董俊杰黃云超* 向柄全楊延龍劉建雄

納米材料因其優(yōu)越的理化性能被廣泛應(yīng)用于能源、材料、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。作為以修復(fù)重建為主的骨科學(xué)，一直都隨材料學(xué)的進(jìn)步而發(fā)展，探究一種組織相容性好，力學(xué)性能強(qiáng)，且具備一定抗菌能力的材料一直是骨科學(xué)研究的熱點(diǎn)。作為一種新型材料，二氧化鈦納米管（TiO2納米管）與骨科常用的不銹鋼、純鈦、鈦合金、聚乙烯、陶瓷等材料相比，具有良好組織相容性和抗感染特性。因此本文將對TiO2納米管的基礎(chǔ)概念及在骨科學(xué)領(lǐng)域的研究做一總結(jié)歸納，在此基礎(chǔ)上，提出當(dāng)前存在的問題，并對今后研究工作進(jìn)行展望。

1 TiO2納米管的形貌特點(diǎn)

在純鈦片或鈦合金片表面制備 TiO2納米管是骨科領(lǐng)域研究TiO2納米管材料常用的方法，從外觀上看具備TiO2納米管微觀形貌的鈦片和普通的鈦片形態(tài)相似，僅有顏色差異，普通鈦片為銀色，而陽極氧化法制備的 TiO2納米管鈦片呈現(xiàn)深紫色，用電子顯微鏡可以觀察到在鈦片基底形成的大量均一排列的管狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)管中空，上端開口，底端封閉，具有比表面積高和多孔等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是吸附藥物的良好載體。

2 TiO2納米管的制備

Gong等[2]在2001年首次用陽極氧化方法成功制備TiO2納米管，隨后的10多年間，國內(nèi)外學(xué)者均對TiO2納米管的制備開展了大量的研究，常用的三種制備方法是：陽極氧化法、模板合成法和水熱合成法[3]。

2.1 陽極氧化法

陽極氧化法是制備 TiO2納米管的常用方法[2]。將光滑的鈦片置入電解液中，使其充分氧化而獲得TiO2納米管。將鈦片置入氫氟酸（HF）溶液中，鈦片為陽極，惰性電極（常用鉑電極）為陰極，經(jīng)陽極氧化獲得 TiO2納米管。這種方法可以制得排列整齊的 TiO2納米管陣列[3]。研究表明，管徑隨陽極電壓的增大而增大，電壓過低會導(dǎo)致納米管規(guī)則度降低，電壓過高則會導(dǎo)致納米管斷裂[4]，納米管的長度和氧化時(shí)間無關(guān)[5]。經(jīng)陽極氧化法處理后的鈦片外觀看上去跟普通的鈦片相似，但是通過氧化后，銀白色的純鈦片會經(jīng)歷一個(gè)顏色由淺變深的過程。陽極氧化法制備的 TiO2納米管長度可在100 nm～100 m，直徑可在10 nm～500 nm。陽極氧化方法簡單，在骨科的實(shí)驗(yàn)研究中，常常用此方法制備TiO2納米管（見圖 1A-C[6]）。

圖1，陽極氧化法在不同電解電壓下制備TiO2納米管陣列的SEM照片（A）10V；（B）40V；（C）60V[6]。

2.2 模板合成法

模板合成法是采用具有特定結(jié)構(gòu)孔洞的模板來合成TiO2納米管的方法，即把納米結(jié)構(gòu)基本組成單元 TiO2組裝在模板孔洞中，用電化學(xué)沉積法使 TiO2同步沉積在模板孔洞內(nèi)壁，然后有選擇地采用煅燒法、酸堿溶解法去除或分解模板從而獲得TiO2納米管[3]，除此之外還可以用溶膠-凝膠、溶膠-凝膠-聚合等模板合成法制備TiO2納米管。模板法制備的TiO2納米管具有分布均勻，相互平行，垂直于膜表面，長度、管壁厚度和孔徑可控等優(yōu)點(diǎn)（見圖2[7]），但此法制備的納米管有如下的缺點(diǎn)：管徑較大、管壁厚且易形成纖維體；比表面?。灰资苣０逍蚊驳南拗?；去除模板時(shí)易引起納米管形貌損壞；制備過程和工藝復(fù)雜等[3]。

