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1、河北工业大学城市学院 毕 业 论 文 作 者： 黄伟民 学 号： 097973 系 ： 材料科学与工程 专 业： 材料成型(铸造) 题 目： 表面抗菌钛合金植入体的研究指导者： 李宝娥 副教授 评阅者： 2013 年 6 月 10 日毕业论文中文摘要题目：表面抗菌钛合金植入体的研究摘要： 本课题通过将抗菌剂（Ag）引入到钛片表面，使得钛片具有抗菌能力。本课题主要采用两种途径在钛表面进行抗菌剂的引入，即在阳极氧化产生纳米结构时就把抗菌剂Ag引入到钛的表面的一步法载银，和首先采用阳极氧化方法在钛表面制备纳米结构，然后再用电化学沉积法把AgNO3溶液中的Ag引入到钛片上的两步法载银。通过SEM、IC
2、P-OES、EDS考察载银前后，形貌与组成的变化。分析实验工艺对抗菌剂引入量的影响，并考察抗菌剂的缓释情况。关键词：钛合金 Ag 阳极氧化 抗菌剂 表面抗菌材料毕业论文外文摘要Title： on the surface of antibacterial research of titanium alloy implantsAbstract：This topic through the antibacterial agent is introduced into the implant material surface, to obtain antimicrobial type implant
3、materials. This topic mainly adopts two ways on titanium surface by the introduction of antibacterial agent, namely in the anodic oxidation produce nanostructures is antibacterial Ag were introduced onto the surface of the titanium silver one-step method, and the first anodic oxidation method is use
4、d in the preparation of nanostructured titanium surface, and then put titanium in AgNO3 solution and let stand for a certain time for two-step loading silver, silver and silver through SEM, XRD, EDS, before and after changes in the morphology and composition. Technology affects the quantity of antim
5、icrobial agent is introduced into analysis experiment, and investigating the slow release of antibacterial agent. Keywords：titanium alloy Ag Anodic oxidation antimicrobial Surface antibacterial materials 河北工业大学城市学院2013届本科毕业论文1目 次1 绪论11.1抗菌材料的简介11.1.1 抗菌材料的的定义11.1.2 抗菌材料的分类11.2抗菌材料的应用21.3抗菌材料的发展及国内外研
6、究现状31.4抗菌材料的发展趋势41.5本课题的研发意义.4 2.载银二氧化钛抗菌材料.52.1二氧化钛纳米管52.1.1二氧化钛纳米管简介52.1.2二氧化钛纳米管的制备方法62.1.3阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列 72.1.4纳米管的特点及影响形成因素82.2银系抗菌材料82.2.1银系抗菌材料简介 82.2.2银系抗菌材料的抗菌机理92.2.3银系抗菌材料中抗菌剂的特点及用途92.2.4银系抗菌材料的问题92.2.5银系抗菌材料的发展93.实验原理及试验方法103.1实验药品与仪器103.2材料的表征103.2.2.扫描电子显微镜113.2.2原子吸收光谱114.实验方案 114.1具
