負(fù)載無機活性粒子的多孔陽極氧化鋁薄膜制備及生物學(xué)性能研究.pdf

1、多孔陽極氧化鋁(Porous anodic alumina, PAA)是通過電化學(xué)陽極氧化的方法在純鋁表面形成的具有高度規(guī)整孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜。其納米孔陣列結(jié)構(gòu)長程有序且孔徑大小可精確調(diào)控。PAA具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的生物相容性，且其相互平行的納米孔道結(jié)構(gòu)與骨組織微觀結(jié)構(gòu)相似。因此，在生物材料表面涂層領(lǐng)域得到越來越密切的關(guān)注。此外，PAA表面納米多孔結(jié)構(gòu)提供了充足的空間，可進(jìn)一步負(fù)載生物活性物質(zhì)，從而可能賦予PAA特殊的生物學(xué)功能

2、。
　　銅(Cu)、鋅(Zn)作為人體中的微量元素，因為具有廣譜、強效殺菌作用而在生物材料領(lǐng)域被廣泛運用。近期研究發(fā)現(xiàn)，引入適量Cu的生物材料對成骨相關(guān)細(xì)胞的黏附、增殖及功能表達(dá)方面具有明顯的促進(jìn)作用。Zn通過激活成骨細(xì)胞蛋白質(zhì)的合成、提高ATP酶活性刺激骨形成，能夠促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的鈣沉積。此外，鈣-硅(CaO-SiO2)基生物材料作為第三代生物材料的典型代表，具有優(yōu)良的生物活性和可降解性，能在體外和體內(nèi)作快速誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積

3、并能夠顯著地促進(jìn)骨組織細(xì)胞的增殖、分化及骨組織修復(fù)。我們嘗試在無定形CaO-SiO2生物玻璃體系中引入適量的Cu元素，進(jìn)一步構(gòu)建鈣-硅-銅(CaO-SiO2-CuO)三元復(fù)合生物活性物質(zhì)，以期待賦予PAA更優(yōu)良的生物學(xué)性能。
　　首先運用兩步陽極氧化法在草酸體系中制備出孔徑為75nm的PAA(PAA75)，接著采用交流電沉積技術(shù)在PAA75孔道內(nèi)分別裝載納米Cu、Zn，通過控制交流電沉積時間得到了負(fù)載不同Cu、Zn含量的Cu/PA

4、A和Zn/PAA樣品。采用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜分析(XPS)對材料的表面形貌、化學(xué)組成及晶型進(jìn)行了表征和分析。選用革蘭氏陰性菌-大腸桿菌(Escherichia coli， E.coli)和革蘭氏陽性菌-金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，S.aureus)對Cu(10s)/PAA和Zn(10s)/PAA進(jìn)行體外抗菌性能評價；選用乳鼠成骨細(xì)胞(rOB)分別對Cu(5

5、s,10s)/PAA和Zn(2s,5s,10s)/PAA幾種材料的體外細(xì)胞相容性進(jìn)行了初步評價，并利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)分析細(xì)胞培養(yǎng)過程中生物活性組分的釋放行為。
　　采用改進(jìn)的兩步陽極氧化法在磷酸體系中制備出孔徑為200nm的PAA（PAA200）。運用超聲輔助的溶膠-凝膠法在PAA200的孔腔內(nèi)組裝了無定形CaO-SiO2-CuO玻璃顆粒，得到了CaO-SiO2-CuO/PAA樣品。采用FESEM、

6、EDS、XPS對材料的表面形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行了表征及分析。體外模擬體液(SBF)浸泡實驗評價了其誘導(dǎo)類骨磷灰石形成的能力及其離子緩釋行為，利用ICP-AES分析材料在SBF浸泡過程中的離子釋放。選用 E.coli和 S.aureus對CaO-SiO2-CuO/PAA進(jìn)行體外抗菌性能評價；選用 rOB細(xì)胞對CaO-SiO2-CuO/PAA的體外細(xì)胞相容性進(jìn)行初步評價。
　　獲得如下結(jié)論：
　　運用交流電沉積技術(shù)在PAA7

