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载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料的制备和抗菌性能研究

作　者: 吕国玉
导　师: 李玉宝
学　校: 四川大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 载银羟基磷灰石二氧化钛抗菌效果细胞培养
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

微生物在自然界中分布十分广泛，可以说无处不在，无时不在。微生物虽然个体微小，但仍具有一定的形态结构和生理功能，并能在适宜的条件下迅速繁殖生长。绝大多数的微生物对人类是无害的，甚至是有益和必需的，但也有小部分有害细菌，靠贴身衣物的汗水、皮屑等为营养而大量繁殖，对人体健康造成威胁，甚至会诱发各种疾病。在自然界中有不少金属离子如银、铜、锌等离子都具有抑制和杀灭细菌的作用，但是在所有的金属离子中银离子的抗菌能力是最强的，并且安全无毒，十分适合于制备抗菌材料。羟基磷灰石是构成人体骨的主要无机成分，具有优异的生物相容性和生物活性，能与人体骨组织形成牢固的化学键合，是人体硬组织修复的理想材料。羟基磷灰石属于六方晶系，在晶体结构上存在平行于c轴的较大通道，因此很容易吸附Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等金属离子，甚至这些金属离子能直接与羟基磷灰石的Ca²⁺离子进行离子交换，从而对抗菌性能的持久性发挥更为有利。本文用硝酸钙和磷酸钠在水溶液中反应合成了纳米羟基磷灰石。纳米羟基磷灰石晶体为细针状，尺寸组成和结晶结构与自然骨磷灰石晶体十分相似。进一步制备的载银羟基磷灰石晶体的晶格参数要比羟基磷灰石的大，说明Ag⁺离子取代了部分Ca²⁺离子进入了羟基磷灰石的晶格。将载银羟基磷灰石抗菌材料作用于金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌，都显示出很强的抑菌作用。载银羟基磷灰石抗菌织物也具有良好的抗菌效果和耐洗涤性。二氧化钛是一种光催化剂，具有光催化能力，在光或环境能量的作用下，TiO₂可以产生活性氧化物杀灭细菌。但是一般二氧化钛只有在紫外光的照射下才具有抗菌作用。由于银是贵金属，价格昂贵，且容易发生变色，所以本文综合载银羟基磷灰石和二氧化钛的优点，制备了一种兼具光催化抗菌和金属抗菌功能的新型抗菌材料，使两者产生协同抗菌效应。制备的载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料（0.51wt％Ag⁺5.3wt％TiO₂）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC）均达到390.5μg／ml，尽管材料的含银量仅为0.51wt％，大大低于一般载银羟基磷灰石抗菌剂中的银含量（3 wt％左右）。并且加入二氧化钛后，可以有效抑制银离子的变色即抑制银离子的还原。在光照条件下，二氧化钛在产生光催化灭菌作用的同时可以使银离子的抗菌效果得到更加充分的发挥；在无光照条件下，银离子高效而持久的抗菌性能又会起作用。在研究载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料杀灭大肠杆菌的超微结构变化中发现，载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌粒子对大肠杆菌的杀灭途径有两种：一种是，抗菌粒子接触大肠杆菌细胞，使细胞壁和质膜破损，甚至抗菌粒子能穿透细胞壁和质膜进入大肠杆菌菌体内部，使细胞质凝聚，导致细菌死亡；另外一种是，载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌粒子可能生成了一些活性氧化物质，这些活性氧化物质作用于大肠杆菌，干扰了大肠杆菌DNA分子的复制，使细菌细胞丧失分裂增殖能力。实验中还发现，有的大肠杆菌在细胞壁和质膜还较为完整，细胞质和周质间隔仍然均匀、紧密的情况下，DNA分子却由展开的解螺旋状态变成了紧密缠绕的状态，这个变化可以使DNA分子失去复制功能，这是银离子特有的作用。载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料还能够抑制口腔细菌中一些菌株的生长，但是对不同的菌株抗菌能力有些不同，对革兰氏阴性菌的抗菌效果要优于革兰氏阳性菌。这可能是革兰氏阳性菌细胞壁所含的肽聚糖要比革兰氏阴性菌多几倍，而肽聚糖带负电荷，会抑制Ag⁺离子通过细胞壁而进入细菌体内部。研究了载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料对成骨细胞和人牙龈成纤维细胞生物学行为的影响。实验结果表明，虽然载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料对成骨细胞的增殖有一定的抑制作用，但是细胞在吸收了抗菌粒子以后其超微结构并没有改变，并且使成骨细胞的活性增高。载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料和对照材料羟基磷灰石相比，对成骨细胞的增殖、细胞活性和超微结构的影响没有显著差异，说明添加银离子和二氧化钛对细胞没有毒性作用，在体外研究的水平上，可以证实载银羟基磷灰石／二氧化钛的细胞相容性与羟基磷灰石近乎相同。在载银羟基磷灰石／二氧化钛抗菌材料浓度低于100μg／ml的培养液中，人牙龈成纤维细胞的生长增殖与空白对照组相比，无显著性变化，人牙龈成纤维细胞在吞噬了抗菌材料颗粒以后，细胞的超微结构与对照组相比无明显区别。

