TiO2及其復合物的生物活性研究進展*

聶文林，陽小勇

(1.滇西科技師范學院 數理學院，云南 臨滄 677000；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；3.滇西科技師范學院 生物技術與工程學院，云南 臨滄 677000)

TiO2作為一種重要的無機化工原料，廣泛用于催化劑、化妝品、油墨、塑料、橡膠、光敏材料、油漆和陶瓷等行業。尤其是涂料行業，TiO2在白色顏料中遮蓋力最強，普遍用于白色制品和金屬表面涂料。雖然鈦合金長期以來被用作可植入的生物材料,但是作為鈦化合物的TiO2在生物和醫學方面的研究及產生的作用越來越凸顯，如在助骨質生長、醫用植入材料、抗菌、抗病毒及藥物載體等方面的研究成為關注的焦點。

1 TiO2材料在人體骨組織修復及植入領域的研究

鈦合金、納米TiO2及TiO2生物膜因其能誘導羥基磷灰石的生長，具有骨質修復功能與生物相容性特征，所以普遍用于骨科、牙科等植入體表面改性領域。如TiO2納米管作為生物活性膜能加快表面類骨羥基磷灰石的沉積[1-2],而由于其中空的管狀結構具有較大的比表面積則能夠增加表面蛋白的吸附量,以此通過緩釋負載藥物，有利于機體對藥物的吸收[3]。肖帆等使用TiCl3鹽酸溶液作為原料,通過水熱法在Ti-6Al-4V合金基體表面原位生長的TiO2納米棒陣列的薄膜能在3 d內誘導羥基磷灰石的生長,具有優異的生物活性[4]。李博在Ti-6Al-4V表面成功制備了含釔的TiO2涂層，載釔TiO2涂層具有良好的生物相容性及抗菌能力,為研發理想的新型骨科及牙科植入體修復材料提供了有價值的參考信息[5]。同樣在該研究領域，張賢俊、趙錫江研究利用陽極氧化法技術在鈦表面制備TiO2納米管層，采用等離子體浸沒離子植入和沉積法，將硅離子沉積在TiO2納米管層表面，研究表明材料具備良好的成骨活性，為可植入的生物材料開辟了新的路徑[6]。張文信則首次采用感應液相等離子噴涂制備了一種具有微納多級結構的氫化黑色TiO2涂層，該涂層表現出優異的、可控的光熱和光動力效應，在808 nm波長的近紅外激光照射下能夠有效殺死腫瘤細胞，還能促進鼠骨髓間充質干細胞的黏附、增殖和成骨分化，該研究也能為骨腫瘤的治療開辟一條新的道路[7]。孫鑫等將鈦金屬在700 ℃下退火1 h，在鈦金屬表面形成一層TiO2生物活性層,并分別在該活性層表面(種植組)和未經任何處理鈦金屬表面(對照組)培養MG63成骨樣細胞,結果顯示，MG63成骨細胞的增殖數量種植組明顯多于對照組,可見簡單的熱處理可以有效提高鈦種植體的生物活性,提高其與基體骨組織的整合效率[3]。以上研究表明，改性TiO2由于其特有的物理及化學結構，不但能加快骨質修復而且能促進藥物的吸附，有利于機體吸收藥物，研究前景一片光明。

