The Study on in situ Self-Orginazed TiO2 Nanotube Layer on Biomedical Titanium Antibacterial Dental

Implant Material

Chun-xiang Cui 1, Yu-min Qi 1, Xin Gao 1, Yong Li 2, Jing Wang 1, Hui Liu 1 1 School of Materials Science & Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;

2 Equipment Department, Shenhua Hebei Guohua Cangdong Power Generation CO.LTD., Hebei, 061113, China

Email: hutcui@hebut.edu.cn

Abstract：The antibacterial property of dental implants will effectively increase its biological fixation at the early stage of implantation. TiO2 nanotubes layer was prepared on the surface of biomedical titanium by ano-dization in the study. The Streptococcusmutans culture in vitro was done for evaluating its antibacterial prop-erty. The results indicated that highly ordered TiO2 nanotubes with a wide range of tube diameters from approx. 50 to 80nm were formed at 20V for different time in the electrolyte containing 0..5wt.%HF/glycerine aqueous solution. The observed result of morphometry and multiplication of Streptococcusmutans showed that TiO2 nanotube layer had excellent antibacterial property, which had a direct relationship with its nano-structure and good photocatalysis.

Keywords: TiO2; nanotube; anodization; antibacterial property

钛表面原位自生 TiO2纳米管抑菌种植牙材料的研究

崔春翔 1，戚玉敏 1，高鑫 1，李勇 2，王晶 1，刘慧 1 1 河北工业大学材料科学与工程学院 天津 中国 300130；

2 神华河北国华沧东发电有限责任公司设备部 河北沧州 中国 061113

摘 要：种植牙材料的表面抑菌性将大大提高其种植初期的生物固定效果。本研究采用阳极氧化法在医用钛表面制备 TiO2 纳米管层，并通过体外变形链球菌培养试验来评价其抑菌性，结果表明，以0.5wt.%HF/丙三醇为电解液在 20V 恒压下反应一定时间获得了管径 50~80nm 的 TiO2纳米管层，且管与管间排列紧密；经过对比紫外光照射前后变形链球菌在其表面的形态和数量可知，TiO2 纳米管层表现出了优异的抑菌性，这一特性与其纳米结构和优异的光催化性能相关。

关键词：TiO2；纳米管；阳极氧化；抑菌性

1 引言

目前，钛以其优异的生物相容性和生物力学适应性已

经成为种植牙的首选材料[1,2]。众所周知，口腔环境相

当复杂性，种植牙材料在临床应用中遇到的主要问题

之一便是种植牙材料的介入引起口腔菌落的改变[3-5]，

特别是变形链球菌作为一种早期定植菌会大量繁殖聚

集，代谢产酸后腐蚀种植体并引发种植体周炎症，因

此有效控制患者口腔环境中的生物菌落将是控制或防

止腐蚀发生、降低口腔炎症的一个重要途径，特别是

在种植初期，口腔创面处会因为致病菌的存在而导致

炎症甚至感染，从而导致种植失败，给患者带来的痛

苦可想而知。鉴于此，本研究采用阳极氧化法在医用

钛表面制备呈阵列紧密排列的 TiO2纳米管，并采用变

形链球菌对所制备材料进行体外培养来评价其生物抑

菌性能，并对其抑菌机理进行探讨。

2 材料与方法

2.1 材料的制备

将纯钛线切割成 1mm×10 mm×10 mm，经一系

列粒度的砂纸打磨后分别置于丙酮、无水乙醇和去离

子水中超声清洗 20min，再将其放入配制好的抛光液

中进行样品表面的抛光处理，再次用去离子水超声清

洗后干燥备用。

基金项目：国家科技创新项目(02CJ-02-02-18 )； 河北工业大学博士启动基金（2008-232） 作者简介：崔春翔（1958-），男（汉族），河北灵寿人，教授，博士，博士生导师，主要从事金属基功能复合材料研究.

