具有生物安全性的新型載鋅鈦材料的制備及其抗菌性研究.pdf

1、傳統(tǒng)金屬植入材料（如不銹鋼、鈦、鈦合金等）因其具有優(yōu)異的生物相容性、優(yōu)良的機械加工性能和耐腐蝕性能，以及其彈性模量與人骨相近等特性，已被廣泛應用于骨科、齒科、矯形外科等生物醫(yī)學領域。但是在應用過程中亦產生一些新的問題，比如應力遮擋，假體松動，植入物相關感染等，而其中植入物感染尤其突出且產生嚴重后果。由于感染后植入材料表面極易形成細菌生物膜，該細菌生物膜具有隔絕人體免疫系統(tǒng)攻擊，以及抵抗抗生素的滲透作用，為患者帶來了巨大的病痛及負擔，增加

2、臨床治療的難度。目前臨床上治療植入物相關感染常用再次手術清創(chuàng)翻修，局部注射高劑量抗生素等，而這些治療均有其明顯局限性，再次手術增加病人痛苦及負擔，大劑量應用抗生素則會導致細菌耐藥等問題。因此，怎樣降低或者避免這類假體植入術后感染的發(fā)生已經成為醫(yī)療領域面臨和亟待解決的重大難點問題。而金屬離子具有廣譜抗菌性，體內良好分散性，且?guī)缀醪划a生耐藥菌等優(yōu)點，開發(fā)出具有抗菌特性的金屬離子型植入假體材料，已經成為新型材料開發(fā)的一個熱點。而金屬離子主要為

3、銀、鋅、銅離子應用于生物材料研究中最為廣泛，本課題擬通過堿熱反應將金屬鋅離子載入醫(yī)用純鈦表面為研究對象，系統(tǒng)研究該新型載鋅鈦生物材料的生物安全性、抗菌性能及體內安全性，為新型載鋅鈦抗菌植入材料的研究與發(fā)展以及進一步的臨床應用提供科學依據。
　　研究目的:
　　擬通過堿熱法于純鈦表面形成多孔鈦微納米結構，同時于材料表面載入鋅離子構建一種新型純鈦表面載鋅材料，以該新型載鋅鈦材料作為實驗組和純鈦材料為對照組為研究對象，以細胞與材料

4、共培養(yǎng)的研究方法研究該新型載鋅鈦材料的血液相容性、細胞相容性。采用細菌與材料共培養(yǎng)方法研究其體外抗菌性能。構建植入物相關感染模型，研究該新型載鋅鈦材料在動物體內抗菌性及毒性，為抗菌植入材料新材料的研發(fā)與生物醫(yī)學相關應用提供科學依據。
　　研究材料與方法:
　　以堿熱法制備的新型載鋅鈦抗菌植入材料為研究對象，以目前臨床廣泛應用的植入純鈦為對照組。選用金黃色葡萄球菌標準株為抗菌實驗研究細菌，利用材料與細菌共培養(yǎng)方法，通過共培養(yǎng)后

5、予以瓊脂板計數(shù)方法測定該材料的抗菌性，選用美國ATCC購買的人骨髓間充質干細胞(hBMSC)為實驗研究細胞。利用材料與細胞共培養(yǎng)的方法，通過對人骨髓間充質干細胞(hBMSC)的增殖檢測材料對細胞的毒性、材料表面細胞Live/Dead染色觀察、材料的急性溶血實驗、材料表面細胞掃描電鏡觀察等實驗對新型載鋅鈦抗菌植入材料的血液相容性、細胞相容性做系統(tǒng)的研究;通過材料與金黃色葡萄球菌的共培養(yǎng)，測定該新型載鋅鈦抗菌生物材料的抗菌性能，并對材料與細

