构建氧化锌双层纳米结构进行植入体表面修饰的抗菌性能研究

发布时间：2020-06-08 23:20

【摘要】：研究背景和目的:目前,钛和钽合金由于其优异的机械强度和较好的生物相容性,已广泛应用于骨科植入体。由于植入体手术是一种创伤性手术,术后并发症也较容易发生,最常见的是术后感染。术后感染的发生在很大程度上影响着手术的成功,不仅延长患者住院时间,而且给患者造成额外痛苦和负担。尤其是人工关节置换手术,术后感染往往是灾难性的,需要二次手术处理,会给患者带来严重的精神和经济负担。因而对于骨科植入体除了机械性能要求外,其表面性能也非常重要,尤其是长期的抗菌活性。然而,目前最常用的钛合金和新兴的钽合金植入体都不具备此抗菌性能。因此,有必要通过适当的表面修饰来提高其抗菌性能,从而有效降低植入体相关的术后感染风险。方法:(1)通过水浴法在钛和钽金属表面镀上纳米阵列的氧化锌棒(ZnO nanorods组),然后滴上片状纳米氧化锌(ZnO nanoslices组),烘干成氧化锌纳米棒-纳米片双层结构(ZnO NHS组),然后进行扫描电镜、透射电镜和XRD观察形态学表征;(2)超声清洗后,观察钛和钽金属表面氧化锌的质量改变。通过ICP观察2周内钛和钽表面氧化锌在去离子水中的释放过程;(3)在恒温箱中与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌分别共培养8h、24h和48h,论证不同氧化锌修饰钛和钽的体外抗菌能力;(4)老鼠背部肌肉带菌植入术后2周进行肌肉、皮肤切片,病理分析论证不同氧化锌修饰钛和钽的体内实际抗菌能力;(5)利用成骨细胞(MC3T3-E1 cells)验证氧化锌修饰后钛和钽的生物相容性。结果:(1)扫描电镜可以清晰的观察到合成的纳米氧化锌双层结构,底层为棒状阵列纳米氧化锌,上层为片状阵列纳米氧化锌,XRD进一步证明了该结果;(2)超声清洗后,ZnO nanoslices组质量变化从7.3±0.4mg(钛),7.33±0.23mg(钽)到0.43±0.17mg(钛),0.33±0.17mg(钽),质量改变明显高于ZnO nanorods组(p0.01)。最开始2天,锌离子释放量分别是0.64±0.1mg/L(钛)和0.73±0.11mg/L(钽),并且释放速度迅速下降,14天后锌离子释放量趋于稳定(0.05±0.02 mg/L);(3)ZnO nanoslices组(98±1%)和ZnO NHS组(99±1.1%)对大肠杆菌的抗菌率效果好于ZnO nanorods组(13.4±6.6%)。共培养一天后ZnO nanorods组(81.3±6.2%)的抗菌率接近ZnO nanoslices组(82.2±9.3%)和ZnO NHS组(87.4±7.2%)。另一方面,超声后ZnO nanorods组(98.2±3.6%)和ZnO NHS组(90.5±5.9%)仍然保持较高的抗菌活性。金黄色葡萄球菌具有相似的结果。(p0.01);(4)从空白对照组(钛或钽),我们可以观察到皮肤和肌肉中的正常细胞核。在金黄色葡萄球菌的细菌悬浮液中浸泡后,ZnO nanoslices组,ZnO nanorods组和ZnO NHS组植入材料具有相似的结果。相反,金黄色葡萄球菌溶液处理后裸植入体材料周围的组织(皮肤和肌肉)中表现出高密度的炎性细胞核;(5)利用成骨细胞(MC3T3-E1 cells)测试各种氧化锌样品的细胞毒性。对比钛和钽的空白对照组,ZnO nanoslices组,ZnO nanorods组和ZnO NHS组的细胞毒性无明显差异。(p0.05)结论:(1)构建双层纳米结构ZnO NHS用于钛和钽植入体的表面修饰,表现出独特的短期快速释放和长期缓慢释放的分阶段释放特征,且对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具备快速杀菌和长效抑菌作用;(2)ZnO NHS修饰的钛和钽植入体具有较好的生物相容性,应用于骨科临床可以明显降低由细菌引起的术后感染风险,减少抗生素的使用,避免滥用。
【图文】：

乙酸锌,纳米氧化锌,扫描电镜图,金属表面

钛和钽金属表面修饰纳米氧化锌的光学和扫描电镜图，不同浓度的乙酸锌可改变氧化

扫描电镜图像,伪色,粉红色,紫色

8图 2 超声前后 ZnO nanoslices（A，B，G 和 H），ZnO nanorods（C，D，I 和 J）和 ZnO NHS（E，F，，K 和 L）扫描电镜图像。图像用伪色处理，每种颜色代表不同的组成：绿色（钛或钽金属），紫色（ZnO nanoslices）和粉红色（ZnO nanorods）。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;R318.08

【参考文献】