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采用阳极氧化法制备TiO2纳米管/Ti种植牙材料：

以预处理后的钛样品为阳极，铂电极为对电极，

0.5Wt.%HF/丙三醇溶液为电解液，接于 WWL-LDX 型

直流稳压稳流设备上，于 20V 恒压反应一定时间来制

备 TiO2纳米管，样品的工作面积为 10 mm×5 mm，样

品经去离子水超声清洗后干燥备用。

2.2 体外细菌培养实验

本研究所用变形链球菌菌株由天津医科大学口腔

医院提供，采用划线接种法将其接种于血平板上，再

将经过紫外光照射和未照射的两种 TiO2 纳米管/Ti 材

料贴于血平板划线处，并以纯钛样品作为对照组进行

同样的培养试验，接种好后将血平板置于厌氧罐中放

入 5%CO2 培养箱中 37℃兼性厌氧培养 24h 和 48h 后

取出，用 2.5%戊二醛于 4℃冰箱中固定 30min，然后

用梯度乙醇溶液逐级脱水，临界点干燥喷金后进行扫

描电镜观察。

2.3 测试与表征

用 S-4800 场发射扫描电镜进行纳米管的形态观

察，用 EDAX 能谱仪进行材料的表面元素分析，用

philips XL-30 扫描电镜进行变形链球菌的形态观察，

用 XBX-J 紫外线分光仪进行光催化试验测定。

3 结果与分析

3.1 TiO2纳米管的微结构表征

图 1 为 Ti 的表面形貌及阳极氧化制备的纳米管的表

面、截面（插图为底面）的 SEM 图像及其能谱图。可

见，未经处理的钛样品表面光滑，如图 1(a)所示，而

经阳极氧化后钛表面呈现出排列规整、紧密的纳米管，

其管径在 50-80nm，如图 1(b)所示。该纳米管的长度

为 200~500 nm，管的底部呈半圆形整齐有序排列，如

图 1(c)所示。从能谱图可见其组成元素为 Ti、O，且

Ti 与 O 的原子比为 2.029，由此推知该氧化膜为 TiO2

（见图 1(d)）。

(a) (b)

(c)

Elem. Wt% At% Ti 59.60 33.01 O 40.40 66.99

(d)

Figure 1. SEM image of Ti (a) and top-view (b), cross-sectional (c) (and bottom-view in inset) SEM images and energy spectrum

(d) of nanotubes prepared by anodization

图 1.Ti 的表面形貌及阳极氧化制备的纳米管的表面、截面（插图为底面）的 SEM 图像及其能谱图

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3.2 体外细菌培养试验结果与分析

图 2 为未经紫外光照射的纯钛及 TiO2 纳米管/Ti

基种植牙材料体外细菌培养 24h 的 SEM 照片，可见，

体外培养 24h 后未经紫外光照射的纯钛样品表面的变

形链球菌大量繁殖，层叠分布，且单个细菌经分裂繁

殖呈链状聚集于材料表面，而 TiO2纳米管表面的变形

链球菌数量相对要少得多，基本呈单个分布，这一试

验结果表明，纳米材料的表面特性将起到良好的抑菌

效果。

图 3 为经紫外光照射的纯钛及 TiO2纳米管/Ti 基种植

牙材料体外细菌培养 24h 和 48h 的 SEM 照片。比较观

察可见，体外培养 24h 时，纯钛表面的变形链球菌数

量高于 TiO2纳米管表面，但与图 2 的结果比较可见，

其数量却均有所减少，可见光照后比光照前的抑菌性

更好，培养 48h 后，纯钛样品表面的变形链球菌数量

剧增，呈链状聚集性生长黏附于纯钛表面，而 TiO2

纳米管表面的细菌数量仍然很少，散落的黏附于 TiO2

纳米管表面，这一试验结果表明，两种材料的抑菌性

不同与其光催化性能不同直接相关。比较图 2 和图 3

(a) (b)

Figure 2. SEM images of bacteria culture in vitro for 24h on the surface of (a) pure titanium and (b) TiO2

nanotubes/ Ti matrix dental implants unexposed under UV-light

图 2. 未经紫外光照射的（a）纯钛及（b）TiO2纳米管/Ti 基种植牙材料体外细菌培养 24h 的 SEM 照片

(a)

(d)(c)

(b)

Figure 3. SEM images of bacteria culture in vitro for 24h and 48h on the surface of (a),(c) pure titanium and (b),(d)TiO2 nanotubes/

Ti matrix dental implants exposed under UV-light

图 3. 经紫外光照射的（a）、（c）纯钛及（b）、（d）TiO2纳米管/Ti 基种植牙材料体外细菌培养 24h 和 48h 的 SEM 照片

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Ti matrix

TiO2 nano-t b

Ti matrix

TiO2 nano-t b

Streptococcus mutans surface ab-sorption

Culture in it

F

F（caused by pressure difference）

Streptococcus mutans expansion

Streptococcus mutans breakage

Needle tip effect of nano-tubes

TiO2 nanotubes TiO2 nanotubes

Figur 4. Diagrammatic sketch of TiOⅠ 2 nanotubes bacteriostasis

图 4. TiO2纳米管的抑菌示意图Ⅰ

Ti matrix

TiO2 nano-tubes

UV-light

Ti matrix

TiO2 nano-tubes

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

OH-

Culture in

Streptococcus mu-tans(Ligand)