7、体操作步骤114.1.1阳极氧化的钛片制备124.1.2阳极氧化电解液制备124.1.3阳极氧化进行二氧化钛纳米管的制备124.1.4银离子缓释实验134.1.2钛片上细胞数量与生物相容性检测134.2实验结果与分析144.2.1钛片上纳米管的结构分析144.2.2TiO2纳米管的载银分析154.2.3银离子的缓释分析194.2.4细胞数目及生物相容性的分析.20结 论22参 考 文 献23致 谢25 1.绪论随着社会老龄化进程的加速，以及车祸等意外原因导致的骨折、骨缺损事故增多，人们对骨植入材料的需求逐年增加。钛、不锈钢等金属材料是目前应用较广的骨植入材料，然而这些金属骨植入材料与器件普遍不
8、具有抗菌性。当材料植入人体进行受损骨组织的修复与替换时，容易引入周围环境中的葡萄球菌等病原体，从而诱发术后感染。此外，植入物作为异物也有可能诱发局部免疫抑制而形成适宜病原菌生长和增殖的纤维炎症区。据报道，植入体引发的术后感染发生率高达20%1。它不仅会延长伤口的愈合时间，损害植入体的使用效果，并且严重时还可造成肢体伤残与功能障碍，甚至危及到人的生命，为了有效预防和治疗术后感染，保证植入体的正常使用，对抗菌植入体的研究应予以重视。装载于植入体表面的抗菌剂可以通过缓慢释放来使得创伤区域局部形成较高的药物浓度，从而抑制致病细菌在植入体周围黏附和生长，进而降低术后感染。同时进入血液循环的药量较少，避免
9、了抗菌剂对其它组织、器官的毒副作用2。银系离子抗菌剂具有广泛性、持久性好，抗菌活性高，安全性高(毒性小、无致癌性、无刺激性、无致畸形等)，耐热性好等优点3。为了保护人体健康，提高生活的品质，维护和改善生活以及工作的环境，研究和开发新型、高效、环保、无毒副作用和具有优异持久性并且经济实用的抗菌剂和抗菌材料将成为时代所需和当前研究人员的重要课题之一4。1.1抗菌材料的简介1.1.1抗菌材料的定义抗菌材料就是指自身具备有杀灭或者抑制微生物（真菌、细菌、藻类及病毒等）功能的一类新型功能材料。在自然界中存在许多物质本身就具有良好的杀菌或者抑制微生物的功能，例如部分带有特定基团的有机化合物部分矿物质和天然
10、物质一些无机金属材料或者其化合物。但是目前抗菌材料更多的是指通过添加一定的抗菌物质（通常称为抗菌剂）， 从而使材料具备有抑制或者杀灭表面细菌或者其他微生物能力的一类新型功能材料，例如抗菌纤维和织物抗菌陶瓷抗菌塑料抗菌金属材料等。1.1.2抗菌材料的分类5抗菌材料一般分为：无机抗菌剂，有机抗菌剂，天然抗菌剂，全材料抗菌和纳米抗菌材料。1. 无机抗菌剂无机抗菌剂是利用银、锌、铜等金属的抗菌能力，通过物理吸附，离子交换等方法，把一些金属或其离子如铜、锌、银等固定在纳米管、沸石，硅胶等一些多孔材料的表面上来制造成抗菌剂，然后把抗菌剂加入到相应的制品中从而得到具有一定抗菌能力的材料。像汞（水银）、镉、铅
11、等重金属也具有一定的抗菌能力，但是他们对人的身体有毒害作用；铜、钴、镍等离子都有颜色，他们会对产品的美观度产生影响，锌具有一定的抗菌能力，但是它的抗菌强度仅为银离子的千分之一。因此，在无机抗菌剂中占主导地位的是银离子抗菌剂。银离子类抗菌剂做为最常用的抗菌剂，其为白色细粉末状，耐热温度可以高达1300以上。银离子类抗菌剂的载体一般有磷酸锆、陶瓷、沸石、活性炭等。有的时候还会加些铜离子或者锌离子以提高其协同能力。此外无机抗菌剂还包括氧化铜、氧化锌、磷酸二氢氨、碳酸锂等一系列物质。2. 有机抗菌剂有机抗菌剂的主要品种有香草醛或乙基香草醛类化合物，常用于聚乙烯类食品包装膜中，起到抗菌作用。另外还有酰基
