羟基磷灰石的抗菌性研究进展

羟基磷灰石的抗菌性研究进展

羟基磷灰石[hap]、ca10（po4）6（h）2]是脊柱和牙齿的主要组成部分，具有良好的生物特性、生物活性和稳定性。由于其与人体骨组织结构的相似性,能与人体硬组织结合,是一种优良的硬组织替代材料,从而作为植入材料具有广泛的应用。其中主要用于骨缺损修复、骨植入和生物分子的纯化和分离。HAP作为植入材料可用于填充和重建骨缺损,以及涂覆在金属和钛等基体上用于髋部、膝盖和牙修复。在上述应用中蛋白质、氨基酸类和其他有机物容易吸附到HAP上,从而容易导致微生物感染。虽然埋植剂的成功主要依赖于骨植入体,但埋植剂的成功和长久性也依赖于植入后细菌感染的预防。在手术中尽管采用抗菌剂和层流手术室进行保护,但假关节相关的感染依然达到1%～9%。因此,有效的预防植入相关的感染对于避免外科修正术,和降低病人费用及缩短住院时间至关重要。现在很多菌株对抗生素都产生耐药性,因此,生物材料表面抗菌性能的研究已成为当前研究的热点。银是一种强大的抗菌剂,因为其对多种微生物都具有抗菌特性,其中包括大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。由于银离子对人体细胞的低毒性和抗菌长效性、耐热性的特点,银相关的抗菌剂得到高度关注。例如在玻璃中加入3wt%Ag2O,可以制备出具有抗菌功能的玻璃。结合羟基磷灰石的骨传导性和银的抗菌性,合成具有潜在临床应用价值的载银羟基磷灰石,使其具有良好的生物相容性及抗菌性,可以降低植入物相关感染的发病率、减少临床上抗生素的使用及解决菌株耐药等问题,载银羟基磷灰石将是一种很有应用前景的无机抗菌剂。1载银羟基磷灰石复合抗菌材料的制备载银羟基磷灰石中的银主要是银离子和纳米银,其中银离子可以通过物理吸附和离子交换两种途径来复合。随着纳米技术的飞速发展,人们越来越关注纳米银的制备。纳米银作为金属银的一种特殊形态,是指粒径在1～100nm之间的粉末状银单质,可以通过微波辅助法、溶胶凝胶法等方法合成。具有很高的表面积和表面活性,显示出独特的理化性能。纳米银还显示出优异的抗菌、除臭及吸收紫外线的功能。它可以与细菌的蛋白质分子上的疏基、胺基等吸电子基团形成配体,使该蛋白失活,具有传统无机抗菌剂无法比拟的抗菌效果,无耐药性,而且安全性高。随着抗生素的细菌耐药性日益严重,纳米银在消毒杀菌领域的研究和应用越来越受到关注。目前各国的研究者已经使用了很多的方法合成出载银羟基磷灰石复合抗菌材料,主要大致分为物理方法和化学方法。物理方法主要有真空等离子喷涂技术和磁控溅射法,通过物理作用结合抗菌剂和基体,形成涂层和膜,此法工艺简单,但抗菌剂结合不牢固,并且抗菌剂在基体上分散性不是很好,影响抗菌效果。化学方法是通过化学反应将基体与抗菌剂结合起来,形成复合材料,此法合成的复合材料结合牢固、稳定性、分散性好。载银羟基磷灰石的化学方法包括溶胶凝胶法、电化学沉积法、微波辅助法、离子交换法等。现介绍一些典型的合成方法及其特点。1.1物理方法1.1.1等离子喷涂法等离子喷涂工艺的技术较为成熟,也是目前广泛应用于临床的方法。真空等离子喷涂技术是利用阴极、阳极产生的电弧,将气体电离成高速、高能、高温的等离子体,将材料送入等离子体中,在极短时间内被熔化、加速并最终沉积至基底材料表面,快速冷却固化,形成涂层。其优点是等离子射流速度快,可提高涂层结晶度、减少涂层裂纹,增加涂层与基体的结合强度。其缺点是设备昂贵、处理温度高、工艺复杂等。阮洪江等采用真空等离子喷涂工艺在钛合金基材表面制备出含3%(质量比)银抗菌剂的抗菌HAP涂层,研究表明该复合涂层有良好的生物相容性,无明显细胞毒性和红细胞破坏性,对金黄色葡萄球菌及铜绿假单胞菌有显著的抗菌作用。朱梓园等将磷酸锆载银抗菌剂以5wt%比例与羟基磷灰石粉末球磨混合,用真空等离子喷涂系统将粉末喷涂在纯钛表面,并研究涂层材料中银离子的缓释性能,发现银离子释放速度随时间推移而变缓。