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国内外抗菌型生物活性羟基磷灰石涂层的研究

供稿人:瞿丽曼  供稿时间:2006-9-22   关键字:抗菌  生物活性  羟基磷灰石涂层  
由于具有与人体骨和牙齿中主要矿物质磷灰石相类似的化学组成和晶体结构,因此合成的羟基磷灰石(HA)材料具有优良的生物相容性和生物活性。采用等离子喷涂等技术在Ti或Ti合金基材上制备的HA涂层材料,兼具金属基材优良的力学性能和羟基磷灰石良好的生物活性,因而得以在骨外科和牙科手术中作为置换材料广泛应用。然而,具有良好生物活性的HA涂层亦为细菌附着提供了便利场所。牙种植体颈部暴露在口腔这个复杂的微生物环境中,其周围炎症已经成为导致种植体保存率下降的重要原因。以牙龈单胞卟啉菌、具核梭杆菌和伴放线放线杆菌为代表的革兰氏阴性厌氧菌及螺旋体是导致种植体周炎的主要微生物病因。因此,具有抗菌性HA生物涂层的研究具有重要的现实意义。近年来,有不少研究通过在HA涂层中引入相关抗菌剂以获得具有抗菌性能的生物活性HA涂层。
 
国内研究
中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌上海第二医科大学附属第九人民医院张富强等2005年研究了抗菌羟基磷灰石(HA)涂层,并对涂层的抗菌性能及生物安全性进行初步的评价。方法:应用真空等离子喷涂技术制备含磷酸锆载银抗菌剂的HA涂层,就其对牙龈单胞卟啉菌(Pg)、具核梭杆菌(Fn)及伴放线放线杆菌(Aa)的抑制作用进行表征,并分别采用MTT法和急性溶血实验检测涂层的细胞毒性和对红细胞的破坏性。结果:含抗菌剂5 wt%以上的HA涂层对Pg、Fn及Aa具有明显的抗菌作用,抗菌力大小依次为Pg>Fn>Aa。含抗菌剂的羟基磷灰石涂层的细胞毒性分级均为0或l级,没有细胞毒性:涂层的急性溶血率<5%,符合溶血实验标准要求。结论:含磷酸锆载银抗菌剂的真空等离子喷涂HA涂层具有良好的抗菌性能和生物安全性,是较有前途的种植体候选涂层材料。
 
福建师范大学化学系刘榕芳等2003年研究了在电沉积羟基磷灰石涂层的电解液中加入Ag粉,通过复合电沉积技术制备HA/Ag复合涂层,比较了不同工艺条件对涂层中Ag含量的影响,以及银对复合涂层结合强度、涂层组成和结构的影响。实验结果表明:复合涂层中Ag的含量随主盐浓度的减小、电流密度的减小和沉积时间的延长而增大。HA/Ag复合涂层经750℃烧结2h后的结合强度明显高于HA涂层,且随Ag含量的增加而提高,可达12.4MPa。当烧结温度高于75 0℃时,Ag起催化剂作用,促进HA发生了分解。同时作者研究了在含钙磷的水溶液和烟酸镀银液中,通过二次电沉积制备HA/Ag复合涂层,比较了不同工艺条件对涂层中Ag含量的影响,以及镀银对复合涂层结合强度、涂层组成和结构的影响。实验结果表明,随主盐浓度降低、电流密度减小、电沉积时间延长,涂层空隙减少,致密程度提高,涂层Ag含量相应减少;HA/Ag复合涂层的结合强度明显高于未镀银的HA涂层的结合强度;复合涂层经高温烧结后,HA起催化剂作用,促进HA分解。
 