12、苯胺类、噻唑类、咪唑类、季铵盐类、异噻唑酮衍生物、双呱类、酚类等。目前有机抗菌剂的安全性尚在研究之中。一般来说有机抗菌剂耐热性差些，容易水解，有效期短。3. 天然抗菌剂天然抗菌剂主要是指从天然植物中提取的，例如蓖麻油、山葵、甲壳素、芥末等，使用简便，但是抗菌作用有限，耐热性较差，杀菌率低，不能广谱长效使用且数量很少。4. 全材料抗菌全材料抗菌是天津石泰集团和上海宝钢集团的首创，整体全部都采用抗菌不锈钢原材料打造，目前这个全材料抗菌已经被应用到朗维抗菌餐具，具有持久、优良的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等杀灭率均在99%以上，表面磨损后仍能保持良好抗菌性能。5. 纳米抗菌材料纳米抗菌材料是
13、指将无机抗菌剂采用高科技的纳米技术处理，使其具备有更为广泛、卓越的抗菌杀菌功能，并且通过缓释作用，提高了抗菌长效性。1.2抗菌材料的应用目前，银系无机抗菌剂主要应用在结构材制品中，如内衣、鞋里、车衬、冰箱衬等。由于它具有防霉、防腐、除臭、杀菌、预防疾病、美化环境等一系列重要功能。预计随着科学技术的发展，人民生活水平的提高、银抗菌制品将会得到广泛的应用6。目前，纳米二氧化钛抗菌材料应用的领域越来越广泛，从卫生陶瓷制品到日常穿用的纤维服装，再到家居常用的家用电器、塑料薄膜、玻璃，以及建筑用的涂料等，都已经或正在逐步采取用纳米TiO2材料抗菌防臭加工处理7.银系抗菌材料与纳米二氧化钛纳米管都有一定的
14、缺陷Ag+易氧化成Ag2O，二氧化钛易形成电子-空穴对易复合8，所以把两者结合在一起形成载银二氧化钛抗菌材料，即本文主要探讨的抗菌材料，TiO2系抗菌剂具有很高的光催化活性,并且具有耐酸碱和光化学腐蚀、成本低和无毒等优点,Ag系抗菌剂杀菌性能极强,消耗量极少,耐久性好,在人体内难以聚集,在化学上被称为“永久性杀菌剂”。因此,利用TiO2系抗菌剂和Ag系抗菌剂的优势互补,是可以开发出新型的二氧化钛载银抗菌剂的 9。把金属银离子的抗菌效果和纳米二氧化钛的光催化抗菌性能相结合所形成的载银二氧化钛抗菌材料,具有无毒、高效抗菌和无污染等特点。10它可以应用于化纤、橡胶、涂料、塑料、造纸、医药和食品包装等
15、几十个行业中,具有非常广泛的应用领域。1.3抗菌材料的发展及国内外研究现状据相关资料显示，在古代世界上就有多个国家接触或者使用抗菌材料，比如埃及金字塔中的木乃伊11。据印度佛经记载，大约4000多年前，人类就知道用铜壶盛水可防止水被污染。蒙古族人使用银制餐具盛装羊奶用以保鲜。公元前300年，希腊皇帝亚历山大带兵东征，途中遭到热带痢疾感染，许多士卒被感染而病死他乡，东征被迫终止。但是皇帝和军官们却很少染疾。后来发现贵族们的餐具是银造的而士兵餐具却是其他制品，因此人们意识到银能杀菌，银制餐具一时成为流行12。现代抗菌材料的研发始于20世纪80年代初期，而在抗菌材料的研究中日本国处于领先地位，日本在
16、20世纪80年代开始进行抗菌材料的研究，尤其是银系无机抗菌剂及其在各种材料中的应用。例如日本学者富冈敏一13利用络合-被覆法成功制备了银硅胶，其工艺过程如下。首先将醋酸银溶入水中，同时加入络合剂Na2S2O3生成络合物。然后再加入硅胶，吸附带负电的络合离子Ag(S2O3)3-，干燥后，通过溶胶凝胶法涂覆一层二氧化硅膜在其外部，通过这种方法得到的产品有较好的缓释能力和稳定性。日本大同特殊公司14将重金属离子抗菌和光触媒抗菌结合起来，开发了含银金属微粒附着于纳米级光触媒二氧化钛粉末上的复合材料，它具有银离子和光触媒抗菌的双重效果，这种超细粉末比表面积很大，光触媒特效特别大，这种复合结构材料适用范围
17、广。日本神户钢铁公司15开发出 “SPARK” 灭菌钛板,通过氧化形成二化钛光触媒表面,利用紫外线吸收能量来杀灭细菌,日本食品分析中心对其进行测试, 70%以上大肠杆菌能够在荧光灯照射30 min的情况下被杀灭,2 h后就能被全部杀灭。抗菌铝板和抗菌不锈钢与其相比灭菌时间要长得多。这种抗菌板还有除臭、防污的功能,在1-2年内需求量增加5倍,已出售2000多吨。1998年日本的抗菌材料的销售额就达到了208亿日元，所有抗菌材料的销售额高达6000多亿元，另外欧洲和美国的抗菌材料的研究虽比不上日本，但发展也取得了巨大的成就，我国的抗菌材料的研发和应用比发达国家晚，且在技术方面与发达国家相比还有很大