圖2，采用陽極氧化鋁模板合成TiO2納米管陣列的SEM照片：（A）側(cè)面；（B）橫截面[7]。

2.3 水熱合成法

水熱合成法是用化學(xué)的方法制備 TiO2納米管，將鈦與堿液（NaOH溶液）進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度控制在 110℃～120℃，反應(yīng)結(jié)束后對所得產(chǎn)品進(jìn)行酸洗、水洗、高溫?zé)崽幚淼燃吹米罱K產(chǎn)品TiO2納米管。水熱合成法制備的TiO2納米管雜亂無序，長度、壁厚、管層數(shù)難控（見圖3[8]），構(gòu)效關(guān)系難以建立[9]。

圖3，水熱合成法制備TiO2納米管的SEM、TEM照片（A）放大倍數(shù)較小的緣故，鈦納米管呈現(xiàn)密集分布現(xiàn)象；（B，C）TEM可見TiO2納米管中間為空心結(jié)構(gòu)，四周為網(wǎng)狀的狹長管道[8]。

3 觀察TiO2納米管的常用方法

3.1 肉眼觀察

用肉眼觀察，普通鈦片與TiO2納米管鈦片形態(tài)相似，均為表面平整的金屬片，僅有顏色的差異，普通鈦片經(jīng)物理、化學(xué)拋光打磨后呈現(xiàn)銀白色，TiO2納米管鈦片顏色為深紫色[10]。

3.2 X射線衍射分析

X射線衍射分析是利用X射線在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)，可以對鈦納米管晶體形態(tài)的變化進(jìn)行檢測。因?yàn)椴煌木w形態(tài)的活性和穩(wěn)定性均存在差異，所以可以通過X射線衍射分析不同條件下制備出TiO2納米管晶體活性與穩(wěn)定性，有助于改良 TiO2納米管的制備條件。

3.3 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡是一種結(jié)構(gòu)分析儀器，可以在納米級別上對各種材料物理性質(zhì)包括形貌和力學(xué)性能等進(jìn)行探測，甚至直接對材料行納米加工[11]，它可以對TiO2納米管粗糙度進(jìn)行測量，TiO2納米管粗糙度又會影響細(xì)胞的粘附與集聚，所以原子力顯微鏡對 TiO2納米管生物相容性的研究有一定的價(jià)值。

3.4 掃描電子顯微鏡

掃描電鏡的主要功能是對固態(tài)物質(zhì)的形貌顯微分析和對常規(guī)成分的微區(qū)分析，有較高的放大倍數(shù)和分辨率[12]，可直接對 TiO2納米管進(jìn)行微觀成像。因?yàn)閽呙桦婄R有較高的放大倍數(shù)，較大的景深和視野，所以成像富有立體感，研究中可以運(yùn)用掃描電鏡對 TiO2納米管的排列、管徑、管長等進(jìn)行直觀的檢測。

4 TiO2納米管的特性

TiO2納米管是納米二氧化鈦的管狀存在形式，它具有高比表面積、高深寬比等特性，因此具有較強(qiáng)的載物和吸附能力，同時(shí)它無毒，組織相容性好[13]。尤其在骨科應(yīng)用中，鈦片表面的 TiO2納米管可提高成骨細(xì)胞生長能力，并有促進(jìn)成骨活性和促進(jìn)鈣質(zhì)沉積的作用[14]。研究發(fā)現(xiàn)TiO2納米管具有抑制細(xì)菌黏附的作用，直徑為80 nm的納米管表面可以抑制細(xì)菌黏附和生物膜的形成[15,16]。因其可以減少細(xì)菌粘附，降低感染幾率，所以有可能成為新型簡便的抗菌修飾材料[17]。這些優(yōu)越的特性使得TiO2納米管成為骨科材料研究的熱點(diǎn)。

5 TiO2納米管在骨科的應(yīng)用研究

TiO2納米管在骨科的研究目前大致分為兩個(gè)領(lǐng)域：一方面是 TiO2納米管組織相容性的研究，即與骨融合、促進(jìn)骨生長的研究；另一方面是TiO2納米管表面改性的研究，即載藥、載金屬離子、抗感染、抗腫瘤等的研究。兩方面的研究相輔相成。

