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一、研究目的纯钛及钛合金具有低弹性模量、耐腐蚀性、良好的生物相容性等优点而被作为脊柱外科常用的内固定材料,但是钛基金属作为一种惰性生物材料,植入人体后,本身并不具备抗菌属性,反而会诱使菌斑的堆积,易被周围组织形成纤维膜包绕,细菌生物膜可以定植在纤维膜中而免于被杀灭,使得植入物相关感染成为脊柱内固定术后灾难性的并发症。研究发现,聚合阳离子能够穿透细菌细胞膜而使细胞内容物外泄产生死亡而具有抗菌性。本研究旨在通过低温等离子体聚合技术及层层自组装技术对钛合金表面改性,使其表面获得多层聚合阳离子纳米薄膜,并探讨其表征及体外抗菌性及细胞毒性,为进一步的动物实验提供理论依据。二、研究方法(一)钛合金材料表面聚合阳离子纳米薄膜的制备以钛合金棒为底物,通过低温等离子体聚合技术,使烯丙胺单体在底物表面引发聚合,引入氨基,获得一层聚合阳离子薄膜;再通过层层自组装法,将底物交替置于聚苯乙烯磺酸钠及聚烯丙胺盐酸盐溶液中,分别组装5次、10次及15次,获得相应的聚合阴阳离子交替的纳米薄膜。(二)钛合金材料表面聚合阳离子纳米薄膜的表征研究分别对对照组、低温等离子体聚合技术处理后的样品、层层自组装法分别处理5次、10次及15次的样品行扫描电子显微镜观察表面形貌,X射线能谱分析其表面元素,原子力显微镜观察表面三维形貌及薄膜厚度,X射线光电子能谱仪分析表面成分含量,水接触角测量仪分析表面亲水性。(三)聚合阳离子纳米薄膜体外抗菌实验及细胞毒性实验研究采取浸渍贴片法测量对照组、低温等离子体聚合技术处理后的样品、层层自组装法分别组装5次、10次、15次的样品对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率,评价其抗菌效果;采用CCK-8法测量五组样品对MC3T3-E1细胞的生长抑制率,评价其细胞毒性。三、研究结果(一)钛合金材料表面聚合阳离子纳米薄膜的表征研究由SEM、EDS、XPS、AFM及水接触角结果显示,经Plasma方法处理后,钛合金棒表面成功沉积下烯丙胺单体聚合成的阳离子聚合物,N元素被成功引入到底物表面,可见散在分布的球状颗粒,三维形貌见表面粗糙不平,聚合阳离子薄膜厚度为7nm左右,水接触角由对照组的101±3°下降为23±7°,亲水性大大提高;而随着LBL组装次数的增加,钛合金棒表面形成均匀、有序、立体、吸附紧密的阴阳离子层,聚合阳离子团分布规整,且薄膜厚度随组装次数均匀递增,组装15次后高度达76nm左右,S元素在PSS开始组装时出现,含量随组装次数的增加而呈线性增长,层层自组装5次、10次、15次的水接触角分别为79±5°、88±5°、90±3°。(二)聚合阳离子纳米薄膜体外抗菌实验及细胞毒性实验研究对照组、低温等离子体聚合技术处理后的样品、层层自组装法分别处理5次、10次及15次的样品对金黄色葡萄球菌的抑菌率为0%、57.72%、64.22%、77.68%、70.99%,对大肠杆菌的抑菌率为0.00%、76.08%、68.26%、89.13%、95.22%,不同处理方法造成的细菌抑制率差异具有统计学意义(P<0.001)。CCK-8法测得的五组样品的MC3T3-E1细胞的生长抑制率差异具有统计学意义(P<0.05),细胞毒性评价介于0-1级,具有轻微的细胞毒性。四、结论(一)通过低温等离子体聚合技术及层层自组装技术,在钛合金棒表面成功制备出均匀、有序、稳定的聚合阳离子纳米薄膜。(二)低温等离子体聚合技术及层层自组装技术在钛棒表面构建的聚合阳离子纳米薄膜对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌均有接触性杀菌能力,且随着聚合阳离子薄膜厚度的增加,其抗菌能力随之增强。(三)低温等离子体聚合技术及层层自组装技术所获得聚合阳离子钛棒并不会影响成骨细胞的生长,在被赋予其抗菌能力的同时并不具有细胞毒性。(四)可以为进一步的动物实验及疲劳试验提供理论的证据和支持,为进入临床应用奠定基础。