钛合金表面基于硫化物的光响应抗菌复合涂层的构建

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钛及钛合金具有良好的生物相容性,其被广泛用于制造医疗器械来维系病人的正常生命活动。然而,由于植入体表面的细菌感染及细菌生物膜的形成,植入体失效案例普遍存在。现如今,通常的治疗方法是通过二次手术移除被细菌感染的植入体,但是这种方法在延长患者住院时间的同时,也增加了患者的医疗费用和心理负担。因此,人们迫切的需要开发先进的方法来快速消除植入体感染,并且诱导骨组织再生。目前,抗菌生物材料的一般设计策略是通过表面改性的方法来提高生物材料本身的抗菌性能,例如直接通过载药、改变表面电荷、释放杀菌粒子(Ag+、Zn2+、Cu2+)来杀灭细菌,或者通过改变材料表面的静电斥力和超疏水性来抵抗细菌的附着,以上这些方法统称为“内源性抗菌”策略。然而,内源性抗菌策略往往需要长时间的作用才能杀灭细菌,这不可避免地会在重复的抗菌过程中导致细菌耐药性的形成。据文献报道,除了有机抗生素会使细菌产生耐药性,即使是纳米银这样的无机纳米粒子,也会在长期的作用过程中使细菌产生突变,从而产生耐药性。基于上述问题,在钛及钛合金表面构建一些具有快速杀菌效果,同时又表现出良好生物相容性的功能化涂层是非常有必要的。目前,光热疗法和光动力疗法以其不易产生耐药性、副作用小、全身毒性低等优势,已经成为一种新兴治疗策略。基于光热转化剂的热疗技术可以通过破坏细菌细胞膜或使蛋白质/酶变性等多种热效应来杀灭细菌,基于活性氧(ROS)的光动力疗法可引起细菌细胞壁和细胞膜的氧化损伤,从而导致细菌死亡。本论文通过探究基于硫化物的光热及光动力学活性,从而在钛植入体表面构建出既具有近红外响应,同时又表现出明显抗菌性和促进成骨活性的生物功能涂层。研究的工作具体包括如下内容:(1)负载Cu S纳米粒子的光响应水凝胶表面体系的构建实验通过氯化铜和硫化钠的反应制备Cu S纳米颗粒,经过表面修饰作用后,将功能化的Cu S纳米颗粒负载到聚NIPAAm-co-AAm复合水凝胶中。在近红外光照条件下(808nm,10 min),样品对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的抗菌效率分别达到99.80%和99.94%。其优异的抗菌性能是由于在近红外光照条件下,Cu S纳米粒子的等离子体共振效应使得该复合水凝胶具有光热、光动力以及快速释放铜离子的效应。此外,复合水凝胶样品释放的铜离子能够有效促进血管生成相关基因的表达,从而发挥快速促进伤口愈合的效果。(2)钛植入体表面磁控溅射二硫化钼(Mo S2)涂层的构建利用磁控溅射系统在钛片表面构建一层均匀的Mo S2涂层,通过静电结合作用接枝光敏剂IR780,随后再将样品浸泡在多巴胺(DA)溶液中,在样品表面聚合生成聚多巴胺(PDA),最后通过迈克尔化学反应接枝RGDC多肽。在近红外光照条件下,Mo S2表现出高效的光热转换效率,而IR780作为光敏剂,在近红外光刺激下可以产生单线态活性氧,该体系成功的将光热治疗和光动力治疗协同在一起。此外,根据体外细胞实验结果,细胞在经RGDC修饰过的样品表面表现出良好的铺展性,这充分证明该生物涂层具有良好的生物相容性。(3)钛植入体表面Mo S2/IR780/RGDC复合涂层的抗菌性能及其成骨性的研究磁控溅射系统构建的Mo S2涂层,与钛片基底的结合力良好。体内皮下植入体实验证明了近红外光的穿透效应以及该复合涂层的高效抗菌效率,该体系能够在20 min内快速消除植入体表面已形成的生物膜,经过定量计算,其抗菌效率可以达到98.99±0.42%。此外,RGDC作为一种天然的生物活性材料,可以促进骨传导效应,与纯钛组相比,可以发现该复合涂层具有明显的促进成骨效果,根据硬组织切片数据分析,在骨植入四周后,样品组的成骨率可以达到52.69%。
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