基于还原氧化石墨烯的二氧化钛光催化抗菌骨支架研究

学术背景

在骨缺损修复过程中，细菌感染是植入人工骨支架后最常见的并发症之一。细菌在支架表面形成生物膜，释放酸和酶，干扰骨代谢，破坏骨基质，抑制细胞增殖，延缓骨愈合。为了解决这一问题，研究人员一直在探索具有抗菌功能的骨支架材料。二氧化钛（TiO₂）作为一种金属氧化物半导体，因其光催化产生活性氧（ROS）的能力而被广泛研究。然而，TiO₂光生电子-空穴对的快速复合导致其光催化效率较低，限制了其在抗菌应用中的潜力。

为了提升TiO₂的抗菌效率，研究人员尝试通过改变其晶体结构和表面性质来延长光生载流子的寿命和分离效率。然而，金属离子的引入可能会对细胞产生毒性，影响骨缺损修复。还原氧化石墨烯（rGO）作为一种高导电性材料，能够有效促进光生电子-空穴对的分离，同时具有良好的生物相容性。因此，将rGO与TiO₂结合，有望提升其光催化抗菌性能。

论文来源

这篇论文由Pei Feng、Haifeng Tian、Feng Yang、Shuping Peng、Hao Pan和Cijun Shuai共同撰写，作者来自中南大学机电工程学院、中南大学湘雅医学院、中南大学湘雅口腔医院等机构。论文于2025年1月7日在线发表在Bio-design and Manufacturing期刊上，DOI为10.1631/bdm.2300372。

研究流程

1. 材料合成与表征

研究首先通过水热法合成了TiO₂@rGO复合材料。具体步骤如下： - 步骤1：将150 mg氧化石墨烯（GO）超声分散在无水乙醇中，形成3 mg/mL的GO乙醇溶液。 - 步骤2：向溶液中逐渐加入7 mL钛酸四丁酯和0.8 mL氢氟酸（HF），搅拌10分钟后在150°C下反应24小时。 - 步骤3：反应产物经过水洗、离心（6000 r/min，10分钟）和干燥（24小时）后，得到TiO₂@rGO复合材料。

通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱等手段对材料进行了表征。结果表明，TiO₂成功生长在rGO表面，并形成了Ti-O-C共价键连接。电化学阻抗测试显示，TiO₂@rGO复合材料的阻抗显著降低，瞬态光电流强度从0.05 μA/cm²增加到0.5 μA/cm²。

2. 骨支架的制备

将TiO₂@rGO复合材料引入聚乳酸（PLLA）粉末中，通过选择性激光烧结（SLS）技术制备具有光催化抗菌功能的骨支架。具体步骤如下： - 步骤1：将TiO₂@rGO粉末超声分散在乙醇中，与PLLA粉末按19:1的质量比混合，磁力搅拌3小时，形成均匀分散的溶液。 - 步骤2：将混合溶液离心（6000 r/min，8分钟），干燥后得到PLLA/TiO₂@rGO（PTG）复合粉末。 - 步骤3：使用SLS系统制备三维多孔支架。激光功率为1.8 W，扫描速度为120 mm/s，逐层烧结直至完成支架制备。

3. 光催化活性与抗菌性能测试

通过罗丹明B（RhB）降解实验评估了PTG支架的光催化活性。结果显示，PTG支架在紫外光照射下显著降解RhB，表明其能够产生ROS。抗菌实验表明，PTG支架对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有良好的抗菌性能。在紫外光照射下，PTG支架对E. coli和S. aureus的存活率分别降至40%和29%。

4. 机械性能与生物相容性测试

通过拉伸和压缩测试评估了PTG支架的机械性能。结果显示，PTG支架的拉伸强度从474 MPa增加到640 MPa，压缩强度从130 MPa增加到230 MPa，压缩模量从14.73 MPa增加到18.77 MPa。细胞实验表明，PTG支架具有良好的生物相容性，能够促进人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）的增殖和粘附。

主要结果与结论

1. TiO₂@rGO复合材料的成功合成：通过水热法成功合成了TiO₂@rGO复合材料，rGO的高导电性显著促进了TiO₂光生电子-空穴对的分离，提高了光催化效率。
2. PTG支架的光催化抗菌性能：PTG支架在紫外光照射下能够产生大量ROS，显著降解RhB，并对E. coli和S. aureus表现出优异的抗菌性能。
3. PTG支架的机械性能与生物相容性：PTG支架的机械性能显著优于纯PLLA支架，同时具有良好的生物相容性，能够促进细胞增殖和粘附。

研究亮点

1. 创新性材料设计：通过将rGO与TiO₂结合，成功解决了TiO₂光生电子-空穴对快速复合的问题，显著提升了其光催化抗菌性能。
2. 多功能骨支架：PTG支架不仅具有优异的光催化抗菌性能，还具备良好的机械性能和生物相容性，为骨缺损修复提供了新的解决方案。
3. 应用前景广阔：该研究为抗菌骨支架的开发提供了新的思路，具有广泛的应用前景，特别是在骨感染治疗领域。

研究意义与价值

该研究通过创新性的材料设计和制备方法，成功开发了一种具有光催化抗菌功能的多功能骨支架。这一研究成果不仅提升了TiO₂在抗菌应用中的效率，还为骨缺损修复提供了新的解决方案，具有重要的科学价值和应用价值。未来，该技术有望在临床骨感染治疗中得到广泛应用。