定且排列最有序。通過不同時間段掃描電子顯微鏡下觀察納米管生長的形態特點，筆者發現該體系下鈦納米管在鈦合金板表面形成出現、聚集、生長、成熟四個階段。體外金黃色葡萄球菌抗菌試驗也證實了筆者制備的鈦納米管陣列相對于普通的鈦板具有更好的抑制細菌粘附的作用。鈦納米管在不同體系下制作出來的直徑、長度不同，管越長則涂層的厚度越大，不同厚度的納米管對光的折射角度不同，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藍色。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生的抑制細菌粘附阻礙涂層，但是其抗菌特點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、低毒性藥物負載于納米管內。聚維酮碘由聚維酮與碘絡合而成，其中有殺菌作用的成分是碘。碘元素展現的抗菌特性主要是通過干擾細菌的細胞功能和結構完整性，促使細菌細胞發生變性并失去活性［20］。實驗研究結果表明，碘對于多種病原體具有顯著的抗菌效果，對細菌、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［21］，有效對抗導致醫院感染的多種耐藥菌株［22-24］。筆者結合碘的特點采用電泳沉積法在鈦納米管表面進行碘負載，能譜分析及元素定量顯示碘成功負載于鈦納米管表面，其含量為 1.55 wt%；體外抗菌試驗結果顯示，含碘鈦納米管涂層的鈦合金板抗菌性能優于普通鈦合金板。

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、延長作用時間等方式以提高涂層表面碘的含量，但是結果不理想，改變電壓或延長電泳時間會導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，最終會導致膜層結構脫落，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，再用電泳沉積法實現了碘的負載，聯合兩種鈦合金內置物表面改性方法制備的含碘鈦納米管涂層的膜層結構穩定、抗菌性能良好，為骨科抗感染內置物的研發提供了新的理論基礎。本研究介紹的工藝相對簡單，可重復性強，具有一定的應用前景。

然而，本研究僅在體外驗證了含碘鈦納米管涂層的鈦合金板抗菌性能、細胞的毒性作用，體內抗菌性能及

生物相容性結果有待進一步驗證。

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（注，原文標題：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標簽:陽極氧化,電泳沉積,協同策略,鈦基植入體,碘/二氧化鈦納米管,復合涂層,抗菌機理

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