固定矫治用不锈钢的可见光催化抗菌涂层制备及抗菌机理研究

Stainless steel are widely used as fixed orthodontic appliances, with increasing the risk of dental caries and periodontal disease. Many researches have shown that the microbiota in biofilms was the most important factor in the origination and development of dental caries and periodontal disease. In order to solve the problems of the clinical application of stainless steel appliances, the Ag/TiO2/polydopamine nanofilm will be prepared on stainless steel with nanopore array, to obtain excellent antibacterial activity under visible light irradiation. The Ag/TiO2/polydopamine with embedded nanostructure, particle mixing nanostructure, core-shell nanostructure can be prepared on stainless steel. The effect of surface morphology, composition and microstructure on the antibacterial activity were investigated under visible light irradiation. Antibacterial mechanism of stainless steel with Ag/TiO2/polydopamine nanofilm can be researched according the surface morphology, composition and microstructure. The biocompatibility of stainless steel appliances were detected by the cell compatibility、hemolysis test, which can provide experimental base for clinical use in future.

不锈钢材料在固定矫治领域应用广泛，而固定矫治器的使用容易引起龋病和牙周病的多发，大量研究结果表明菌斑是口腔疾病发生、发展过程中最重要的因素，本项目致于在不锈钢正畸材料表面制备一种有效抑制菌斑形成的光催化抗菌薄膜，以解决正畸材料面临的临床应用问题。拟采用原位化学还原法在阳极氧化不锈钢纳米孔阵列表面制备聚多巴胺/银/二氧化钛薄膜涂层，使不锈钢获得优良的可见光催化抗菌活性。通过改变条件分别制备嵌入型、颗粒混合型、核壳型纳米Ag/TiO2复合结构，考察材料表面形貌、组成和微观结构对可见光催化抗菌性能的影响，分析不锈钢表面纳米Ag/TiO2形貌、组成与微观结构的可见光催化抗菌机理；选取细胞相容性试验、溶血试验，对不锈钢正畸材料的生物相容性进行检测，为其今后在临床的安全使用提供实验依据。

光催化是一种高效、廉价的抑制和杀灭细菌的技术。它是基于半导体光催化剂的光化学性质，在太阳光等外界能量作用下产生活性氧(ROS)，例如，超氧阴离子O2- 等自由基，这些含氧自由基攻击细菌的细胞壁、细胞膜和胞内成分，使细菌失活，这一杀菌过程类似光催化降解有机污染物。TiO2是一种宽禁带半导体(3.2 eV)，通常在紫外线(UV)辐射下作为光催化剂使用，而为了能够在可见光辐照下被激发，需要做进一步的掺杂改性M@TiO2，同时还有较为常用的半导体材料，如掺杂型M@ZnO、CuO等半导体复合材料，均可以用于光催化抗菌领域。本项目以不锈钢以及铜金属材料为基底，在其表面构建多金属氧化物体系，设计复合纳米结构，从而得到在可见光辐照下具有优异光电化学性能的功能材料，以应用于光催化抗菌领域。(1)利用循环伏安法在阳极氧化不锈钢表面制备Ag/TiO2/PDA三明治层状结构。结果发现，所制备的Ag/TiO2/PDA纳米复合结构的厚度在20 nm以内，并在家用手电筒辐照下仅仅30 min，对大肠杆菌的抗菌率达99%以上，重复抗菌5次，发现其抗菌性能依然保持在99%以上。(2) 利用微波水热法在316L不锈钢基底上制备ZnO纳米棒阵列，探究了微波水热法制备ZnO纳米棒阵列的机理。结果发现不锈钢表面ZnO纳米棒阵列的光电流密度达到最大时为37.6 μA cm-2。采用连续离子层吸附与反应法，在Z5-8s样品上制备出GO/Ag2S/ZnO复合结构样品，光电流达到最大为116.8 μA cm-2，同时光电极在Gly的检测中具有很高的灵敏度、较好的线性范围和较低的检测限。(3) 采用简单易行的热处理工艺在铜基地上生长一维纳米线结构，探明了CuO纳米线的生长机理，所得样品在热处理温度为700℃时，光电化学性能最佳，其光电流值达到了750 μA cm-2。基于350目铜网，采取了两步法制备一维纳米线结构，先将铜网进行碱化处理，得到一维纳米线的Cu(OH)2，再将碱化后的铜网进行热处理，在50℃、150℃条件下，即简单的烘干后，所得的CuO纳米线的光电流可以达到7 mA cm-2，是铜片基地的9倍。简单的烘干温度所得铜网，不仅保持了原有的Cu(OH)2纳米线，并直接转换为CuO纳米线。