负载无机活性粒子的多孔阳极氧化铝薄膜制备及生物学性能研究

发布时间：2018-04-24 11:15

本文选题：多孔阳极氧化铝(PAA) + 铜　；参考：《东华大学》2017年硕士论文

【摘要】：多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)是通过电化学阳极氧化的方法在纯铝表面形成的具有高度规整孔结构的氧化铝薄膜。其纳米孔阵列结构长程有序且孔径大小可精确调控。PAA具有优良的化学稳定性和良好的生物相容性,且其相互平行的纳米孔道结构与骨组织微观结构相似。因此,在生物材料表面涂层领域得到越来越密切的关注。此外,PAA表面纳米多孔结构提供了充足的空间,可进一步负载生物活性物质,从而可能赋予PAA特殊的生物学功能。铜(Cu)、锌(Zn)作为人体中的微量元素,因为具有广谱、强效杀菌作用而在生物材料领域被广泛运用。近期研究发现,引入适量Cu的生物材料对成骨相关细胞的黏附、增殖及功能表达方面具有明显的促进作用。Zn通过激活成骨细胞蛋白质的合成、提高ATP酶活性刺激骨形成,能够促进间充质干细胞的钙沉积。此外,钙-硅(CaO-SiO_2)基生物材料作为第三代生物材料的典型代表,具有优良的生物活性和可降解性,能在体外和体内作快速诱导类骨磷灰石沉积并能够显著地促进骨组织细胞的增殖、分化及骨组织修复。我们尝试在无定形CaO-SiO_2生物玻璃体系中引入适量的Cu元素,进一步构建钙-硅-铜(CaO-SiO_2-CuO)三元复合生物活性物质,以期待赋予PAA更优良的生物学性能。首先运用两步阳极氧化法在草酸体系中制备出孔径为75nm的PAA(PAA75),接着采用交流电沉积技术在PAA75孔道内分别装载纳米cu、zn,通过控制交流电沉积时间得到了负载不同cu、zn含量的cu/paa和zn/paa样品。采用场发射扫描电镜(fesem)、x射线衍射(xrd)、x射线光电子能谱分析(xps)对材料的表面形貌、化学组成及晶型进行了表征和分析。选用革兰氏阴性菌-大肠杆菌(escherichiacoli,e.coli)和革兰氏阳性菌-金黄色葡萄球菌(staphylococcusaureus,s.aureus)对cu(10s)/paa和zn(10s)/paa进行体外抗菌性能评价;选用乳鼠成骨细胞(rob)分别对cu(5s,10s)/paa和zn(2s,5s,10s)/paa几种材料的体外细胞相容性进行了初步评价,并利用电感耦合等离子体原子发射光谱(icp-aes)分析细胞培养过程中生物活性组分的释放行为。采用改进的两步阳极氧化法在磷酸体系中制备出孔径为200nm的paa(paa200)。运用超声辅助的溶胶-凝胶法在paa200的孔腔内组装了无定形cao-sio2-cuo玻璃颗粒,得到了cao-sio2-cuo/paa样品。采用fesem、eds、xps对材料的表面形貌、结构和化学组成进行了表征及分析。体外模拟体液(sbf)浸泡实验评价了其诱导类骨磷灰石形成的能力及其离子缓释行为,利用icp-aes分析材料在sbf浸泡过程中的离子释放。选用e.coli和s.aureus对cao-sio2-cuo/paa进行体外抗菌性能评价;选用rob细胞对cao-sio2-cuo/paa的体外细胞相容性进行初步评价。获得如下结论:运用交流电沉积技术在paa75的多孔结构内分别组装纳米cu、zn,通过控制电沉积时间制备出cu(5s,10s)/paa、zn(2s,5s,10s)/paa。fesem结果表明:交流电沉积技术能够在paa孔道内成功装载纳米cu、zn,并较好地保持了paa表面的纳米多孔结构。xrd测试结果表明,paa孔道内cu、zn为面心立方晶型。xps分析结果显示,cu的主要价态为+2价,同时也存在0价;zn的主要价态为+2价,同时也存在0价。体外抗菌性能实验结果显示:经过1d培养,cu(10s)/paa对e.coli和s.aureus的黏附抑菌率分别为82%±11%和89%±4%,培养时间延长至3d,抑菌率有所下降(45%±4%,56%±11%)。1d培养后,zn(10s)/paa对e.coli和s.aureus的黏附抑菌率分别达到95%±1%和92%±5%;延长培养时间至3d,对e.coli和s.aureus的抑菌率下降(21%±5%,58%±4%)。体外细胞实验表明:rob细胞在不同装载量的cu/paa和zn/paa表面均能迅速粘附,与空白对照组有显著差异(p0.01)。cu(5s)/paa、zn(2s)/paa均能促进细胞的稳定增殖,cu(10s)/paa、zn(5s)/paa和zn(10s)/paa随培养时间的延长表现出一定细胞毒性。