5.1 TiO2納米管的組織相容性研究

據(jù)報(bào)道，在鈦納米管表面，成骨細(xì)胞的生長能力較普通鈦金屬表面提高了300%～400%，并且納米管有提高成骨細(xì)胞活性和鈣質(zhì)沉積的作用[14]。Popat等[18]研究表明，TiO2納米管可顯著促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖、堿性磷酸酶活性表達(dá)。TiO2納米管的管徑大小影響著成骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化、凋亡等細(xì)胞學(xué)行為[19]，管徑小時(shí)可以促進(jìn)其粘附和生長，管徑大時(shí)可以使干細(xì)胞形態(tài)變長并增強(qiáng)成骨細(xì)胞的分化能力。直徑30 nm時(shí)，干細(xì)胞易于粘附，孔徑增大到100 nm時(shí)，細(xì)胞粘附能力下降，成骨能力增強(qiáng)。顧昕等[10]研究表明，鈦納米材料表面與成骨細(xì)胞有良好的生物相容性，可以促進(jìn)材料與原生骨的骨整合，從而加強(qiáng)內(nèi)置物的骨融合穩(wěn)定性。

5.2 TiO2納米管表面改性研究

研究者們利用納米管材料的較強(qiáng)載物和吸附能力，負(fù)載各種物質(zhì)，以達(dá)到良好的抗菌、抗腫瘤和骨融合效果。目前研究集中在：金屬元素?fù)诫s，如常見的Ag（見圖4A,4B[20]）、Zn、Gu等；載抗菌劑，如常見的慶大霉素、萬古霉素、硝酸鎵（見圖4C，4D[21]）等；載抗菌肽；載抗腫瘤藥物，如阿霉素、五氟尿嘧啶等；載生長因子等。

圖 4，TiO2納米管表面載物的 SEM 照片：（A，B）載銀顆粒[20]；（C，D）載慶大霉素[21]。

5.2.1 金屬元素?fù)诫s

銀、鋅等抗菌金屬顆粒均可以摻雜TiO2納米管并起到一定的抗菌效果，其中銀能有效抑制細(xì)菌附著和生長，并且影響成骨細(xì)胞和上皮細(xì)胞的活性[22,23]，因此TiO2納米管載銀顆粒成為研究的熱點(diǎn)，常見的負(fù)載銀的方法有簡單的物理吸附、光還原、電沉積、納米銀顆粒原位置換等方法。有報(bào)道，用18 V電壓下制備的TiO2納米管載入納米銀顆粒能在3天內(nèi)有效抑制金黃色葡萄球菌的黏附與增殖[24]。有研究表明，銀摻雜的 TiO2納米管殺菌能力取決于涂層的 Ag-TiO2尺寸特性，直徑20 nm的納米銀顆粒摻雜在直徑為100 nm的TiO2納米管中，具有最高的抗菌活性[25]，并且不會導(dǎo)致明顯的細(xì)胞毒性[26]。Zn摻雜的TiO2納米管通過調(diào)節(jié)納米管的直徑與長度，也具有良好的內(nèi)在抗菌性能，可以防止術(shù)后感染[27]。

5.2.2 載抗菌劑

頭孢菌素、米諾環(huán)素、羧芐青霉素、阿莫西林、妥布霉素和萬古霉素等已被用于抗菌內(nèi)植物涂層[28]，其中慶大霉素是研究較多的藥物，其為廣譜抗生素，并對骨科常見的金黃色葡萄球菌敏感。研究表明，在80 nm和120 nm直徑的TiO2納米管中載入慶大霉素，與未載慶大霉素的TiO2納米管相比具有更好的抗表皮葡萄球菌效果[29]。與普通的鈦片相比，載慶大霉素的 TiO2納米管和未載藥的 TiO2納米管能夠顯著促進(jìn)細(xì)胞附著、增殖、擴(kuò)散及成骨分化[11]。硝酸鎵為一種新型的抗菌劑，其為三價(jià)鎵鹽，鎵離子可以競爭性抑制細(xì)菌形成過程中所需的鐵離子，從而影響細(xì)菌代謝，起到抗菌的效果。研究表明，用硝酸鎵涂膜的 PVC（Polyvinyl chloride）材料可抑制銅綠假單胞菌的生長和生物膜的形成[30]。硝酸鎵具有顯著抑制大腸桿菌的生長和自動聚集的作用，當(dāng)載有硝酸鎵的鈦片浸泡在人血清中，并在37℃孵育后，表現(xiàn)出顯著的抗菌活性，并可以持續(xù)28天[31]。因此硝酸鎵涂層的植入物可以抑制表面細(xì)菌定植。