全文目录

中文摘要  4-7
英文摘要  7-15
第一章绪论  15-50
  1.1 微生物以及抗菌材料的概念和发展  15-19
    1.1.1 微生物的概念及其危害  15
    1.1.2 微生物在材料表面的生长  15-16
    1.1.3 抗菌材料的概念  16
    1.1.4 抗菌材料的特征  16-17
      1.1.4.1 最低抑菌浓度(MIC)和最低杀菌浓度(MBC)  16-17
      1.1.4.2 MIC和MBC的测定方法  17
    1.1.5 抗菌材料的发展  17-19
  1.2 无机抗菌剂  19-27
    1.2.1 银系无机抗菌剂的种类  19-23
      1.2.1.1 载银沸石  21
      1.2.1.2 载银蒙脱土  21
      1.2.1.3 载银硅胶  21
      1.2.1.4 载银磷酸复盐  21-22
      1.2.1.5 载银羟基磷灰石  22-23
    1.2.2 银系无机抗菌剂的抗菌机理  23-25
    1.2.3 金属氧化物抗菌剂  25-27
      1.2.3.1 氧化锌(ZnO)  26
      1.2.3.2 二氧化钛(TiO_2)  26-27
  1.3 有机抗菌剂和天然抗菌剂  27-29
    1.3.1 有机抗菌剂  27-28
    1.3.2 天然抗菌剂  28-29
      1.3.2.1 壳聚糖  28-29
      1.3.2.2 山梨酸  29
  1.4 抗菌纤维和织物  29-32
    1.4.1 抗菌纤维和织物的概念及发展  30
    1.4.2 抗菌纤维和织物的制备方法  30-32
      1.4.2.1 共混纺丝法  31
      1.4.2.2 化学改性法  31
      1.4.2.3 后整理加工法  31-32
  1.5 抗菌塑料和抗菌陶瓷  32-33
    1.5.1 抗菌塑料  32-33
    1.5.2 抗菌陶瓷  33
  1.6 抗菌材料在生物医用材料领域的应用  33-37
    1.6.1 生物医用材料及其发展概况  33-34
    1.6.2 抗菌材料在生物医用材料中的应用  34-37
      1.6.2.1 抗菌生物活性陶瓷材料  34-35
      1.6.2.2 抗菌口腔复合树脂材料  35-37
  1.7 论文构思及设想  37-40
  参考文献  40-50
第二章载银羟基磷灰石抗菌材料及抗菌织物的性能研究  50-62
  2.1 前言  50-51
  2.2 材料和方法  51-52
    2.2.1 载银羟基磷灰石抗菌粉料的制备  51
    2.2.2 抗菌织物的加工  51
    2.2.3 载银羟基磷灰石抗菌粉料抗菌性能的测试  51
    2.2.4 抗菌织物抗菌效果的测试  51-52
  2.3 实验结果和讨论  52-59
    2.3.1 纳米羟基磷灰石浆料的透射电镜分析  52-53
    2.3.2 羟基磷灰石粉料的红外光谱分析  53
    2.3.3 羟基磷灰石及载银羟基磷灰石粉料X射线衍射分析  53-55
    2.3.4 载银羟基磷灰石粉料抗菌性能的测试结果  55-57
    2.3.5 载银羟基磷灰石织物抗菌效果的测定  57-59
  2.4 本章小结  59-60
  参考文献  60-62
第三章载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料的制备及性能研究  62-73
  3.1 前言  62-63
  3.2 材料和方法  63-64
    3.2.1 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料的制备  63
    3.2.2 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料抗菌性能的测试  63-64
      3.2.2.1 抗菌效果的测定  63
      3.2.2.2 最小抑菌浓度(MIC)的测定  63-64
      3.2.2.3 最小杀菌浓度(MBC)的测定  64
    3.2.3 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料Ag~+离子溶出实验  64
  3.3 实验结果和讨论  64-69
    3.3.1 透射电镜分析  64-65
    3.3.2 载银羟基磷灰石/二氧化钛红外光谱分析  65
    3.3.3 载银羟基磷灰石/二氧化钛X射线衍射分析  65-66
    3.3.4 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料抗菌性能的测试  66-68
      3.3.4.1 琼脂培养基抑菌环结果  66-68
