发布日期：2025-8-20 16:43:09
文献报道骨科置入物感染的发生率为1%~10%，其中脊柱手术和骨折内固定术后感染发生率可能高达20%［1-2］。一旦发生感染，患者往往需要经历长期而复杂的治疗，包括抗生素治疗、手术清创甚至取出置入物，这不仅增加了患者的心理和经济负担，也严重影响了患者的生活质量［3］。骨科置入物表面抗菌修饰涂层是目前研究的热点之一，其目的是降低术后感染的风险，提高置入物应用的成功率［4］。钛纳米管（TiO2-NTs）因其独特的物理化学性质，在生物医学领域尤其是骨科置入物的应用中显示出巨大潜力。
TiO2-NTs 的研究已经取得了显著进展，被广泛应用于光催化、制氢、染料敏化、太阳能电池等领域［5］。 TiO2-NTs在骨科领域的研究和应用主要集中在以下几个方面：①TiO2-NTs 的高比表面积和多孔结构为骨细胞提供了更多的附着点，从而促进骨整合；TiO2-NTs表面可以进行化学修饰，以增强其与骨组织的结合能力［6］；②TiO2-NTs除了本身具有抑制细菌粘附作用外，还可以通过装载抗菌药物预防和治疗骨科置入物相关的感染［7］，载药系统可以通过控制药物释放实现长期抗菌效果；③TiO2-NTs 的管状结构使其成为理想的药物载体，可以装载成骨生长因子促进骨组织生长和修复；TiO2-NTs还可以通过智能控释系统，根据局部环境变化（如 pH 值变化）来调节药物释放速度［8-9］；④TiO2-NTs 具有良好的生物相容性，可减少炎症反应和免疫排斥［5］；⑤TiO2-NTs可以增强置入物的机械性能，如硬度和耐磨性，这对于承受高负荷的骨科置入物尤为重要［5］。聚维酮碘展现出广泛的杀菌谱、高效的灭菌速度、低毒性特征，对组织刺激性微
弱，具备出色的组织渗透能力及持久的药效，因此在临床中得到了广泛应用［10］。Shirai等［11］已经证明了碘涂层内置物的抗菌性能和生物相容性。因此，本研究通过阳极氧化法对骨科钛合金板进行表面修饰生成钛纳米管，再用电泳沉积法对修饰后的钛板表面进行碘负载，拟研制一种具有抗菌涂层的钛合金内置物， 报道如下。
1、材料与方法
1.1 钛纳米管涂层的制备
制备0.5 wt%的氟化铵甘油电解液，将 25 mL 去离子水与 250 mL 甘油溶液混合，随后向该混合液中加入 1.25 g的氟化铵晶体以完成电解液的配制。将钛合金板（长 3.0 cm，宽 1.0 cm，厚0.3 cm）连接阳极电极线，铂片（长3.0 cm，宽1.0 cm，厚 0.1 cm）连接阴极电极线，间隔为 2 cm，温度 25 ℃，转速 90 次/min，电压 70 V，阳极氧化时间 10 h。扫描电子显微镜观察钛纳米管生长情况。
1.2 电泳沉积法进行碘的负载
配制 2 000 ppm 聚维酮碘水溶液（1 ppm=1 mg/kg=1 mg/L），将钛合金板充当阳极，铂片作为阴极，在200 V电压下运行30 min。
取出钛合金板，利用蒸馏水通过超声波清洗 10 min，随后进行干燥处理，最终制成了表面含碘纳米管涂层 的钛板。扫描电子显微镜观察含碘的钛纳米管涂层，EDS能谱仪分析涂层中碘的分布和含量。
1.3 体外抗菌试验
将 3 块未处理的钛合金板作为对照组，3 块载碘钛纳米管涂层的钛板钛合金板作为
I-TIO2组，采用环氧乙烷低温熏蒸消毒。选取金黄色葡萄球菌标准菌株（ATCC25923），浓度 106 CFU/mL。
将钛合金板浸没于金黄色葡萄球菌标准菌株悬液中，在 37 ℃下保温 6 h 后取出。将钛板取出后先用 5 mL磷酸盐缓冲液冲洗，然后将处理过的钛合金板转移至一个新的无菌培养皿中，向培养皿内加入 10 mL无菌生理盐水，确保钛合金板完全浸没在盐水中。利用超声震荡装置对钛合金板进行震荡处理，彻底去除其表面的细菌。将震荡脱落的细菌悬液稀释至原浓度的1/10 000，从中取 100 μL 均匀涂布于琼脂培养基上，在37 ℃条件下进行培养，24 h后对培养基上的菌落进行观察和计数。
