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充电赋予医学植入材料抗菌性能

除纳米发电机供电,直流、交流电源供电也可产生效应
2018-06-11 01:03:07 来源:健康报
  (记者王潇雨)近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究人员发现,充电可使材料获得抗菌性能。这为赋予医学植入材料抗菌性能提供了新的方法。人们可通过充电,使得骨科植入材料的二氧化钛表面获得抗菌性,从而减少术后感染和并发症的风险,并促进成骨细胞在植入物表面的黏附和生长,利于骨折后的修复治疗。该成果论文近日发表在《自然·通讯》上。

  很多植入材料都是通过表面的物理修饰或化学改性,获得一定的抗菌性能,且这些修饰的作用机理都与“电”相关。比如,在钛基材料表面注入银、锌等纳米颗粒发生电化学反应,使钛基底获得抗菌性能;又如,在材料表面加入带正电荷的高分子,也可使材料获得抗菌性能;再如,将电场直接作用在小尺寸纳米材料表面,也可对细菌造成电穿孔,起到杀菌的效果。

  生物细胞时刻进行着密集、精细、活跃的电活动。细胞维持新陈代谢产生能量,通过电子在呼吸链上的一系列蛋白之间的传递所实现的,而且微生物对于外界的电扰动更为敏感。

  纳米能源所李舟课题组和王中林课题组2017年进行联合研究,将摩擦纳米发电机输出的电压、电流连接到修饰了氧化锌纳米线和纳米银颗粒的碳布电极上,并让细菌溶液从碳布电场之间流过。结果发现,发电机停止供电的20分钟内,碳布电极依然对细菌具有很强的杀灭作用,且电极材料的电容越大,断电后的长期抗菌性能越强。同时,在断电后处理的细菌胞体内,检测到了强烈的活性氧信号。

  在此基础上,研究人员和香港城市大学朱剑豪课题组合作,将原来的动态流动体系改为静态处理体系,并采用基于二氧化钛纳米管的电容性材料,用碳修饰来增加材料的电容进行研究。电容材料获得了新的抗菌性能,且抗菌性能力与材料电容呈正相关。而且,不仅是纳米发电机供电,常见的直流、交流电源供电都可以产生这样的效应,在被处理的细菌胞体内,同样检测到了活性氧信号。据此,研究人员确认,充电可以赋予原本不抗菌的电容性材料以抗菌性能是普适现象,并命名为“充电后的抗菌性”。

  研究发现,充电对碳掺杂二氧化钛表面的生物相容性没有任何不利影响,甚至促进了成骨细胞在基底上的黏附和生长,有望据此设计更多的电对材料的修饰方案并开发更多用途。

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