      3.3.4.2 最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)的测定  68
    3.3.5 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料银离子溶出量的测定  68-69
  3.4 本章小结  69-71
  参考文献  71-73
第四章载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料杀灭大肠杆菌的超微结构研究  73-81
  4.1 前言  73-74
  4.2 材料和方法  74
    4.2.1 材料  74
    4.2.2 灭菌实验  74
  4.3 实验结果和讨论  74-78
  4.4 本章小结  78-79
  参考文献  79-81
第五章载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对口腔细菌的抗菌活性研究  81-96
  5.1 前言  81-82
  5.2 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对需氧菌和厌氧菌的抗菌活性  82-90
    5.2.1 材料和方法  82-83
      5.2.1.1 实验菌株  82
      5.2.1.2 抗菌性能的测试  82
      5.2.1.3 抗菌液的配制  82-83
      5.2.1.4 实验细菌液的配制  83
      5.2.1.5 MIC和MBC测定  83
    5.2.2 实验结果和讨论  83-90
  5.3 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对口腔龈下细菌的抗菌效果  90-91
    5.3.1 材料和方法  90
    5.3.2 实验结果和讨论  90-91
  5.4 抑菌环法测定载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对几种口腔细菌的抗菌活性  91-93
    5.4.1 材料和方法  91
    5.4.2 实验结果和讨论  91-93
  5.5 本章小结  93-95
  参考文献  95-96
第六章载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对细胞生物学行为影响的研究  96-111
  6.1 前言  96-97
  6.2 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对成骨细胞生长和增殖的影响  97-103
    6.2.1 材料和方法  97-98
      6.2.1.1 细胞培养  97
      6.2.1.2 细胞超微结构观察  97
      6.2.1.3 成骨细胞对实验材料的反应  97-98
    6.2.2 实验结果和讨论  98-103
      6.2.2.1 相差显微镜观察结果(PCM)  98-99
      6.2.2.2 透射电子显微镜观察结果(TEM)  99-100
      6.2.2.3 细胞增殖和MTT结果  100-103
  6.3 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对人牙龈成纤维细胞生长和增殖的影响  103-109
    6.3.1 人牙龈成纤维细胞的分离、培养及生长  103-104
      6.3.1.1 人牙龈成纤维细胞的分离培养  103
      6.3.1.2 人牙龈成纤维细胞的相差显微镜观察  103
      6.3.1.3 人牙龈成纤维细胞的生长曲线  103-104
    6.3.2 载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料对人牙龈成纤维细胞生长和增殖的影响  104-109
      6.3.2.1 材料与分组  105
      6.3.2.2 人牙龈成纤维细胞在Ag-HA/TiO_2培养液中的生长和增殖  105
      6.3.2.3 MTT比色法检测  105
      6.3.2.4 透射电镜观察  105
      6.3.2.5 实验结果和讨论  105-109
  6.4 本章小结  109-110
  参考文献  110-111
第七章全文总结与研究展望  111-115
  7.1 全文研究总结  111-112
  7.2 后续工作及展望  112-115
附录一：在读期间发表及完成的论文  115-116
在读期间参与的科研项目  116-118
致谢  118

载银羟基磷灰石/二氧化钛抗菌材料的制备和抗菌性能研究

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