1.4 统计学方法
数据采用SPSS 21.0软件进行统计学分析，服从正态分布与方差齐性的计量资料数据以均数±标准差（x±s）表示，组间比较采用两独立样本 t检验，以P<0.05为差异有统计学意义。
2、结果
阳极氧化法制备的钛纳米管涂层外观呈现淡蓝色，表面光滑；用扫描电子显微镜放大5 000倍观察到钛合金表面生长一层致密的纳米管结构，分布大致均匀，纳米管直径为 210~240 nm，纳米管厚度大约 4 μm（图 1）。电泳沉积后，肉眼观钛合金板下段表面附着一层棕黄色颗粒状涂层，大致均匀，结构稳定，超声震荡清洗膜层结构无脱落；扫描电子显微镜放大 20 000倍观察纳米管表面沉积一些晶体结构，结合紧密，沿管口和管周分布（图 2）。采用 EDS 能谱仪分析钛合金板表面元素含量，明确碘元素负载，碘元素含量为1.55 wt%。涂层表面元素含量依次为钛（53.83 wt%）、氧（28.99 wt%）、氟（7.81 wt%）、铝（3.33 wt%）、碳（2.56 wt%）、钒（1.92 wt%）、碘（1.55 wt%）。对照组琼脂培养基中菌落计数为104.66±8.32，I-TIO2组菌落计数为72.66±15.01；I-TIO2组细菌计数较对照组少，差异有统计学意义（t=3.180，P=0.020）。
3、讨论
现阶段骨科内置物材料以钛合金为主，钛合金材料有着良好的生物相容性和独特的物理特性，这些特点满足了临床应用的需要。钛是惰性金属，细菌表面粘附聚集也成为假体周围感染难治的原因之一［12-13］。
钛合金内置物表面抗菌处理办法最常用的就是表面修饰和表面涂层［14］。钛纳米管是一种钛表面改性技术，形成的纳米级结构展现出膜层稳定、多孔且排列有序的特点，有效增加了表面积并保持了整齐的阵列结构。阳极氧化法因工艺简单、成本效益高、能生成高度有序的纳米管阵列且与钛基底结合紧密，已成为广泛应用的制备手段［15］。体外实验证实了钛纳米管对体外矿化过程的促进作用及成骨诱导能力，而体内研究表明，相较于微米级二氧化钛喷砂表面，钛纳米管在生物力学性能和组织相容性方面均表现出优越性，同时自身具备抑制细菌附着的能力，经过改性后的钛纳米管对人体产生的毒性反应更低［16］。钛纳米管抑制细菌粘附的作用主要是通过产生活性氧的方式来杀灭细菌，也有文献报道通过光的催化机制抗菌［17-18］。
综合上述特点，笔者采用阳极氧化法在钛合金板表面制备出钛纳米管阵列，通过不断调整电压参数、阳极氧化的时间、氟化铵甘油体系的浓度，最终确定在 0.5 wt%甘油体系中施加 70 V 电压并作用 10 h，获得纳米管阵列参数为直径210~240 nm，高度4.2 μm，此时钛纳米管形态最稳定且排列最有序。通过不同时间段扫描电子显微镜下观察纳米管生长的形态特点，笔者发现该体系下钛纳米管在钛合金板表面形成出现、聚集、生长、成熟四个阶段。体外金黄色葡萄球菌抗菌试验也证实了笔者制备的钛纳米管阵列相对于普通的钛板具有更好的抑制细菌粘附的作用。钛纳米管在不同体系下制作出来的直径、长度不同，管越长则涂层的厚度越大，不同厚度的纳米管对光的折射角度不同，外观颜色也不一样［19］，而本研究中笔者制作的纳米管涂层外观呈现蓝色。通过阳极氧化法制备的钛纳米涂层属于钛合金板表面理化性能修饰产生的抑制细菌粘附阻碍涂层，但是其抗菌特点仍无法满足大部分临床需求。鉴于纳米管具有载药功能，可以寻找一种安全性好、低毒性药物负载于纳米管内。聚维酮碘由聚维酮与碘络合而成，其中有杀菌作用的成分是碘。碘元素展现的抗菌特性主要是通过干扰细菌的细胞功能和结构完整性，促使细菌细胞发生变性并失去活性［20］。实验研究结果表明，碘对于多种病原体具有显著的抗菌效果，对细菌、真菌、病毒、孢子、阿米巴囊虫均具有杀灭作用，而且能够减轻宿主的炎症反应［21］，有效对抗导致医院感染的多种耐药菌株［22-24］。笔者结合碘的特点采用电泳沉积法在钛纳米管表面进行碘负载，能谱分析及元素定量显示碘成功负载于钛纳米管表面，其含量为 1.55 wt%；体外抗菌试验结果显示，含碘钛纳米管涂层的钛合金板抗菌性能优于普通钛合金板。
