TiO2原子层沉积复合氧化石墨烯/N离子共掺杂TiO2纳米管的光催化抗菌性与抑炎性研究

TiO2 nanotubes can promote cell differentiation and early osseointegration of the implant, meanwhile it can regulate the anti-inflammatory differentiation of mononuclear macrophages and suppress the early immune-inflammatory responses. Our previous studies showed that the antibacterial properties of nanotubes could be enhanced by loading antimicrobials or photocatalysts on nanotubes, however the antimicrobials was released rapidly, and could induce cytotoxic reaction. The light-catalyzed reaction of TiO2 does not show cytotoxicity , but it could only absorb ultraviolet light. Moreover, the electrons and holes formed by the reaction are recombined eaily, which result the shorter anti-bacterial time and weaker mechanical strength. Therefore, we aimed to co-dope graphene and Nitrogen ion to improve the photocatalytic property of TiO2 nanotubes, and decrease the recombination rate of electrons and holes to prolong the antibacterial time. In addtion, we aimed to reinforce the mechanical strength by using TiO2 atomic layer deposition technology to form a double-layer structure nanotubes. By photocatalytic degration of organic pollutants, antimicrobial test and cell activity experiments with inflammatory environment to comfirm the antibacterial properties of the TiO2 atom layer deposited graphene/Nitrogen ion co-doped TiO2 nanotubes under the light-catalyzed reaction. Through the studies above, it could provide us new ideas and approaches to improve the antibacterial properties and osseointegration of implants.

TiO2纳米管能促进种植体早期骨整合，调控单核巨噬细胞向抑炎方向分化，抑制早期免疫炎症反应。我们前期研究显示，通过对纳米管负载抗菌剂或光催化剂可以提高纳米管的抗菌性能，但抗菌剂释放快，容易导致细胞毒性；TiO2的光催化反应不具有明显的细胞毒性，但只能利用紫外光，形成的电子和空穴容易复合，导致抗菌持续时间短暂，同时降低了材料的机械强度。为此，本课题拟通过氧化石墨烯/N离子共掺杂提高TiO2纳米管的光催化活性，降低电子和空穴的复合以延长抗菌时间，再利用TiO2原子层沉积加固纳米管的结构，提高其机械强度。通过光催化降解有机污染物，抗菌实验和炎症反应下的细胞活性实验，探讨在光催化作用下，TiO2原子层沉积复合氧化石墨烯/N离子共掺杂TiO2 纳米管的抗菌性能，以及炎症环境下对骨髓间充质干细胞成骨向分化和巨噬细胞抑炎向分化的影响。通过上述研究，为种植体表面改性提高抗菌性和促进骨整合作用提供依据。

TiO2纳米管能促进种植体早期骨整合及软组织整合，抑制早期免疫炎症反应，具有良好的应用前景。我们前期研究显示，通过对纳米管负载抗菌剂或光催化剂可以提高纳米管的抗菌性能，但抗菌剂释放快，容易导致细胞毒性。TiO2的光催化反应不具有明显的细胞毒性，但只能利用紫外光，形成的电子和空穴容易复合，导致抗菌持续时间短暂。为此，本课题通过电镀法将氧化石墨烯负载在TiO2纳米管表面，减少了电子和空穴的复合，从而使该改性表面在自然光下的光催化活性增强。在细菌实验中，我们利用菌落计数、MTT法、扫描电子显微镜、透射电镜及细菌内活性氧染色等方法检测TiO2纳米管/氧化石墨烯材料对人牙龈卟啉单胞菌的影响。结果表明，该改性表面可刺激细菌内活性氧增加，破坏细菌胞膜，具有明显的抗菌作用。为进一步探讨该改性表面对软组织愈合的影响，我们通过细胞粘附、细胞增殖、细胞免疫荧光染色、伤口愈合试验、实时逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)和Western blotting等方法研究了TiO2纳米管/氧化石墨烯材料对人牙龈成纤维细胞的影响。结果表明，TiO2纳米管/氧化石墨烯表面促进了人牙龈成纤维细胞的增殖、粘附、迁移、细胞外基质合成以及粘附相关基因的表达。进一步研究表明，上述影响可能是由整合素β1和MAPK-Erk1/2通路的激活介导的。综上，我们的研究结果表明，TiO2纳米管/氧化石墨烯表面可以提高自然光光催化活性，增强抗菌性，增强人牙龈成纤维细胞的生物反应性，从而降低种植体周围炎的发生率，提高种植体成功率。