清华大学Feng,Q.L.等用20ppm的AgNO3处理氧化铝基材上的羟基磷灰石涂层(HA)后,涂层结构为(Ag,Ca)10(PO4)6(OH)2,以上处理后该涂层展现了优异的抗菌性,可以抗大肠杆菌、假单胞菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌。用>20ppm AgNO3处理,Ag-HA涂层的细胞形态变化与HA涂层的细胞变化相似,说明在氧化铝和钛合金上含一定量银离子的Ag-HA涂层,能提供一个合适的骨骼细胞体系的培养基材。该研究表明最新发展的Ag-HA涂层具有抗菌性,同时具有生物相容性,作者认为该研究为Ag-HA涂层在生物医学中的应用提供了可能。
国外研究
韩国尚州大学研究了银掺杂对羟基磷灰石薄膜微观结钩和力学性能的影响。作者利用射频,磁溅射在ZrO2基材上沉积银掺杂羟基磷灰石薄膜,改善羟基磷灰石的生物亲和性和力学性能。按照该方法得到的羟基磷灰石薄膜,随着银含量的不同,薄膜微观结构和力学性能也变化。(Ca,Ag)/P比例的变化表明羟基磷灰石中的部分Ca2+被Ag+取代。于800℃退火后,羟基磷灰石薄膜具有纳米微晶微观结构,而银掺杂羟基磷灰石薄膜揭示了嵌入无定形基材中的微晶的形成。羟基磷灰石薄膜平均粗糙度为3-4nm,表面非常光滑,微观结构密集。随着银含量的增多,薄膜的硬度和弹性模量减小。
 
Chen W,Courtney HS认为植入修复后细菌感染是最大的并发症。研究界曾提出一些生物材料表面处理方法,以减少与植入有关的感染发生。Chen W等曾研究了共溅射含Ag-HA涂层的生物体外抗菌性和细胞毒性,方法为:同时给Ag钯提供10W和给HA钯提供300W,完成沉积,经3小时沉积后,于400℃进行4小时热处理;采用X-射线衍射,接触角测量和表面粗糙度描述涂层表面;采用表皮葡萄球菌的RP12株和金黄色葡萄球菌的Cowan I株评价Ag-HA涂层的抗菌性能,而人胚胎上腭音间叶细胞,造骨细胞先驱细胞株评价涂层生物体外细胞毒素。
 
Shirkhanzadeh M等认为生物活性材料与活骨粘结的先决条件是在骨表面上形成生物学上相当的磷灰石碳酸盐,磷灰石碳酸盐陶瓷表面可通过一系列的表面反应包括分解-沉积和离子交换转化为生物磷灰石。其采用电化学法合成不同结晶度、组分和晶体大小的磷灰石涂层,包括结晶羟基磷灰石涂层,在室温、硝酸银溶液中掺杂银离子。结果表明,磷灰石涂层中结合一定量的银离子对磷灰石碳酸盐的形成有很大作用,但不影响涂层的化学稳定性。
 
Chung RJHsieh MF等采用溶胶-凝胶法在Ti-6Al-4V基材上合成Ag或Zn修饰的HA涂层,分别用变异链球菌细菌株和人齿龈纤维原细胞(HGF-1)细胞株研究抗菌效果和生物相容性。含100ppm Ag+的HA涂层抑制变异链球菌的生长,进一步研究发现HA涂层的明显抑制区域为≥10000ppm Ag+
 
参考文献
 
1.郑学斌等,真空等离子喷涂抗菌HA涂层研究,生物骨科材料与临床研究 2005,2(5) 7-10
 
2.刘榕芳等,复合电沉积制备HA/Ag生物陶瓷涂层,硅酸盐学报 2003,6 615-619
 
3.刘榕芳等,两步法电沉积制备HA/Ag复合涂层,应用化学,2003 ,6 547-551
 
4.Cui, F. Z.等,Ag-substituted hydroxyapatite coatings with both antimicrobial effects and biocompatibility,Journal of Materials Science Letters, 1999,18(7) 559-561
 
5.Park, Sang-Shik 等,Effects of Ag-doping on microstructure and mechanical properties of hydroxyapatite films,Key Engineering Materials, 2005,277-279 113-118
 
6.Chen W等,In vitro anti-bacterial and biological properties of magnetron co-sputtered silver-containing hydroxyapatite coating, Biomaterials. 2006,27(32)5512-5517
 
7.Shirkhanzadeh MAzadegan M,Formation of carbonate apatite on calcium phosphate coatings containing silver ions,J Mater Sci Mater Med. 1998,9(7)385-91
 
8.Chung RJHsieh MF等,Antimicrobial effects and human gingival biocompatibility of hydroxyapatite sol-gel coatings,J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2006,76(1)169-78
 

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