此外，笔者也试图通过增加电解液聚维酮碘的浓度、改变电压、延长作用时间等方式以提高涂层表面碘的含量，但是结果不理想，改变电压或延长电泳时间会导致纳米管的厚度不断增加，电阻不断增大，工作电流随之降低，最终会导致膜层结构脱落，碘的含量反而降低。
综上所述，利用阳极氧化法在钛合金板表面制备纳米管涂层，再用电泳沉积法实现了碘的负载，联合两种钛合金内置物表面改性方法制备的含碘钛纳米管涂层的膜层结构稳定、抗菌性能良好，为骨科抗感染内置物的研发提供了新的理论基础。本研究介绍的工艺相对简单，可重复性强，具有一定的应用前景。
然而，本研究仅在体外验证了含碘钛纳米管涂层的钛合金板抗菌性能、细胞的毒性作用，体内抗菌性能及
生物相容性结果有待进一步验证。
参考文献
[1] Mauffrey C. On patient safety：infection prevention in orthopaedics：pearls and pitfalls of a global perspective[J]. Clin Orthop Relat Res，2017，475（6）：1549-1552.
[2] Dvorak JE，Lasinski AM，Romeo NM，et al. Fracture related infec⁃tion and sepsis in orthopedic trauma：a review[J]. Surgery，2024，176（2）：535-540.
[3] Kapadia BH，Berg RA，Daley JA，et al. Periprosthetic joint infection[J]. Lancet，2016，387（10016）：386-394.
[4] Ahmadabadi HY，Yu K，Kizhakkedathu JN. Surface modification ap⁃proaches for prevention of implant associated infections[J]. ColloidsSurf B Biointerfaces，2020，193：111116.
[5] Jafari S，Mahyad B，Hashemzadeh H，et al. Biomedical applicationsof TiO2 nanostructures：recent advances[J]. Int J Nanomedicine，2020，15：3447-3470.
[6] Zhao Xijiang，You Linna，Wang Tao，et al. Enhanced osseointegra⁃tion of titanium implants by surface modification with silicon-dopedtitania nanotubes[J]. Int J Nanomedicine，2020，15：8583-8594.
[7] Niu Xufeng，Sun Lei，Zhang Xiaolei，et al. Fabrication and antibac⁃terial properties of cefuroxime-loaded TiO2 nanotubes[J]. Appl Mi⁃crobiol Biotechnol，2020，104（7）：2947-2955.