Biomembrane(Acceptor)

Combination

Photocatalysis decompo-sition

Photocatalysis decomposition

Figure 5. Diagrammatic sketch of TiOⅡ 2 nanotubes bacteriostasis 图 5 TiO2纳米管的抑菌示意图Ⅱ

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的试验结果又发现，纳米材料特有的表面特性的抑菌

效果弱于光催化作用的抑菌效果。而光照后纯钛样品

表现出来的抑菌性能主要是因为其常温下形成了一层

氧化膜，该氧化膜光照后也表现出来一定程度的光催

化特性。

4. TiO2纳米管抑菌机制探讨

一般来讲，细菌的生物学特性与材料的表面理化特性

是影响二者相互作用的直接因素。从变形链球菌的生

物学特性看，它是一种排列成链，不能运动的过氧化

氢酶阴性的格兰氏阳性链球菌，其细胞壁主要含有四

种大分子物质：细胞壁特异性多糖、肽聚糖、表面蛋

白和脂磷壁酸。脂磷壁酸的存在使得该菌体带有负电

荷，而其表面蛋白则可作为特异“配体”与牙面或材料

表面形成的获得性膜中的“受体”成分结合并介导细菌

黏附其上。从 TiO2纳米管的表面特性来看，一种可能

为：与纯钛表面形成的一般氧化层相比，该 TiO2纳米

管阵列表面的比表面积大大增加，表面原子数增多及

表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键存

在，这使得 TiO2纳米管具有很高的表面活性，变形链

球菌被吸附于其表面， Huang 和王和慧等人通过有限

元的方法计算了碳纳米管管口位置能产生真空高压带

[6, 7]，故细菌在纳米管通道的毛细管填充的初始阶

段，将在各个纳米管的管口位置产生针状高压带，细

菌的蛋白质衣壳可能在管内外的巨大压差下快速膨胀

而破裂从而起到了抑菌的作用，如图 4 所示 TiO2纳米

管的抑菌示意图Ⅰ，这一猜想可以很好的解释图 2 显

示的试验结果；另一种可能为，经紫外光照射后 TiO2

纳米管具有比纯钛表面形成的常规氧化层更好的光催

化性能，如图 6 所示，故 TiO2纳米管能够高效地分解

其表面形成的获得性膜或变形链球菌的生物膜，一方

面切断了变形链球菌黏附其上的路径，另一方面也破

坏了变形链球菌的结构，抑制了其黏附生长和聚集性

繁殖，如图 5 所示 TiO2纳米管的抑菌示意图Ⅱ。

5 结论

（1）采用阳极氧化法以 0.5wt.%HF/丙三醇的混

合溶液为电解液在钛基体上于 20V电压下反应一定时

间可以成功制备出管径在 50~80nm 的 TiO2纳米管层，

管长在 200~500nm。

（2）TiO2 纳米管层能有效抑制变形链球菌的数

量，表现出了优异的抑菌性能，其抑菌性与 TiO2纳米

Abs

orbe

ncy

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

0 .5 2

0 .5 4

0 .5 6

0 .5 8

0 .6 0

0 .6 2

Reaction Time/min

a b

c

d

Figure 6. Photocatalysis contrast experiment of samples exposed without and with UV-light. a TiO2 nanotubes/Ti unexposed with

UV-light; b Methylene blue solution without specimen; c Ti exposed with UV-light; d TiO2 nanotubes/Ti exposed with UV-light

图 6 紫外光照射前后样品的光催化对比试验. a 未经光照的 TiO2纳米管/Ti ; b 无样品的亚甲基蓝溶液; c 经紫外光照射的纯

钛; d 经紫外光照射的 TiO2纳米管/Ti 复合材料

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管管口产生的针状高压带对细菌的蛋白质衣壳的破坏

作用和其优异的光催化性能对细菌生物膜或材料表面

获得性膜的分解作用有关。

6 致谢

感谢天津市科技支撑重点项目（项目编号：

09ZCKFX03800），，河北省自然基金项目（项目编号：

E2009000102）和国家教育部博士点基金项目（项目编

号：20070080004）对本文的支持。

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