钛表面氧化锌复合涂层构建及其生物学性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:htloveqy
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氧化锌(ZnO)具有优异的抗菌性能。然而,ZnO的细胞毒性较强,不利于人体组织细胞黏附生长,通常不能直接用作可植入医疗器械。鉴于此,本文采用多种表面工程技术在钛表面构建复合ZnO涂层,包括铁掺杂ZnO致密涂层、ZnO@Zn S核壳结构纳米棒阵列涂层及ZnO@C核壳结构纳米棒阵列涂层,并研究材料性质与其抗菌活性和细胞相容性的关系,主要结果有:(1)先采用溶胶凝胶法在钛表面制备ZnO涂层,后利用等离子体浸没离子注入对其进行铁掺杂处理。实验结果表明,铁掺杂可以提高ZnO的稳定性,抑制锌离子爆发释放;同时铁组分可促进芬顿反应,维持复合涂层的抗菌活性。铁掺杂ZnO涂层对金黄色葡萄球菌(S.aureus,10~7 CFU/m L,培养24 h)的抗菌率可达95%以上,且铁掺杂显著改善ZnO涂层对人牙龈成纤维细胞(HGFs)相容性。(2)采用先水热生长ZnO纳米棒阵列,后以硫代乙酰胺硫化的两步水热法在钛表面构建核壳结构的ZnO@Zn S纳米棒阵列。硫化后的ZnO纳米棒阵列保持纳米棒阵列结构。硫元素以阴离子交换形式在ZnO纳米棒表面形成Zn S外壳,后者可抑制锌释放。相同硫源浓度条件下,硫化时间是调控ZnO@Zn S纳米棒阵列生物学性能的关键因素。硫化时间越长,锌释放速率越慢,其抗菌活性越低。硫化时间小于等于6 h的ZnO纳米棒阵列对大肠杆菌(E.coli)与金黄色葡萄球菌均有近100%的抗菌率(10~7 CFU/m L,培养24 h)。硫化后涂层细胞相容性得到改善,且改善程度与硫化时间呈正相关。该核壳结构ZnO@Zn S纳米棒阵列涂层可促进HGFs黏附和迁移(6 h硫化后的样品相比于光滑钛表面细胞黏附数量与细胞迁移数量分别提升至140%和130%),但HGFs在其表面上的增殖速度仍显著低于在钛表面。(3)采用先水热生长ZnO纳米棒阵列,后在多巴胺溶液中反应的两步法在钛表面构建聚多巴胺包覆的ZnO纳米棒阵列,并在氩气氛围下退火形成被碳外壳包覆的ZnO@C纳米棒阵列。碳包覆的ZnO亦具有纳米棒阵列形貌。ZnO@C对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率接近100%(10~7 CFU/m L,培养24 h)。ZnO@C细胞相容性较好,其表面接种的细胞可正常黏附且持续增殖、生长,相较于ZnO有显著改善。ZnO@C较好的细胞相容性与氩气退火处理减少ZnO产生ROS和碳外壳阻隔ZnO与HGFs胞膜直接接触有关。
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