[8] Fathi M，Akbari B，Taheriazam A. Antibiotics drug release control⁃ling and osteoblast adhesion from titania nanotubes arrays using silkfibroin coating[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl，2019，103：109743.
[9] Park J，Cimpean A，Tesler AB，et al. Anodic TiO2 nanotubes：tai⁃loring osteoinduction via drug delivery[J]. Nanomaterials（Basel），2021，11（9）：2359.
[10] Barreto R，Barrois B，Lambert J，et al. Addressing the challengesin antisepsis：focus on povidone iodine[J]. Int J Antimicrob Agents，2020，56（3）：106064.
[11] Shirai T，Tsuchiya H，Terauchi R，et al. Iodine-supported im⁃plants in prevention and treatment of surgical site infections for compromised hosts：a prospective study[J]. J Orthop Surg Res，2023，18（1）：388.
[12] Barfeie A，Wilson J，Rees J. Implant surface characteristics and their effect on osseointegration[J]. Br Dent J，2015，218（5）：E9.
[13] Oliveira WF，Arruda IRS，Silva GMM，et al. Functionalization of titanium dioxide nanotubes with biomolecules for biomedical appli⁃cations[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl，2017，81：597-606.
[14] Chouirfa H，Bouloussa H，Migonney V，et al. Review of titanium surface modification techniques and coatings for antibacterial appli⁃cations[J]. Acta Biomater，2019，83：37-54.
[15] Li Yuehong，Yang Yue，Li Ruiyan，et al. Enhanced antibacterial
properties of orthopedic implants by titanium nanotube surface mod⁃ification：a review of current techniques[J]. Int J Nanomedicine，2019，14：7217-7236.
[16] Christaki E，Marcou M，Tofarides A. Antimicrobial resistance in bacteria：mechanisms，evolution，and persistence[J]. J Mol Evol，2020，88（1）：26-40.
[17] Noman MT，Ashraf MA，Ali A. Synthesis and applications of nanoTiO2：a review[J]. Environ Sci Pollut Res Int，2019，26（4）：3262-3291.
[18] Faraji M， Mohaghegh N， Abedini A. Ternary composite of TiO2 nanotubes/Ti plates modified by g-C3N4 and SnO2 with en⁃hanced photocatalytic activity for enhancing antibacterial and photo⁃catalytic activity[J]. J Photochem Photobiol B，2018，178：124-132.
[19] Wang Xiaohui，Chen Xue，Zhang Dainan，et al. UV radiation cu⁃mulative recording based on amorphous TiO2 nanotubes[J]. ACS Sens，2019，4（9）：2429-2434.
[20] Kanagalingam J，Feliciano R，Hah JH，et a. Practical use of povi⁃done-iodine antiseptic in the maintenance of oral health and in the prevention and treatment of common oropharyngeal infections[J]. Int J Clin Pract，2015，69（11）：1247-1256.
[21] Beukelman CJ，Van den Berg AJ，Hoekstra MJ，et al. Anti-inflam⁃matory properties of a liposomal hydrogel with povidone-iodine （Repithel）for wound healing in vitro[J]. Burns，2008，34（6）：845-855.
[22] Lepelletier D，Maillard JY，Pozzetto B，et al. Povidone iodine：properties，mechanisms of action，and role in infection control and
staphylococcus aureus decolonization[J]. Antimicrob Agents Che⁃mother，2020，64（9）：e00682-20.
[23] Sauerbrei A. Bactericidal and virucidal activity of ethanol and povi⁃done-iodine[J]. Microbiologyopen，2020，9（9）：e1097.
[24] Lanjri S，Uwingabiye J，Frikh M，et al. In vitro evaluation of the susceptibility of acinetobacter baumannii isolates to antiseptics and disinfectants：comparison between clinical and environmental iso⁃lates[J]. Antimicrob Resist Infect Control，2017，6：36.
（注，原文标题：骨科钛合金表面含碘钛纳米管抗菌涂层的制备）
tag标签:阳极氧化,电泳沉积,协同策略,钛基植入体,碘/二氧化钛纳米管,复合涂层,抗菌机理