5.2.3 載抗菌肽

抗菌肽為一種多肽類的抗菌物質(zhì)，目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的抗菌肽有1200余種[32]，根據(jù)抗菌肽的二級結(jié)構(gòu)可以將其分為4種類型：帶有 螺旋結(jié)構(gòu)的線性肽，折疊肽，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的肽和片層結(jié)構(gòu)的肽[33]。將抗菌肽 HHC-36用物理方法負(fù)載到 TiO2納米管上，測試對革蘭氏陽性菌、金黃色葡萄球菌抗菌活性，培養(yǎng)4 h后負(fù)載抗菌肽的納米管的表面能有效地殺死細(xì)菌和降低細(xì)菌總數(shù)，其藥物釋放時(shí)間緩慢，釋放曲線從4 h至7天[34]。

5.2.4 載抗腫瘤藥物

由于 TiO2納米管具有較高的比表面積和優(yōu)良的表面活性，有研究將阿霉素、五氟尿嘧啶等抗腫瘤藥物負(fù)載到二氧化鈦納米管上并探討其體外的負(fù)載、釋放與抗腫瘤的作用。結(jié)果 顯示，抗癌藥物阿霉素可以用物理吸附的方法載入TiO2納米管并可以通過調(diào)節(jié)緩釋液的pH值來調(diào)節(jié)其釋放，體外研究表明阿霉素負(fù)載于 TiO2納米管的最佳負(fù)載質(zhì)量濃度為0.7 mg/mL，最佳負(fù)載時(shí)間為24 h，載藥量可達(dá)到40%[35]，在 pH值=3的條件下，阿霉素最終釋放率可以到達(dá)75%以上。有研究表明，負(fù)載五氟尿嘧啶的 TiO2/ZnS納米管具有理想的藥物釋放動力學(xué)，它具有選擇性的殺傷腫瘤細(xì)胞的能力[36]。由此可見TiO2納米管是一種很有前景的抗腫瘤藥物的載體。

5.2.5 重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（rhBMP-2）

rhBMP-2有顯著的成骨誘導(dǎo)能力，現(xiàn)已被應(yīng)用于外科整形手術(shù)誘導(dǎo)骨再生。rhBMP-2修飾的 TiO2納米管可以提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）的分化能力，TiO2納米管為載體，以羰基二咪唑（CDI）為活性中間體，可以通過化學(xué)偶聯(lián)方式接枝rhBMP-2，這種化學(xué)偶聯(lián)的方式不僅有利于提高細(xì)胞生物活性，負(fù)載的生物活性物質(zhì)的緩釋效應(yīng)還能為骨整合提供充分的愈合時(shí)間[37-39]。

6 TiO2納米管存在的問題與展望

雖然國內(nèi)外對TiO2納米管做了大量的研究，但目前TiO2納米管臨床應(yīng)用研究還比較欠缺，沒有公認(rèn)的較穩(wěn)定的TiO2納米管材料被應(yīng)用于臨床。制備結(jié)構(gòu)均一、穩(wěn)定的 TiO2納米管還需要開展大量的材料學(xué)研究。TiO2納米管在骨科領(lǐng)域的研究多局限于體外研究，很多研究結(jié)果不能反映體內(nèi)的實(shí)際情況。在TiO2納米管涂層、載藥方面，其藥物載入量、釋放的調(diào)控性、穩(wěn)定性均存在局限性。綜上所述，雖然目前對TiO2納米管的研究還存在不足，但其制備簡單、成本低廉、無毒，且具有良好載藥、抗菌和生物相容的性能，是具有發(fā)展前景的骨科植入材料，具有良好研究價(jià)值。

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