第7天银离子释放达到稳定,第14天可能有银离子再吸附现象。ChenYk等利用此法在钛表面沉积HAP/Ag,获得抗菌涂层,该涂层对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌的抗菌性高达95%。1.1.2磁控水质薄膜磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气,在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加直流电压,在镀膜室内产生磁控型异常放电,使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面,将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间,便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射的优点是成膜速率高,基片温度低,膜的粘附性好。该方法的缺点是不能制备绝缘体膜。ChenW等采用磁共溅射法成功制备HA/Ag复合涂层,利用人体胚腭间充质细胞评价其体外细胞毒性,结果表明复合涂层无细胞毒性,能够有效抑制金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的生长。1.2化学方法1.2.1后再利用技术溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下均匀混合,并进行水解、缩合反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成凝胶,后再经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。此法合成温度低、粒子小、均一性好、比表面积大,目前在玻璃、陶瓷、涂层等领域得到了广泛的应用。其缺点是反应时间较长、成本较高。ChenW等用溶胶-凝胶法合成了含1wt%Ag和1.5wt%Ag的HAP涂层,采用人齿龈纤维原细胞株证实其具有良好的生物相容性,同时对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的抗菌性强。ChungRJ等采用此法制备含Ag的HA涂层,并对其成骨性能及抗菌性能进行研究,证实发现该涂层具有良好的生物相容性和抗菌性能。1.2.2纳米银薄膜的制备电化学沉积是一种用来制备各种多晶薄膜和纳米结构的液相方法,是指在电场作用下,在一定的电解质溶液中由阴极和阳极构成回路,通过发生化学反应,使溶液中的离子沉积到阴极或阳极表面上形成薄膜或者涂层的过程。电化学沉积法是一种条件温和的方法,通常在室温条件下进行,可通过控制工艺条件(如:溶液pH值,温度,浓度,电流等)可精确控制沉积层的厚度,化学组成和结构等,其操作简单、成本低廉,环境安全,适于工业化生产。其不足之处是制备理想的、复杂组成的薄膜材料较为困难,对于基体表面上晶核的生成和长大速度不能控制。张敏等采用恒电位电化学法,以沉积银颗粒的钛板为工作电极阴极,铂片为对电极,饱和甘汞电极做参比电极。电解液组分别为无水CaCl2,NaH2PO4,AgNO3和KI,室温下沉积10min。成功在纯钛表面构建纳米级羟基磷灰石/纳米银涂层。将人牙周膜成纤维样细胞培养于涂层表面,采用细胞毒性评价及其形态观察,结果发现羟基磷灰石纳米银涂层体外细胞培养显示其具有良好的生物活性,具有良好的生物相容性和细胞粘附性。LuX等利用此法共沉积HAP和Ag得到纳米银均匀分布的HAP/Ag涂层,通过热处理增强了涂层的粘合强度和生物相容性,并且对大肠杆菌及白色葡萄球菌的抗菌性优良。1.2.3微波作为高能源材料的制备方法微波法合成纳米材料是一种新兴的合成方法,其特点是反应时间普遍较其他传统合成方法短,操作简便,利用其加热快速、均质与选择性等优点,应用于现代合成研究中的技术。