多孔阳极氧化铝表面改性及其在骨修复材料中的应用

(山东医学高等专科学校，山东 临沂 276000)

生物材料是指能与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物医用材料。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料在作为硬组织植入身体时，它们与骨组织之间属于机械嵌连，没有形成牢固的化学骨性结合，容易导致松动脱落。现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官方向发展，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。在目前的研究中，惰性生物材料表面改性是一种有效的活化生物材料表面的方法，通过运用材料与生物体之间的有利条件、抑制不利因素等方式，使其自身特性与材料表面的生物活性结合起来，为生物材料的应用拓展了广阔的空间。

1 多孔阳极氧化铝简介

铝的多孔阳极氧化铝膜(Porous anodic alumina，PAA)是高纯铝片在一定温度下经热处理后，在酸性较强的能够溶解氧化铝的多质子酸(如硫酸、磷酸、草酸)中经电化学阳极氧化处理得到的自组织生长的Al2O3多孔薄膜，其结构可被形容为一种密堆积排列的圆柱形晶胞，每个晶胞包含一个中心孔，呈六角形高度有序排列，分布均匀且取向一致，分布密度高(109～1011个/cm2)，且都垂直于基体表面，不同类型的电解液对PAA的形貌结构和胞孔大小有较明显的影响，具有可控性。因此，可以根据需求选择不同类型的电解液，得到不同孔径(5～420nm)的纳米孔道。PAA纳米孔洞的深度可以通过控制电解液浓度、电流密度、温度、氧化时间以及电压等参数在一定范围内调节，从而得到不同纵横比的纳米孔道。

PAA的制备一般包括温和阳极氧化法、硬质阳极氧化法和两步阳极氧化法。由于PAA膜的多孔结构，其经常被用作理想的制备纳米材料的模板。目前，已有研究人员利用PAA模板成功制备了碳纳米管、金属纳米线等各种纳米材料，极大促进了PAA在纳米材料中的研究和发展。

2 多孔阳极氧化铝的表面功能性改性

在生物医用领域，PAA常作为医用外科金属种植体(如钛及钛合金)的表面涂层。Briggs等[1]通过阳极氧化法在钛合金表面制备出纳米多孔铝层，其表面的Al2O3层降低了钛合金表面摩擦，并且能阻止钛离子溶解进入人体。进一步研究表明，改变多孔阳极氧化铝孔径的大小可以调节蛋白质在材料表面的吸附力，进而控制细胞的黏附、分化、矿化等行为。2013年，Brüggemann 证明PAA表面的纳米多孔结构可以为细胞生长提供良好的结构界面，其可控的孔径尺寸、孔深度以及孔间隙为细胞的粘附和增殖提供了良好条件；有研究表明，相比于无纳米结构的表面，成骨细胞(MC3T3-E1)在PAA表面具有更好的相容性，更能促进成骨细胞的生长[2]。因此，PAA具有良好的细胞相容性，这决定了其在生物材料领域广阔的应用前景。

PAA最重要的特点是其多孔性，通过有效的方法在其孔道中沉积功能性物质，可以得到各种功能性材料。因此，PAA可以为生物活性物质提供优良载体，装载有生物活性物质的PAA在生物体内可以与组织形成化学键合，克服PAA的生物惰性，从而赋予PAA具有特殊的生物学功能。2006年，有研究成功的将羟基磷灰石(HA)填充进PAA纳米孔洞内，构建出HA/PAA生物复合涂层，这为PAA在骨修复材料中的应用奠定了基础。2009年，Walpole等[3]研究了MG63成骨细胞在填充了硅纳米颗粒的阳极氧化铝表面的生长状况，并且提出假设，如果在阳极氧化铝孔洞中填充合适的生物活性物质，可以得到某种新型生物材料，从而解决目前存在的骨移植后骨结合不紧密的难题。笔者目前的研究表明，通过超声辅助的减压浸渍的方法可以使CaO-SiO2生物活性玻璃填充到PAA纳米孔道中，在模拟体液(SBF)中能够实现离子缓释并能诱导类骨磷灰石形成，从而可以获得具有较好成骨生物活性和离子缓释性能的CaO-SiO2/PAA复合生物材料，这为临床医学中骨修复材料的研究提供了依据。

3 多孔阳极氧化铝表面抗菌性改性

以上论述表明，PAA有望作为生物材料植入生物体内用于骨组织缺损修复，但在实际的临床应用中，很难攻克的一个难题是植入体引起的感染，造成脱位，关节松动，最终导致植入失败。因此，对植入物进行表面抗菌改性成为临床医学的关键。有研究表明，在生物材料表面进行生物抗菌改性包括两种方式：一种是涂层材料本身的结构和组成可以抑制或杀死细菌；另一种是在材料中添加抗菌药物，通过实现药物缓释达到杀菌的目的。而近几年的研究中，无机抗菌剂在生物材料表面中的应用越来越广，Ag+、Hg2+、Cu2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+、Pb2+、Co4+、Zn2+以及Fe3+等都是常用的无机抗菌离子，其中Hg、Cd、Pb及Cr毒性较大，Ni与Co不能得到白色粉末，不宜工业化，故用作杀菌剂的金属主要为Ag、Cu、Zn。

现阶段，Ag+在无机抗菌剂的应用中最为广泛，但Bai等[4]的研究表明，银在具有抗菌性的同时也表现出了较强的细胞毒性；同阶段，Wu等[5]选用抗菌剂铜掺杂在生物玻璃中，制备出了具有抗菌性能且能诱导骨生成的生物支架。Cu2+在无机抗菌离子中是化学稳定性和环境安全性较好的离子，和其他金属离子一样，Cu2+通过抑制蛋白质的合成过程使蛋白质失活，从而引起细菌死亡，并且Cu2+在微生物体内阻碍遗传信息的复制，包括DNA、RNA的合成等，通过抑制微生物分裂增殖使细菌死亡。另外，有研究表明，Cu2+不仅具有良好的抗菌性，还可以促进新血管的生成[6]，促进MG63的增殖[7]，以及促进内皮细胞、骨髓基质细胞等的增殖[5]，表现出良好的细胞相容性。目前，笔者通过溶胶-凝胶法设计出CaO-SiO2-CuO三元体系的生物活性玻璃，并将其装载入PAA的孔道中，获得了既能诱导类骨磷灰石沉积又具有抗菌功能的复合生物材料，这为新型人工植入材料的表面功能化设计提供了可能。

4 总结

综上所述，PAA膜因其较好力学性能和生物安全性，在骨修复材料领域已经获得科学家的青睐，其可装载生物活性物质的纳米孔道为其在生物材料领域的发展提供了更大的空间。另外，结合抗菌剂的使用，将使PAA在临床中发挥重要的医用价值。目前，我国人工骨植入材料大部分还需要依赖进口，而我国作为人口大国，在老龄化加剧的情况下，人工骨的需求越来越大。虽然已出现一些可用的新型材料，但大部分还在体外实验阶段，期望发掘新型材料的同时能够积极推进动物及体内临床实验，从而进一步改善材料自身的缺陷，获得理想的骨修复材料。