多孔陽(yáng)極氧化鋁表面改性及其在骨修復(fù)材料中的應(yīng)用

(山東醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，山東 臨沂 276000)

生物材料是指能與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用，并能對(duì)其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再生的一類天然或人工合成的特殊功能材料，又稱生物醫(yī)用材料。傳統(tǒng)的無(wú)生命的醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等常規(guī)材料在作為硬組織植入身體時(shí)，它們與骨組織之間屬于機(jī)械嵌連，沒(méi)有形成牢固的化學(xué)骨性結(jié)合，容易導(dǎo)致松動(dòng)脫落?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)正向再生和重建被損壞的人體組織和器官方向發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)與工程面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在目前的研究中，惰性生物材料表面改性是一種有效的活化生物材料表面的方法，通過(guò)運(yùn)用材料與生物體之間的有利條件、抑制不利因素等方式，使其自身特性與材料表面的生物活性結(jié)合起來(lái)，為生物材料的應(yīng)用拓展了廣闊的空間。

1 多孔陽(yáng)極氧化鋁簡(jiǎn)介

鋁的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜(Porous anodic alumina，PAA)是高純鋁片在一定溫度下經(jīng)熱處理后，在酸性較強(qiáng)的能夠溶解氧化鋁的多質(zhì)子酸(如硫酸、磷酸、草酸)中經(jīng)電化學(xué)陽(yáng)極氧化處理得到的自組織生長(zhǎng)的Al2O3多孔薄膜，其結(jié)構(gòu)可被形容為一種密堆積排列的圓柱形晶胞，每個(gè)晶胞包含一個(gè)中心孔，呈六角形高度有序排列，分布均勻且取向一致，分布密度高(109～1011個(gè)/cm2)，且都垂直于基體表面，不同類型的電解液對(duì)PAA的形貌結(jié)構(gòu)和胞孔大小有較明顯的影響，具有可控性。因此，可以根據(jù)需求選擇不同類型的電解液，得到不同孔徑(5～420nm)的納米孔道。PAA納米孔洞的深度可以通過(guò)控制電解液濃度、電流密度、溫度、氧化時(shí)間以及電壓等參數(shù)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而得到不同縱橫比的納米孔道。

PAA的制備一般包括溫和陽(yáng)極氧化法、硬質(zhì)陽(yáng)極氧化法和兩步陽(yáng)極氧化法。由于PAA膜的多孔結(jié)構(gòu)，其經(jīng)常被用作理想的制備納米材料的模板。目前，已有研究人員利用PAA模板成功制備了碳納米管、金屬納米線等各種納米材料，極大促進(jìn)了PAA在納米材料中的研究和發(fā)展。

2 多孔陽(yáng)極氧化鋁的表面功能性改性

在生物醫(yī)用領(lǐng)域，PAA常作為醫(yī)用外科金屬種植體(如鈦及鈦合金)的表面涂層。Briggs等[1]通過(guò)陽(yáng)極氧化法在鈦合金表面制備出納米多孔鋁層，其表面的Al2O3層降低了鈦合金表面摩擦，并且能阻止鈦離子溶解進(jìn)入人體。進(jìn)一步研究表明，改變多孔陽(yáng)極氧化鋁孔徑的大小可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)在材料表面的吸附力，進(jìn)而控制細(xì)胞的黏附、分化、礦化等行為。2013年，Brüggemann 證明PAA表面的納米多孔結(jié)構(gòu)可以為細(xì)胞生長(zhǎng)提供良好的結(jié)構(gòu)界面，其可控的孔徑尺寸、孔深度以及孔間隙為細(xì)胞的粘附和增殖提供了良好條件；有研究表明，相比于無(wú)納米結(jié)構(gòu)的表面，成骨細(xì)胞(MC3T3-E1)在PAA表面具有更好的相容性，更能促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)[2]。因此，PAA具有良好的細(xì)胞相容性，這決定了其在生物材料領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。