采用超声辅助溶胶-凝胶法将不同粘度的cao-sio2-cuo生物活性溶胶分别装载于paa200多孔结构中,得到了cao-sio2-cuo/paa样品。fesem结果表明,溶胶均匀分布于paa的多孔结构,其中粘度为0.02pas的溶胶具有最佳的填充效果;xps分析结果表明,元素cu主要存在形式为+2价。体外sbf浸泡实验表明cao-sio2-cuo/paa表面能快速诱导类骨磷灰石形成,并且能持继缓慢释放出ca、si、cu离子。体外抗菌实验结果表明:经1d培养后,fesem显示cao-sio2-cuo/paa表面e.coli和s.aureus两种菌体的形态显著破坏抑菌率分别达到86%±4%和88%±2%。rob在材料表面粘附和增殖实验表明:培养1d后,fesem观察cao-sio2-cuo/paa表面细胞形态正常,有利于乳鼠成骨细胞的粘附和伸展。培养5d后,cao-sio2-cuo/paa能够显著促进rob细胞增殖,与paa对照组有显著差异(p0.05),呈现出良好的细胞相容性。以上研究结果显示,运用交流电沉积技术在paa75纳米多孔结构内分别成功装载了Cu、Zn,并通过改变交流电沉积时间有效控制PAA纳米孔道内Cu、Zn装载量,分别制备得到了Cu(5s,10s)/PAA和Zn(2s,5s,10s)/PAA。其中,Cu(10s)/PAA、Zn(10s)/PAA对E.coli和S.aureus具有良好抗菌性,但是对rOB细胞表现出一定细胞毒性。Cu(5s)/PAA和Zn(2s)/PAA能够显著地促进rOB细胞的粘附并保持其稳定增殖。另外,采用超声辅助的溶胶-凝胶法在PAA200纳米孔道内填充0.01Pa s,0.02Pa s和0.03Pa s三种粘度的CaO-SiO_2-CuO,制备得到CaO-SiO_2-CuO/PAA,其对E.coli和S.aureus具有有效抗菌性,并且能够显著促进rOB细胞增殖,呈现出良好的细胞相容性。PAA的改性制备有望为满足不同需求的生物材料表面涂层的构建提供实验和理论依据。
[Abstract]:Porous anodic alumina ( PAA ) is formed on the surface of pure aluminum by electrochemical anodic oxidation . Its structure is long - range ordered and the pore size can be controlled precisely . The nano - porous structure of PAA has excellent chemical stability and biological compatibility . The results showed that Cu ( 10s ) / paa can successfully load nano - cu and zn in the porous structure of paa75 by means of alternating current deposition technique . The results of xrd test show that the main valence of cu and zn is + 2 valence , and the antibacterial rate of zn ( s ) / paa on e . coli and s . aureus is up to 95 % 卤 1 % and 92 % 卤 5 % , respectively . After the culture , the antibacterial rate of the e . coli and s . aureus decreases ( 21 % 卤 5 % , 58 % 卤 4 % ) . The results showed that Cu ( 5s , 10s ) / paa , zn ( 5s ) / paa and zn ( 10s ) / paa could significantly promote the proliferation of cells . The results showed that the presence of Cu ( 10 s ) / PAA , Zn ( 10s ) / PAA on E . coli and S . aureus were significantly different .

【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.08

【参考文献】