2 TiO2在抗菌領域的作用

TiO2本身屬于綠色無機材料，不具備對生物機體的毒害性，但改性的納米TiO2則對生物機體存在一定的危害作用，同時TiO2材料在抗菌方面還顯示獨特的性質，常用作食品保鮮材料[8]，也可用于造紙和皮革領域，保持紙張和皮革的抗菌、自清潔等性能[9]。國外研究表明，粒徑為16～20 nm的光敏TiO2納米粒子在室溫條件下對革蘭氏(+)枯草桿菌(Gram’s bacillus subtilis)和革蘭氏(-)大腸桿菌[Gram’s escherichia coli (k12)]細菌具有不同程度的抗菌活性，隨著初級粒徑的增大，抗菌活性逐漸增大[10]。何娉婷則研究得出在對大腸桿菌(Escherichia coli)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抗菌方面，TiO2納米粒子比納米管具有更好的抗菌性能[11]。為了摸索四環素(Tetracycline)的減量效果，有學者將四環素溶液置于TiO2溶液懸浮液中，在同一光源輻射下四環素能得到快速降解[12]，這對解決抗生素污染問題提供策略選擇。在輔助四環素抗菌方面，張永麗、袁偉研究得出納米TiO2加入四環素與單獨添加梯度濃度的四環素相比，前者能進一步抑制敏感質控菌株(E.coli ATCC25922)的生長，但對耐藥菌大腸桿菌(M13)作用不大[13]。在抗菌材料研究領域，師巖等人制備了納米抗菌LDPE/TiO2/PST復合膜,結果表明LDPE/TiO2/PST復合膜的抗菌性能明顯高于純LDPE膜，且隨著復合抗菌劑用量的增加而不斷提高[14]。樊衛華、李文等人對納米TiO2進行表面改性,制得PP/改性納米TiO2復合抗菌材料,當KH-570硅烷偶聯劑[Silane coupler(G-570)]改性納米TiO2質量分數為2%時,復合抗菌薄膜對大腸桿菌的抗菌率可達到90.6%[15]。上述研究結果揭示了納米TiO2材料的生物活性、抗菌性能及藥物降解功能，對于評價納米TiO2材料在抗菌領域風險及其產業的可持續性具有理論指導意義，為進一步研究具有更高性能及更廣闊應用前景的TiO2抗菌復合材料積累了豐富的經驗。

3 TiO2的生物毒理作用研究

葛暢為探討TiO2納米材料生物毒性效應及機制，采取急性毒性實驗方法，以原生動物尾草履蟲(Paramecium caudatum)為實驗對象進行生物毒性探索，結果表明TiO2納米材料對尾草履蟲的過氧化物酶(POD)表現出較為明顯的抑制作用[16]。食品工業中TiO2常作為食品添加劑，但近來研究發現并已證實，納米TiO2攝入后被胃腸道吸收并蓄積在肝臟、腎臟、脾臟等組織中，而胃腸道更易受影響，TiO2易誘導引發胃潰瘍、胃癌、腸炎、腸癌等疾病[17]。為了探究TiO2納米顆粒(TiO2NPs)對鎘(Cd)脅迫下植物生長機理的影響，王苗苗等以小白菜(Brassica rapa var.glabra)為受試植物進行探究，研究表明，TiO2NPs作為載體顯著促進小白菜根系對Cd的吸收，并轉運至葉徑，可引起膜脂過氧化，破壞幼苗的葉綠體結構和抗氧化系統，從而抑制白菜生長發育[18]。黃茜枝在研究納米TiO2對厚殼貽貝(Mytilus coruscus)的影響中指出，納米TiO2暴露會抑制厚殼貽貝的個體能量代謝,破壞鰓和消化腺組織的抗氧化系統，削弱血細胞免疫防御能力，且高濃度的小粒徑納米TiO2(25 nm，10 mg/L)和酸化海水(pH=7.3)對厚殼貽貝相關生理生化指標具有顯著交互作用和短期遺留效應[19]。在抗腫瘤方面，包偉晶發現光催化納米TiO2可通過提高移植瘤組織的Caspase-3蛋白酶表達活性來誘導細胞凋亡,從而抑制腫瘤生長，同時指出光催化納米TiO2通過誘導腫瘤細胞凋亡和介導炎性反應是其發揮抑癌作用的可能機制[20]。

4 結束語

TiO2做為無機材料在無機工業領域起到了舉足輕重的作用，并已形成了附加值極高的高功能納米TiO2精細無機材料產業。國內納米TiO2的生產能力已經突破1 000萬t/a，但也存在以下問題。(1)低水平重復性研究現象嚴重，經濟效益不高；(2)研究集中在對納米TiO2的制備，而對TiO2復合物的應用研究投入不夠；(3)不同行業研究機構之間的合作力度不大，尤其對納米TiO2的生物學與醫學研究領域缺乏活力。TiO2及其復合物在抗菌、抗腫瘤及毒理方面表現出特有的生物活性，故在開發食品衛生材料、治理污染、開發醫學材料及藥物載體等領域，納米TiO2必將引起廣泛的關注[21]，具有廣闊的市場前景。