PAA最重要的特點(diǎn)是其多孔性，通過(guò)有效的方法在其孔道中沉積功能性物質(zhì)，可以得到各種功能性材料。因此，PAA可以為生物活性物質(zhì)提供優(yōu)良載體，裝載有生物活性物質(zhì)的PAA在生物體內(nèi)可以與組織形成化學(xué)鍵合，克服PAA的生物惰性，從而賦予PAA具有特殊的生物學(xué)功能。2006年，有研究成功的將羥基磷灰石(HA)填充進(jìn)PAA納米孔洞內(nèi)，構(gòu)建出HA/PAA生物復(fù)合涂層，這為PAA在骨修復(fù)材料中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2009年，Walpole等[3]研究了MG63成骨細(xì)胞在填充了硅納米顆粒的陽(yáng)極氧化鋁表面的生長(zhǎng)狀況，并且提出假設(shè)，如果在陽(yáng)極氧化鋁孔洞中填充合適的生物活性物質(zhì)，可以得到某種新型生物材料，從而解決目前存在的骨移植后骨結(jié)合不緊密的難題。筆者目前的研究表明，通過(guò)超聲輔助的減壓浸漬的方法可以使CaO-SiO2生物活性玻璃填充到PAA納米孔道中，在模擬體液(SBF)中能夠?qū)崿F(xiàn)離子緩釋并能誘導(dǎo)類骨磷灰石形成，從而可以獲得具有較好成骨生物活性和離子緩釋性能的CaO-SiO2/PAA復(fù)合生物材料，這為臨床醫(yī)學(xué)中骨修復(fù)材料的研究提供了依據(jù)。

3 多孔陽(yáng)極氧化鋁表面抗菌性改性

以上論述表明，PAA有望作為生物材料植入生物體內(nèi)用于骨組織缺損修復(fù)，但在實(shí)際的臨床應(yīng)用中，很難攻克的一個(gè)難題是植入體引起的感染，造成脫位，關(guān)節(jié)松動(dòng)，最終導(dǎo)致植入失敗。因此，對(duì)植入物進(jìn)行表面抗菌改性成為臨床醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵。有研究表明，在生物材料表面進(jìn)行生物抗菌改性包括兩種方式：一種是涂層材料本身的結(jié)構(gòu)和組成可以抑制或殺死細(xì)菌；另一種是在材料中添加抗菌藥物，通過(guò)實(shí)現(xiàn)藥物緩釋達(dá)到殺菌的目的。而近幾年的研究中，無(wú)機(jī)抗菌劑在生物材料表面中的應(yīng)用越來(lái)越廣，Ag+、Hg2+、Cu2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+、Pb2+、Co4+、Zn2+以及Fe3+等都是常用的無(wú)機(jī)抗菌離子，其中Hg、Cd、Pb及Cr毒性較大，Ni與Co不能得到白色粉末，不宜工業(yè)化，故用作殺菌劑的金屬主要為Ag、Cu、Zn。

現(xiàn)階段，Ag+在無(wú)機(jī)抗菌劑的應(yīng)用中最為廣泛，但Bai等[4]的研究表明，銀在具有抗菌性的同時(shí)也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的細(xì)胞毒性；同階段，Wu等[5]選用抗菌劑銅摻雜在生物玻璃中，制備出了具有抗菌性能且能誘導(dǎo)骨生成的生物支架。Cu2+在無(wú)機(jī)抗菌離子中是化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境安全性較好的離子，和其他金屬離子一樣，Cu2+通過(guò)抑制蛋白質(zhì)的合成過(guò)程使蛋白質(zhì)失活，從而引起細(xì)菌死亡，并且Cu2+在微生物體內(nèi)阻礙遺傳信息的復(fù)制，包括DNA、RNA的合成等，通過(guò)抑制微生物分裂增殖使細(xì)菌死亡。另外，有研究表明，Cu2+不僅具有良好的抗菌性，還可以促進(jìn)新血管的生成[6]，促進(jìn)MG63的增殖[7]，以及促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞、骨髓基質(zhì)細(xì)胞等的增殖[5]，表現(xiàn)出良好的細(xì)胞相容性。目前，筆者通過(guò)溶膠-凝膠法設(shè)計(jì)出CaO-SiO2-CuO三元體系的生物活性玻璃，并將其裝載入PAA的孔道中，獲得了既能誘導(dǎo)類骨磷灰石沉積又具有抗菌功能的復(fù)合生物材料，這為新型人工植入材料的表面功能化設(shè)計(jì)提供了可能。

4 總結(jié)

綜上所述，PAA膜因其較好力學(xué)性能和生物安全性，在骨修復(fù)材料領(lǐng)域已經(jīng)獲得科學(xué)家的青睞，其可裝載生物活性物質(zhì)的納米孔道為其在生物材料領(lǐng)域的發(fā)展提供了更大的空間。另外，結(jié)合抗菌劑的使用，將使PAA在臨床中發(fā)揮重要的醫(yī)用價(jià)值。目前，我國(guó)人工骨植入材料大部分還需要依賴進(jìn)口，而我國(guó)作為人口大國(guó)，在老齡化加劇的情況下，人工骨的需求越來(lái)越大。雖然已出現(xiàn)一些可用的新型材料，但大部分還在體外實(shí)驗(yàn)階段，期望發(fā)掘新型材料的同時(shí)能夠積極推進(jìn)動(dòng)物及體內(nèi)臨床實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步改善材料自身的缺陷，獲得理想的骨修復(fù)材料。