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1、军医进修学院;解放军总医院 博士学位论文 纳米抑菌与抗菌内植物的研发 姓名：张巍 申请学位级别：博士 专业：骨外科 指导教师：张伯勋;唐佩福 20090525 军医进修学院博士学位论文 纳米抑菌与抗菌内植物的研发 中文摘要 骨科内植物在推动骨科发展的同时，也增加了内植物感染的风险。内置 物感染是骨科手术后灾难， 生的并发症，不但给国家和个人造成巨大的经济损 失，也对骨科医生提出了巨大挑战。 由于内置物感染发生在生物材料与周围组织的界面，而且细菌贴附是感 染的始动因素，因此在内置物表面进行抗茵或抑菌修饰成为新的治疗和预防 策略。从理论上讲，内置物表面修饰后，局部形成抗菌或抑菌的微环境，可 以减少
2、细菌的贴附，提高自身免疫力和抗菌素杀灭细菌的能力。 目的： 为了降低内植物感染的发生，首先解决细菌在内植物表面种植、贴附这 一始动环节。通过分析不同亲疏水表面对细菌贴附影响的作用机理，提出了 降低内植物表面亲水程度，形成超疏水表面的设计方案，并验证其抑茵效果。 同时，在钛金属表面构建载体层，负载有效抗菌素，观察其抗菌效果。 材料和方法： 1 通过电化学阳极氧化法在钛金属表面构建T i 0 2 纳米管阵列薄膜 2 通过X 射线能谱( E D S ) 、X 射线衍射( X R D ) 、扫描电镜( S E M ) 和 接触角( C A ) 仪分析T i 0 2 纳米管阵列薄膜的表面构成、晶体结构、
3、表面形 貌以及表面浸润性 3 通过自组装的方法，在T i 0 2 纳米管阵列薄膜的基础上修饰低表面能物 质，构建了钛金属超疏水表面 4 通过接触角分析自组装后钛金属表面的超疏水性 5 通过体外抑菌试验，比较了不同表面对细菌贴附的影响，观察超疏水 表面的抑菌效果 6 通过药物的吸附和释放实验，观察T i 0 2 纳米管阵列薄膜的吸附性能 7 体内和体外抗菌试验，观察载药T i 0 2 纳米管阵列薄膜的抗菌效能 结果： 表面形貌：在含氟溶液中，通过控制反应电压、反应时间等参数，可以在 军医进修学院博士学位论文 含钛金属的表面制备出形态规则，均匀一致管状结构，形成丛林状纳米管阵 列 结构表征：纳米管
4、阵列仅由钛元素和氧元素构成，不合任何其它元素。 通过热处理可以改变T i 0 2 纳米管的晶型，加热到4 5 0 “ C , 舌，由无定型转变成 锐钛矿型。钛金属表面氧化成纳米管阵列后，其表面亲水性增加，接触角由 原来的8 0 4 04 - 1 5 0 下降到4 8 6 04 - 1 0 0 ，和2 0 2 04 - 2 7 0 。 超疏水表面抑菌效果：在T i 0 2 纳米管阵列表面修饰低表面能物质P E T S ， 其接触角可以达到1 5 6 04 - 1 O o 。体外抑菌试验证明：相对于亲水和普通疏水 表面，其抑菌程度可以降低5 0 9 0 ，能够有效降低细菌贴附。 T i 0 2 纳
5、米管载药和释放：T i 0 2 纳米管有强大的吸附能力，可以将万古霉 素和妥布霉素吸附到管内但是从释放角度考察，抗菌素释放较少，释放的 时间不规律，需要进一步探索研究。 载药T i 0 2 纳米管抗菌实验：体外实验证明，载药T i 0 2 纳米管可以减少 细菌贴附，相对于为载药组减少贴附程度达到5 0 。动物实验证明，在适当 浓度，载药T i 0 2 纳米管可以改善骨感染和骨髓炎临床症状。核素骨扫描：股 骨下端感兴趣区，载药侧放射性计数明显低于对照侧。M i c r oC T ：明确观察 到对照侧，皮质骨破坏和骨膜反应，而载药侧不明显。病理结果与M i c r oC T 结果一致，对照侧骨髓感
6、染程度、皮质骨破坏和骨膜反应程度明显高于载药 侧。 结论： 1 电化学阳极氧化法在钛金属表面构建了 r i 0 2 纳米管阵列薄膜。 2 在T i 0 2 纳米管阵列表面，可以形成超疏水表面，并且能大大降低细菌 的贴附和种植。 3 T i 0 2 纳米管吸附能力强大，可能成为新型药物载体，吸附有效抗菌素 治疗或者预防内植物感染 关健词：阳极氧化，纳米管，超疏水，释放，抑菌，抗菌 2 军医进修学院博士学位论文 S t u d y o nn a n o m e t e rb a c t e r i o s t a t i co ra n t i b a c t e r i a li m p l a
7、 n t s A b s t r a c t T h o u g hi m p l a n t sp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fo r t h o p e a d i c s ，i ti n c r e a s e st h e r i s ko fi n f e c t i o n T h ec o m p l i c a t i o no fi n f e c t i o nc a u s i n gb yi m p l a n t si sad i s a s t e r w h i c hl e a d st om u c hm
8、 o n e yl o s sa n dc h a l l e n g e st h ed e c i s i o no fo r t h o p e a d i s to n S u p e r f i c i a lb a c t e r i o s t a t i co ra n t i b a c t e r i a lm o d i f i c a t i o no fi m p l a n t sb e c o m e s an e wt r e a t m e n to rp r e v e n t i o nf o rt h a tt h ei n f e c t i o no