18、的差距，据有关资料显示如果以2001年为准，如果以100作为日本抗菌材料的份额，那么欧洲则为5，美国为1，中国仅为0.1-116，在20世纪90年代中期以前，我国的抗菌材料只是集中在涂料防腐等极少数领域，其他应用领域几乎全是空白。1720世纪90年代后期，国家开始重视抗菌材料的研发，推出了一系列产品比如中国科学院化学研究所工程塑料国家工程研究中心和海尔集团联合共同推出了系列抗菌材料，我国抗菌材料行业的发展才得以极大的促进。1.4抗菌材料的发展趋势18随着抗菌金属材料不断的深入研究，其应用的范围也越来越广泛。日本在抗菌材料的研究方面处于世界领先地位，其他国家的研究就相对差些，而我国在这方面的研究
19、和开发就相对比较落后，伴随着我国人民生活的质量和健康意识的提高，抗菌材料的需求量也会大大增加，因此，我国在开发研究抗菌材料方面压力很大任务很重，我们应该立足国情，通过对国外的产品的研究，来有效地消化吸收其技术，降低生产成本，以开发出抗菌时间长、生产批量大的对多种真菌和细菌都具有良好抗菌性的材料，包括用金属做载体的复合材料及以抗菌金属固溶态存在的抗菌不锈钢。今后要加大生物体用抗菌材料的研发力度，因为植入人工假体后，植入体周围组织会有伴生感染的危险。据有关资料显示全髋关节置换后，感染率为0.1%1%；全肘关节感染率为1%4%；一旦发生感染，就会使假体正常的功能丧失，给患者带来极大痛苦，而且常规的抗
20、生素治疗对其很难奏效。此外与金属和塑料连接膝关节的感染率相比金属跟金属相连接的膝关节假体的感染率是其感染率的20倍。因此对生物体抗菌材料的研究有着广阔的前景及意义。1.5本课题的研发意义钛、不锈钢等材料做为骨科的植入材料本身并不具有抗菌性，在骨组织修复和替换时容易引起术后感染，会给患者的生活和身体健康带来较大的影响，因此本文通过在钛表面植入像银这样的抗菌剂通过局部药物缓释预防和治疗术后骨组织感染，保证植入体的正常使用，具有很好的实用和研究意义。并且通过考察工艺参数对抗菌剂（本文抗菌剂为银）的引入量和缓释时间的影响来确定制备抗菌材料的适当的载药工艺2.载银二氧化钛抗菌材料2.1二氧化钛纳米管2.
21、1.1二氧化钛纳米管简介19二氧化钛具有很好的化学惰性、气敏和湿敏性、介电效应、良好的生物兼容性、较强的氧化能力以及抗化学腐蚀和光腐蚀的能力，作为一种重要的材料，随着近年来纳米科技的发展，TiO2纳米管将会具有更大的比表面积，更强的吸附能力。2.1.2二氧化钛纳米管的制备方法20二氧化钛纳米管纳米管的制备方法现在研究较普遍，常用的制备方法有：水热合成法、微波法、模板法、阳极氧化法等方法。（1）水热合成法法水热合成法是通过密闭的反应容器（通常用高压反应锅），采用水溶液作为反映的介质，通过给反应容器加热，形成一个高温高压的反应环境，使得一般难溶或者不溶的物质溶解并重新结晶。水热法一般分为水热沉淀、
22、水热晶化、水热氧化、水热合成、水热还原、水热分解等几类，其中水热合成法是一些氢氧化物在高温高压下水中的溶解度大于相应的氧化物溶解度，所以氢氧化物溶于水中的同时析出氧化物。但是水热合成法要在高温条件下进行，其所用设备也很复杂，并且反应时间也较长，通常要大于24小时，纳米管的直径也不均匀，孔径和管壁厚度也不好控制，生成的纳米管还要通过后续热处理才能得到所需晶型。不管作为前驱物是外购的还是自制的纳米粉都特别容易产生二次污染，考虑到前驱物纳米粉的制备周期，实际上使用该法制备纳米管需要一个较长的周期。（2）微波法微波法是在微波条件下水热合成纳米管的一种方法，这种方法是把纳米管的合成体系放置到微波辐射的范
23、围之内，通过微波对水的介电作用来进行合成纳米管的方法，和传统的水热法相比，微波水热合成法具有以下特点，例如均匀受热体系的、灵敏的反应、加热速度较快等。研究表明，利用微波水热合成法可以获得较为理想的TiO2 纳米管。吴省21等人把一定量 TiO2 粉末放入装有 50 毫升10ml/L的氢氧化钠溶液的聚四氟乙烯反应釜中，超声波震动10min来分散颗粒。然后用带有回流装置的间隙式微波炉对反应釜进行加热，通过微波的作用回流加热一段时间后，取出反应釜，分离出固体产物，利用去离子水洗涤至酸碱度 pH=7后，在进行过滤，然后真空干燥进而得到二氧化钛纳米管。微波法反应时间相对来说比较短，并且加热时各部分所受热