其是一种快速、简单、高效、环保的方法,由于其可快速成核,可制得分布均匀、粒径较小的纳米材料。微波在以水为介质的反应中发挥重要的作用。RameshbabuN等以Ca(OH)2、(NH4)2HPO4、AgNO3为原料,调节至一定pH,在微波反应器中反应30min,合成了不同载银率的HAP/Ag,结果显示纳米银在30nm左右,抗菌研究得出其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果良好。1.2.4载银羟基磷灰石近来HAP载银大部分用离子交换法,离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应,当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时,便会被离子交换固体吸附,为维持水溶液的电中性,所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。载银羟基磷灰石是利用Ag取代HAP中的Ca。此法优点是成本低、操作方便、设备简单、并且合成的复合材料抗菌性很好。但其有两个主要的缺陷:银的取代导致Ca的流失,可能会影响HAP的稳定性以及骨传导性;银的快速释放要依赖于pH。李轩琦等采用溶液离子交换法,通过将羟基磷灰石粉末放入硝酸银溶液中浸泡,成功制备出载银羟基磷灰石,研究了不同煅烧条件对载银率的影响。复合材料载银率随煅烧温度的升高而降低,分析认为,载银前后HA的结构基本没有发生改变,Ag+一部分吸附在HA表面或进入HA晶格,取代Ca2+,另一部分形成了Ag3PO4晶体。抗菌实验表明未煅烧的复合材料对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有很强的抗菌性能。2银基磷灰石材料的应用2.1抗菌生物材料目前生物材料相关的感染是修正手术的一个主要原因,而抗生素容易使微生物产生抗药性,HAP/Ag兼具羟基磷灰石的生物相容性和银的抗菌性,是一种良好的抗菌生物材料。HAP/Ag作为植入材料可用于填充和重建骨缺损,以及涂覆在金属和钛等基体上用于髋部、膝盖和牙修复。陈治宇等建立兔股骨假体置换术后感染模型,研究金属银/羟基磷灰石层的抗菌人工关节的抗感染性能,结果显示复合材料不仅具有良好的生物相容性,而且还具有抗菌性。2.2羟基磷灰石作为涂层的抗菌性能与有机抗菌材料相比无机抗菌材料以其化学稳定性好,杀菌持久,耐高温和耐药性好而倍受关注。载银羟基磷灰石可以作为涂层涂于陶瓷表面,得到抗菌卫生陶瓷。适合于家庭和公共场所的陶瓷设施和器具。师彩丽等在羟基磷灰石中加入银盐充分反应,热处理后得到载银羟基磷灰石抗菌粉体,将此抗菌粉体5%掺于中温釉中,涂于陶瓷表面通过釉烧得到抗菌卫生陶瓷。经抗菌试验,载银羟基磷灰石抗菌陶瓷样品对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有极强的抗菌效果。2.3载银羟基磷灰石随着科技的发展、人们生活水平的提高,开发抗菌、除臭等多功能的纺织品越来越受到人们的关注。由于HAP/Ag有良好的抗菌性及对有机质优良的吸附特性,通过其进行表面包覆或负载具有光催化性能的纳米TiO2,可明显提高TiO2的光催化效率与持久性。将复合物整理到织物上,可赋予织物高效持久的抗菌、除臭、防紫外等功能。吕国玉等通过硝酸钙和磷酸钠水溶液反应制备出载银羟基磷灰石粉料。利用后整理法加工出载银羟基磷灰石抗菌织物,并对抗菌效果进行研究。结果表明载银羟基磷灰石粉料和织物均有很强的抑菌效果。2.4功能性新材料抗菌剂是具有抑制和杀菌性能的新型助剂,通常在聚合物材料中添加一种或者几种特定的抗菌剂成分可以制得功能性新材料,如抗菌塑料、抗菌纤维等。纳米HAP/Ag作为抗菌剂具有耐高温性、抗菌持久性和耐候性等优点,可用于空气