6、菌共培養(yǎng)后的細菌進行電鏡掃描觀察其形態(tài)變化，從而對新型載鋅鈦抗菌植入材料的殺菌機制進行假想及推測。以新西蘭大白兔為動物實驗研究對象，予以激素行免疫抑制構建一種植入物感染易感動物模型，研究新型載鋅鈦抗菌植入材料在動物體內抗菌性及毒性作用。
　　實驗結果:
　　(1)采用堿熱法成功制備出鈦表面多孔結構，同時使用化學法將鋅附著于鈦表面，而后再行模擬生物礦化達到使鋅緩釋的目的。
　　(2)通過MTT實驗、材料表面細胞死活染色實

7、驗、急性溶血實驗及材料表面細胞形態(tài)電鏡觀察，證實該新型載鋅鈦生物材料具有良好的生物相容性;
　　(3)材料與細菌共培養(yǎng)法測定載鋅鈦生物材料其具有良好的殺菌效果，殺菌率在90％以上，有統(tǒng)計學意義(p＜0.05)。
　　(4)通過以新西蘭大白兔植入物帶入感染易感模型為應用模型，將涂有一定量細菌的純鈦組及新型載鋅鈦生物材料植入兔股骨髁，觀察到動物體溫均有升高，實驗組體溫增高幅度較對照組低，且有統(tǒng)計學意義，傷口感染情況實驗組較輕，靜

8、脈血中白細胞數(shù)低于純鈦組，新型載鋅鈦生物材料周圍骨組織單位重量的細菌含量較純鈦對照組細菌含量要低，有統(tǒng)計學差異(p＜0.05)。且靜脈血中鋅元素實驗組和對照組無統(tǒng)計學差異，即新型載鋅鈦生物材料在體內亦具有一定的抗菌作用，且不影響血鋅的含量。
　　結論：
　　(1)通過載鋅鈦材料與金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)后進行瓊脂板細菌計數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)新型載鋅鈦抗菌植入材料與純鈦組相比較其殺菌率為90％以上。該材料在體外抗菌實驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性

9、，而通過檢測該新型材料的鋅離子溶出累積量而繪制曲線，可發(fā)現(xiàn)該材料的鋅離子早期釋放快，而后緩慢釋放。通過鋅離子與細菌共培養(yǎng)后進行透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)細菌膜破裂，推測金屬離子的殺菌機制為破壞細菌膜進行殺菌。
　　(2)通過載鋅鈦材料與健康人血進行共培養(yǎng)，我們發(fā)現(xiàn)該新型載鋅鈦抗菌植入材料的溶血率為0.36％，遠低于植入物溶血率最低要求5％，證明載鋅鈦生物材料具有良好的血液相容性。通過材料與hBMSC細胞的共培養(yǎng)，MTT法檢測細胞增殖活性;

10、通過SME掃描電鏡從直觀上觀察細胞在材料表面的黏附、伸展，發(fā)現(xiàn)細胞偽足與材料表面接觸良好;將材料與細胞共培養(yǎng)后進行死活細胞染色，結果證明活細胞數(shù)目遠多于死細胞，證實入骨髓間充質干細胞在新型載鋅鈦抗菌植入材料表面生長良好?？傮w說明載鋅鈦抗菌植入材料具有良好的細胞相容性。
　　(3)通過將涂布細菌的新型載鋅鈦抗菌植入材料植入激素免疫抑制的新西蘭白兔股骨髁處，通過檢測體溫體重、傷口大體觀察、檢測血白細胞等感染指標，發(fā)現(xiàn)該材料的在體內的感

11、染情況要低于對照組，證明該新型載鋅鈦抗菌植入材料在體內亦能發(fā)揮一定抗菌作用，且觀察血液中鋅離子濃度與正常新西蘭白兔無明顯差異。證明植入該材料后不影響血液中鋅的代謝情況，證明體內生物相容性良好。
　　綜上所述，新型載鋅鈦抗菌植入材料具有良好的抗菌性和生物相容性，且鋅離子的殺菌機制為破壞細菌膜的結構，達到殺菌效果，另一方面，由于該材料具有良好的生物相容性，故該材料與細胞適配性好可以減少細菌生存空間，達到進一步抑菌的效果。體內實驗證明該