24、也比较均匀，但是其所制备的纳米管长度和直径都不好控制。目前通过使用微波法来制备TiO2纳米管的报道并不多，其合成机理也不是很清楚。（3）模板法模板合成法是通过结构基质作为模板合成。这种方法的主体就是合成适当结构和尺寸的模板，把各种非金属、金属或半导体材料通过化学或物理方法向模板中充填，进而获得所需特定的功能和尺寸的客体纳米结构阵列。一般模板法主要包含有硬模版法（以PAO、PAA或碳纳米管为模板）和软模板法（用有机表面活性剂作为模板），硬模版法如李晓红等22通过用PAA为模板，利用溶胶凝胶法制备出了孔径、长度和管壁厚度可以根据模板调节的二氧化钛纳米管,这种硬模版法制得的纳米管管径为100nm管壁
25、厚为10nm。这种方法制得的纳米管的管径会受到PAA模板孔径的限制。通过相关实验可知控制 PAA 模板在胶体溶液中的沉浸时间能控制二氧化钛纳米管的管径和管壁厚度，以 PAA 为模板或者以 PAO 为模板或者以有机凝胶为模板都可以产生纳米管，但是这种方法得到的纳米管的内径一般较大，生成物跟模板的分离比较困难，生成物会受到模板形貌的限制并且对模板的依赖性高，而且制造工艺复杂，重现性比也较差。软模板法如 Jung 等23通过用有机表面活性剂为模板剂和导向剂，合成了双层的二氧化钛纳米管。软模板法与硬模板法相比，尽管纳米管的大小和形状对模板孔具有依赖性的这一缺点被克服了，但是软模板法不可避免地要用高温除
26、去模板剂，这就容易造成纳米管的塌陷。模板法虽然可以大量制备形貌和规则可控的纳米管材料，但是模板法得到的纳米管的内径一般都较大，模板与生成物的分离比较困难，并且制造工艺复杂，重现性也比较差。（4）阳极氧化阳极氧化法就是将纯的钛片在NaF溶液中经过阳极腐蚀而获得二氧化钛纳米管，在室温条件下，将纯钛片（99.99%）浸入到质量分数为5%的NaF溶液中，通过改变不同的阳极电位、电解液的浓度等条件来得到不同尺寸的纳米管。赖跃坤等24采用电化学阳极氧化法在纯钛片表面上制得了一层高密度的结构规整有序的TiO2纳米管阵列，通过考察影响 TiO2纳米管阵列形貌和尺寸的几种主要的试验参数(阳极氧化的电压、温度、时
27、间、电解液的浓度)，发现影响氧化钛形貌和纳米管尺寸的最主要因素是阳极氧化电压，而影响 TiO2 纳米管阵列形成的时间的因素是温度和电解液浓度。与其他方法相比较虽然阳极氧化法制备二氧化钛纳米管的工艺条件较复杂，得到纳米管后需要后处理，但是采用阳极氧化法制备出的TiO2纳米管分布比较均匀，整齐地排列成阵列形式，纳米管与钛基底直接相连，结合比较牢固，不容易脱落，这种材料结构有序，不容易团聚，具有很大的应用前景25。相比之下，正是由于阳极氧化有这些优点，所以我们在本次课题设计中选取了阳极氧化来制备二氧化钛纳米管。2.1.3阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列阳极氧化体系中，阳极金属钛会发生活性溶解、孔蚀、钝
28、化、超钝化或阳极光亮作用 (anodicbrighteng)等现象，氧与钛有很强的结合力，在常态下钛表面存在着一层氧化钛膜。当电解液中存在有对钝化膜有破坏性的阴离子时，预先形成的金属钝化膜就会遭到局部破坏，从而引起孔蚀，其侵蚀剂（如氟离子）的浓度对造成其孔蚀的电位有影响，当侵蚀剂的浓度比较低时孔蚀电位就越正26。Grimes等27最早研究了钛在含有氟离子的电解液中阳极氧化制备纳米管的自组装过程。钛表面的钝化金属膜(Ti一0膜)在电场及氟离子的腐蚀作用下是会溶解的，而围绕着某一个平均值进行无规则振荡的阳极氧化电流会使得材料表面腐蚀出现小孔。在此以后氧化膜会进行不断地破坏与修复的竞争，如果膜的修复
29、速率比小孔的形成速率小的话，那么就会产生大量的纳米孔。随后，这些腐蚀点会逐渐变大，孔的密度也会增加，直到所有孔有序地大面积分布在表层。其步骤分为以下三个阶段，在氧化的第一阶段金属钛在含有 F的酸性电解质中会迅速阳极溶解，并且产生大量的Ti4+离子(反应式(2.1-1)。然后在Ti4+与介质中的含氧离子快速的相互作用下，会在 Ti 表面形成致密的 TiO2薄膜(反应式(2.1-2)。在多孔层的初始形成阶段，即氧化的第二阶段过程中，表面氧化膜层会随着氧化膜层的形成，而承受急剧增大的电场强度。在 F和电场的共同作用下，TiO2阻挡层会发生局部蚀刻，形成许多不规则的微孔凹痕(反应式(2.1-3)。在多