9、 c c u r sa tt h ei n t e r f a c eb e t w e e n t h ei m p l a n t sa n ds u r r o u n d i n gt i s s u e sa n db e g i n sf r o mt h ea d h e s i o no fb a c t e r i a l T h e o r e t i c a l l y , T h eb a c t e r i o s t a t i co ra n t i b a c t e r i a lm i c r o e n v i r o n m e n tf o r m i
10、 n ga f t e r t h es u r f a c em o d i f i c a t i o nr e d u c e st h ea d h e s i o n o fb a c t e r i a l ，i m p r o v i n g a u t o i m m u n i t ya n dt h ea n t i b i o t i ca b i l i t yi nb a c t e r i a l - k i l l i n g O b j e c t i v e ： I no r d e rt or e d u c et h ei n f e c t i o np
11、 r o b a b i l i t yo fi m p l a n t s ，t h ep r o b l e mo f b a c t e r i a lp l a n t i n ga n da d h e s i o no nt h es u r f a c e , t h ef i r s ts t e po fi n f e c t i o n ，i st h e f i r s to n et os o l v e A n a l y z i n gt h ea c t i o nm e c h a n i s mo fb a c t e r i a la d h e s i o
12、 nt o d i f f e r e n th y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h o b i cs u r f a c e so fi m p l a n t s ，ad e s i g np r o p o s a li s r a i s e dh e r et od e c r e a s et h es u r f a c eh y d r o p h i l i c i t ya n dt u mi t i n t o s u p e r - h y d r o p h o b i c i t y ，a n dt h e r e s u l
13、 to fb a c t e r i o s t a s i sW a sv e r i f i e da l s o M e a n w h i l e ，ac a r r i e r - s e c t i o nc a r r y i n ge f f e c ta n t i b i o t i cW a sm a d eo nt h et i t a n i u m s u r f a c ea n dt h er e s u l tw a so b s e r v e d M a t e r i a la n dm e t h o d s ： 1 U s i n gt h ee l
14、 e c t r o c h e m i s t r ya n o d i co x i d a t i o nm e t h o dt om a k eam e m b r a n e o fT i 0 2n a n o t u b ea r r a y sa tt h et i t a n i u ms u r f a c e 2 U s i n gx r a ye l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m ( E D S ) 、x r a yd i f f r a c t i o n ( X R D ) 、 s c a n n i n ge l
15、 e c t r o nm i c r o s c o p e ( S E M ) a n dc o n t a c ta n g l e ( C A ) a n a l y s a t o rt o a n a l y z et h es u r f a c ec o m p o s i t i o n 、c r y s t a ls t r u c t u r e 、s u r f a c es h a p ea n ds u r f a c e i n v a s i o no ft h em e m b r a n eo fT i 0 2n a n o t u b ea r r a y
16、 s 3 军医进修学院博士学位论文 3 U s i n gas e l f - a s s e m b l ym e t h o d ，a tt h eb a s i so ft h em e m b r a n eo fT i 0 2 n a n o t u b ea r r a y s ，t om a k eas u p e r - h y d r o p h o b i cs u r f a c eb ym o d i f y i n gt h es u r f a c e w i t ha h y p o - e n e r g ym a t e r i a l s 4 A n a l y i n gt h es u p e r - h y d r o p h o b i c i t yo f t i t a n i u ms u r f a c ea f t e rs e l f - a s s e m b l y t h r o u g haC Aa n a l y s a t o