7、5的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)分別組裝納米Cu、Zn，通過控制電沉積時間制備出Cu(5s,10s)/PAA、Zn(2s,5s,10s)/PAA。FESEM結(jié)果表明：交流電沉積技術(shù)能夠在PAA孔道內(nèi)成功裝載納米Cu、Zn，并較好地保持了PAA表面的納米多孔結(jié)構(gòu)。XRD測試結(jié)果表明，PAA孔道內(nèi)Cu、Zn為面心立方晶型。XPS分析結(jié)果顯示，Cu的主要價態(tài)為+2價，同時也存在0價；Zn的主要價態(tài)為+2價，同時也存在0價。體外抗菌性能實驗結(jié)果顯示：經(jīng)過1d培養(yǎng)

8、， Cu(10s)/PAA對E.coli和S.aureus的黏附抑菌率分別為82％±11%和89%±4%，培養(yǎng)時間延長至3d，抑菌率有所下降（45%±4%,56%±11%）。1d培養(yǎng)后，Zn(10s)/PAA對E.coli和S.aureus的黏附抑菌率分別達(dá)到95%±1%和92%±5%；延長培養(yǎng)時間至3d，對E.coli和S.aureus的抑菌率下降（21%±5%,58%±4%）。體外細(xì)胞實驗表明： rOB細(xì)胞在不同裝載量的Cu/PAA

9、和Zn/PAA表面均能迅速粘附，與空白對照組有顯著差異(P＜0.01)。Cu(5s)/PAA、Zn(2s)/PAA均能促進(jìn)細(xì)胞的穩(wěn)定增殖，Cu(10s)/PAA、Zn(5s)/PAA和Zn(10s)/PAA隨培養(yǎng)時間的延長表現(xiàn)出一定細(xì)胞毒性。
　　采用超聲輔助溶膠-凝膠法將不同粘度的 CaO-SiO2-CuO生物活性溶膠分別裝載于PAA200多孔結(jié)構(gòu)中，得到了CaO-SiO2-CuO/PAA樣品。FESEM結(jié)果表明，溶膠均勻分布于

10、PAA的多孔結(jié)構(gòu)，其中粘度為0.02Pa s的溶膠具有最佳的填充效果；XPS分析結(jié)果表明，元素 Cu主要存在形式為+2價。體外 SBF浸泡實驗表明CaO-SiO2-CuO/PAA表面能快速誘導(dǎo)類骨磷灰石形成，并且能持繼緩慢釋放出Ca、Si、Cu離子。體外抗菌實驗結(jié)果表明：經(jīng)1d培養(yǎng)后， FESEM顯示CaO-SiO2-CuO/PAA表面E.coli和S.aureus兩種菌體的形態(tài)顯著破壞抑菌率分別達(dá)到86%±4%和88%±2%。rOB在

11、材料表面粘附和增殖實驗表明：培養(yǎng)1d后，F(xiàn)ESEM觀察CaO-SiO2-CuO/PAA表面細(xì)胞形態(tài)正常，有利于乳鼠成骨細(xì)胞的粘附和伸展。培養(yǎng)5d后， CaO-SiO2-CuO/PAA能夠顯著促進(jìn)rOB細(xì)胞增殖，與PAA對照組有顯著差異(P＜0.05)，呈現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。
　　以上研究結(jié)果顯示，運用交流電沉積技術(shù)在PAA75納米多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)分別成功裝載了Cu、Zn，并通過改變交流電沉積時間有效控制PAA納米孔道內(nèi)Cu、Zn裝載量

12、，分別制備得到了Cu(5s,10s)/PAA和Zn(2s,5s,10s)/PAA。其中， Cu(10s)/PAA、Zn(10s)/PAA對 E.coli和S.aureus具有良好抗菌性，但是對rOB細(xì)胞表現(xiàn)出一定細(xì)胞毒性。Cu(5s)/PAA和Zn(2s)/PAA能夠顯著地促進(jìn)rOB細(xì)胞的粘附并保持其穩(wěn)定增殖。另外，采用超聲輔助的溶膠-凝膠法在PAA200納米孔道內(nèi)填充0.01Pa s,0.02Pa s和0.03Pa s三種粘度的 Ca