30、孔膜的稳定生长阶段，即氧化的第三阶段，这个阶段微孔的孔底 TiO2消耗速率较大，微孔会不断地加深与加宽，并会向钛基底进一步生长，而造成这一现象的原因就是因为微孔底部的电荷分布密度较孔壁大很多。 28随着微孔的加深，孔和孔之间的区域电荷密度会增加，促进了该区域氧化物的生长与溶解，于是在孔与孔之间形成了小空腔。纳米管微孔与空腔的协调生长便形成了纳米管阵列结构。当氧化层的生成和溶解速率平衡时，纳米管阵列的管长就不再增加。Ti-4eTi4+ (2.1-1)Ti4+2H2OTiO2+4H+(2.1-2)TiO2+6F-+4H+TiF6-+2H2O (2.1-3)2.1.4纳米管的特点及影响形成因素由于T
31、iO2纳米管阵列作为一种具有独特的阵列结构和优异的性能的新型纳米TiO2材料,从而引起了人们的极大关注。通过阳极氧化法制备了纵向垂直，高度有序的二氧化钛纳米管阵列。相对于传统的纳米粉体材料，这种纵向垂直，高度有序的管状的 TiO2纳米结构有以下特点，其结构为，上部开口，底部封口，这些结构上的特点会使这种二氧化钛纳米管具有比表面积更大，电子传输更优良，以及较高的吸附能力，低载的流子复合消耗等优点。在多种制备方法中，阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列由于其过程简单、易控制而得到关注29，因此此实验我们采取阳极氧化制备二氧化钛纳米管。 采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列的过程中外加电压、阳极氧化时间
32、等影响着纳米管的形貌。TiO2纳米管阵列的制备主要采用低电压下(1025 V)高纯金属钛片在含有氟离子的电解液中阳极氧化的方法制得。在低氧化电压条件下，容易易形成海绵状1530 nm的多孔结构；随着电压的升高，钛电极表面形成明显的颗粒状形态；阳极电压增加至10 v，颗粒消失并出现清晰的管状结构30, 此次实验为了获得纳米管状结构，无论是一步法载银还是两部法载银都是要先在10v的电压下氧化出纳米管的。如图abab图2-1SEM的纳米管图像，a、b为放大不同倍数下的10v/h时的纳米管，a为放大50K 的纳米管,b为放大100K的纳米管2.2银系抗菌材料2.2.1银系抗菌材料简介载银无机抗菌材料是
33、银离子或含银的抗菌性物质与无机化合物载体的复合体。抗菌性物质可以是银离子或含银的有机化合物,在抗菌离子中,Ag+具有抗菌广谱性、杀菌效率高、不易产生抗药性等特点31。2.2.2银系抗菌材料的抗菌机理 （1）接触反映学说银是应用最早最成熟的一种广谱无机抗菌材料，并且安全无毒，十分适合于制备抗菌材料。其抗菌机理主要是银可以与菌体中酶蛋白的巯基-SH强烈的结合，使得蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性，使得细胞丧失分裂增殖能力而死亡,溶出的银离子可以与膜蛋白质结合，导致膜内物质外漏，同时干扰肽聚糖的合成，阻碍细胞壁的合成，妨碍代谢进行，当菌体失去活性后银离子又会从菌体中释放出来，重复进行杀菌作用32。（
34、2）催化反应学说起到催化活性中心的作用的Ag+在光的作用下，可以激活水和空气中的氧(O2)，从而产生羟基自由基(OH)及活性氧离子(O2-),而活性氧离子(O2-)据有很强的氧化能力,能在短时间内破坏细菌的增殖能力,致使细胞死亡,从而达到抗菌的目的31,33。2.2.3银系抗菌材料中银的特点 34因为银对液体中的微生物具有吸附作用，银吸附微生物后，微生物中起呼吸作用的酶就失去功效，从而致使微生物迅速死亡。银离子的杀菌能力特别强，在只要含亿万分之二毫克的银离子的每升水中，就可以使大部分细菌被杀死。美国一科学家曾在每毫升含大肠杆菌七千多个的4.5升污水中做过一个试验，他将污水经过三个小时的银电极处
35、理后，大肠杆菌被全部死亡。伤寒菌、白喉菌在银片上分别只能存活十八个小时和 三天。2.2.4银系抗菌材料的问题如果在材料中加入银系抗菌剂，由于抗菌剂中的银离子不够稳定，特别是遇到光照的时候，银离子会很容易发生氧化还原反应，引起材料颜色变黄变黑，改变了产品的面貌从而降低了产品的商业价值，此外，如果在包装塑料袋中加入银系抗菌剂，当有太多银离子溶出时就会对人体产生不利影响。2.2.5银系抗菌材料的发展银系抗菌剂只有和微生物接触后才能发挥抗菌作用,而同时抗菌剂由于和微生物的相互作用而减少或者消失35，因此使抗菌剂中的银离子持续而稳定地释放出来,维持银系抗菌剂的抗菌性能,保证抗菌剂的长效性,是目前银系抗菌
