钛表面近红外光响应复合涂层的制备及其原位抗生物膜感染性能研究

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松动和细菌感染是导致钛(Ti)植入体植入失败的主要原因。通过微弧氧化技术可以在钛表面形成具有良好生物活性的多孔TiO2陶瓷膜层,同时在氧化过程中可将在金属抗菌元素(银、铜、锌等)添加到TiO2膜层中赋予其抗菌能力。然而,重金属离子在人体内的毒性问题限制了其临床应用。光辅助抗菌由于远程可控、精准治疗及更高的抗菌效率受到广泛关注。但通过微弧氧化制备的TiO2带隙较宽,无法被近红外光激发产生活性氧(ROS)杀菌。基于此,本课题通过微弧氧化和水热复合处理工艺,在Ti表面制备了近红外响应复合涂层,赋予植入体原位光控抗菌能力。具体研究内容如下:(1)复合涂层的制备与表征首先采用微弧氧化在Ti表面构建有利于细胞粘附的TiO2多孔涂层,然后通过水热处理在TiO2涂层表面生长MoS2纳米片,形成具有良好光热转换与光催化性能的MoS2-TiO2复合涂层,使其在808 nm近红外光照下具有优异的原位抗菌能力。最后通过聚多巴胺(PDA)将I型胶原蛋白(Collagen)固定在涂层表面,改善涂层的生物相容性,提高骨整合能力。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)分析结果表明,微弧氧化在钛表面形成了孔洞分布均匀的TiO2涂层,通过水热处理在TiO2涂层表面生长了均匀分布MoS2纳米片,再通过与多巴胺的迈克加成反应和席夫碱反应,I型胶原蛋白被成功接枝在了涂层表面。此外,接触角测试结果表明,Col/PDA/MoS2-TiO2(CPM-TiO2)涂层具有良好的亲水性能。(2)复合涂层体外抗生物膜性能利用平板涂布、荧光活/死染色及SEM形貌观察对复合涂层体外抗菌性能进行表征。实验结果表明MoS2-TiO2(M-TiO2)、PDA/MoS2-TiO2(PM-TiO2)及Col/PDA/MoS2-TiO2(CPM-TiO2)涂层在808 nm(0.8 W/cm2)光照15 min后均可快速清除金黄色葡萄球菌(S.aureus)生物膜和变形链球菌(S.mutans)生物膜。这是MoS2-TiO2复合涂层在近红外光照下产生的活性氧(ROS)和局部过热的协同作用所致。此外,PDA和I型胶原蛋白的接枝对复合涂层的体外抗菌性能几乎没有影响。(3)复合涂层的生物相容性及促成骨性能通过荧光染色、SEM观察及MTT实验对复合涂层体外生物相容性进行表征。结果表明,CPM-TiO2复合涂层具有良好的生物相容性,且可显著促进成骨细胞的粘附、铺展和增殖。体内实验证明近红外光照射下CPM-TiO2可快速清除金黄色葡萄球菌生物膜,并显著促进新骨生成。
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