36、剂研究和开发的热点36。3.实验原理及实验方法本章主要介绍了实验所要用到的药品和仪器，以及实验的测试原理与方法。本课题通过用一步法和两步法将抗菌剂引入到植入物材料表面，获得抗菌型植入物材料。分析实验工艺对抗菌剂引入量的影响，并考察抗菌剂的缓释情况。3.1 实验药品与仪器实验所用药品和仪器如表2-1和表2-2所示药品化学式药品所用量用途钛片Ti40片阳极氧化的基体硝酸银AgNo30.85g为载银提供所需银离子氟化钠NaF4.2g阳极氧化时提供氟离子去离子水H2O100ml用来配溶液表3-1实验所用药品仪器设备型号生产厂家万分之一天平CP224C奥豪斯仪器(上海)有限公司超声波清洗机QT08-17
37、9天津市瑞普电子仪器公司扫描电子显微镜S-480010ml的量筒海兴东方计量仪器有限责任公司500ml烧杯北京北瑞达医药科技有限公司原子吸收光谱仪直流稳压稳流电源WYK-1206扬州东方集团公司表3-2所用实验仪器3.2材料的表征3.2.1扫描电子显微镜电子束在扫描样品表面时激发出来的带有样品表面特征的信号而成像的仪器是扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)。本实验中采用扫描电镜观察二氧化钛纳米管的微观图像，并且定性的测出二氧化钛纳米管的EDS。3.2.2原子吸收光谱原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS
38、)，即原子吸收光谱法，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法34。本实验中通过原子吸收光谱来得出银离子缓释的JPG图像，通过对图像的分析来得出银离子缓释时间的长短。4.实验方案本实验主要通过两种不同的方法进行载银实验，其中一步法是在阳极氧化电解液中引入AgNO3溶质，通过阳极氧化过程，纳米结构与抗菌剂Ag被引入到钛的表面。两步法是首先采用阳极氧化方法在钛表面制备纳米结构，然后将钛置于AgNO3溶液中，再通过电化学沉积法把银载上。（无论哪种都是要先通过10v/h的阳极氧化产生纳
39、米管的前提下做的。）实验设计要求：同一结构下，不同电压，不同时间对载银的影响。1.阳极氧化时直接载取银离子2.先阳极氧化，再在硝酸银溶液中通过电化学沉积法载银进行载银实验实验的具体工艺：钛片的打磨溶液的配置银离子的缓释实验银离子的检测细胞数目和载银钛片的生物相容性检测4.1具体操作步骤4.1.1阳极氧化的钛片制备把钛片在砂纸上进行轻微打磨，使钛片上的氧化膜清理去，打磨要均匀，适当地在砂纸上浇点水，便于打磨，打磨完后对钛片进行清理，先用丙酮超声波震荡把打磨时粘在钛片上的脏物充分地清洗掉，再倒出丙酮，倒入无水乙醇然后进行超声波震荡，以保证钛片上的丙酮被清洗干净，然后再用去离子水对钛片进行冲洗，以洗
40、去钛片上的无水乙醇，再用电吹风把钛片进行吹干以防止钛片上留有水痕。4.1.2阳极氧化电解液的制备本课题的电解液的配制与载银方法有关系，当为一步法载银时，用万分之一天平取4.2gNaF放入到烧杯中，再称取0.85gAgNO3放入到烧杯中，取100ml去离子水，配制成含银量为5%的溶液，若为两步法载银时，则在配置溶液时不加AgNO3。4.1.3阳极氧化进行二氧化钛纳米管的制备由于实验的进行是在制得纳米管的前提下进行的，而纳米管的制备又必须是在10V电压以上才能产生的，所以本实验是在10V电压以上进行氧化的（一步法，氧化时也载上了银）或者是先在10V电压下进行氧化再在不同电压下通过电化学沉积进行载银
41、的（两步法）。调节不同电压进行阳极氧化。具体设计方案分为：a两步法，b一步法。具体装备示意图如图4-1电压时间3v30s1min 5min 10min5v10va两步法方案电压时间10v1h50v5min100v5minb一步法方案1-阳极 2-电解液 3-阴极 4-温度计 5-玻璃杯 6-阳极氧化电源 图4-1 阳极氧化处理试验装置示意图4.1.4银离子的缓释实验银离子的缓释实验是检测银离子在正常情况下的缓释情况，目前是用两步法3v5min情况载银的钛片（其载银均匀）进行的缓释实验，把载完银的钛片放在去离子水中，在避光的情况下，在第1、2、3、5、7、11、15、22天取液，每次取2ml。然
42、后再把取出的溶液稀释到20ml，再通过吸光法进行检测银离子。4.1.5载银钛片的生物相容性及细胞数目检测本实验是通过MTT法来检测细胞数目的并通过钛片上细胞生长情况的SEM图像来判断钛片的生物相容性。（1）MTT法的检测原理及应用MTT全称是3-(4,5)-dimethylthiahiazo (-z-y1)-3,5-di- phenytetrazoliumromide，汉语的化学名是3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐，商品名是噻唑蓝。它是一种黄色的染料。MTT比色法，是一种检测细胞生长跟存活的方法。它的检测原理是活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能让外源性MTT还原成水不溶性的
43、蓝紫色结晶甲瓒（Formazan），并且其会沉积在细胞里，但是死亡的细胞是没有这个功能的，二甲基亚砜（DMSO）能够溶解细胞中的甲瓒，用酶联免疫检测仪在波长为490nm的地方来测定其光吸收值，这可以间接地反应活细胞数目。在一定的细胞数目范围内，MTT结晶所形成的量和细胞的数目成正比。此方法已经广泛应用于大规模的抗肿瘤药物筛选、一些生物活性因子的活性检测、肿瘤放射敏感性测定以及细胞毒性试验等。它的特点是灵敏度高、经济。（2）MTT法的实验步骤1.接种细胞：用含有10胎小牛血清的培养液配成单个细胞悬液，每孔以1000-10000个细胞的数量接种到96孔板，每孔体积为200ul.2.培养细胞：相同培
44、养条件下，培养4天（可根据试验目的与要求来决定培养的时间）。3.呈色：培养4天后，每孔加如MTT溶液10ul.继续孵育4 h后终止培养，小心的吸取弃孔内的培养上清液。每孔加入100ul DMSO，振荡10min，使结晶物充分融解。4.比色：选择490nm的波长，在酶联免疫监测仪上测定各孔光吸收值，并记录结果。4.2实验结果与分析4.2.1钛片上纳米管的结构分析ababaTiO2纳米管阵列作为一种新型的纳米TiO2材料,由于其具有独特的阵列结构和优异的性能,从而引起了人们的极大关注。通过阳极氧化法制备了纵向垂直，高度有序的二氧化钛纳米管阵列。此次试验是要求在有纳米管的前提下进行的，也就是说必须载
45、上银，而且还要是纳米管的结构不至于破坏，由于纳米管的形成与外加电压和阳极氧化的时间是有关系的，不同电压，不同时间下所得纳米管的结构是不同的，在低电压条件下容易形成海绵状1530nm的多孔结构，当电压升高后，钛表面会形成明显的颗粒状形态，当电压达到10v后颗粒消失并出现清晰管状结构38。本次实验为了得到纳米管结构，无论是一步法载银还是两部法载银都是要先在10v的电压下氧化出纳米管的。图4-2为10v/h下放大不同倍数的纳米管。ba图4-2 SEM的纳米管图像，a、b为放大不同倍数下的10v/h时的纳米管，a为放大50K 的纳米管,b为放大100K的纳米管4.2.2 TiO2纳米管的载银分析此次试
46、验采取的一步法载银与两步法载银，两者之间各有特点，一步法是在阳极氧化时直接把银载上，操作步骤少，操作方便。但是由于纳米管的产生是与电压有关的，一步法在电压低于10v时是产生不了纳米管结构的，但电压达到10v时产生纳米管结构后载银的效果也不是很理想，通过EDS图像（图4-3）分析其已载上银，但通过其SEM图像（图4-4）分析，其载银不是很多，也不太均匀，当电压加到50v或者100v时，阳极氧化开始变得剧烈，阳极氧化时间也随之变短，银的载上量是有所加大，但是就没有纳米管结构了（如图4-5）。两步法是先通过钛片在氟化钠溶液中进行阳极氧化，然后再在配好的硝酸银溶液中通过电沉积法进行载银。电化学沉积法可以在温和的条件下,直接从硝酸银水溶液中吸附银离子，获得生物性能优良的载银膜