TiO2及其复合物的生物活性研究进展*

聂文林，阳小勇

(1.滇西科技师范学院 数理学院，云南 临沧 677000；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；3.滇西科技师范学院 生物技术与工程学院，云南 临沧 677000)

TiO2作为一种重要的无机化工原料，广泛用于催化剂、化妆品、油墨、塑料、橡胶、光敏材料、油漆和陶瓷等行业。尤其是涂料行业，TiO2在白色颜料中遮盖力最强，普遍用于白色制品和金属表面涂料。虽然钛合金长期以来被用作可植入的生物材料,但是作为钛化合物的TiO2在生物和医学方面的研究及产生的作用越来越凸显，如在助骨质生长、医用植入材料、抗菌、抗病毒及药物载体等方面的研究成为关注的焦点。

1 TiO2材料在人体骨组织修复及植入领域的研究

钛合金、纳米TiO2及TiO2生物膜因其能诱导羟基磷灰石的生长，具有骨质修复功能与生物相容性特征，所以普遍用于骨科、牙科等植入体表面改性领域。如TiO2纳米管作为生物活性膜能加快表面类骨羟基磷灰石的沉积[1-2],而由于其中空的管状结构具有较大的比表面积则能够增加表面蛋白的吸附量,以此通过缓释负载药物，有利于机体对药物的吸收[3]。肖帆等使用TiCl3盐酸溶液作为原料,通过水热法在Ti-6Al-4V合金基体表面原位生长的TiO2纳米棒阵列的薄膜能在3 d内诱导羟基磷灰石的生长,具有优异的生物活性[4]。李博在Ti-6Al-4V表面成功制备了含钇的TiO2涂层，载钇TiO2涂层具有良好的生物相容性及抗菌能力,为研发理想的新型骨科及牙科植入体修复材料提供了有价值的参考信息[5]。同样在该研究领域，张贤俊、赵锡江研究利用阳极氧化法技术在钛表面制备TiO2纳米管层，采用等离子体浸没离子植入和沉积法，将硅离子沉积在TiO2纳米管层表面，研究表明材料具备良好的成骨活性，为可植入的生物材料开辟了新的路径[6]。张文信则首次采用感应液相等离子喷涂制备了一种具有微纳多级结构的氢化黑色TiO2涂层，该涂层表现出优异的、可控的光热和光动力效应，在808 nm波长的近红外激光照射下能够有效杀死肿瘤细胞，还能促进鼠骨髓间充质干细胞的黏附、增殖和成骨分化，该研究也能为骨肿瘤的治疗开辟一条新的道路[7]。孙鑫等将钛金属在700 ℃下退火1 h，在钛金属表面形成一层TiO2生物活性层,并分别在该活性层表面(种植组)和未经任何处理钛金属表面(对照组)培养MG63成骨样细胞,结果显示，MG63成骨细胞的增殖数量种植组明显多于对照组,可见简单的热处理可以有效提高钛种植体的生物活性,提高其与基体骨组织的整合效率[3]。以上研究表明，改性TiO2由于其特有的物理及化学结构，不但能加快骨质修复而且能促进药物的吸附，有利于机体吸收药物，研究前景一片光明。

2 TiO2在抗菌领域的作用

TiO2本身属于绿色无机材料，不具备对生物机体的毒害性，但改性的纳米TiO2则对生物机体存在一定的危害作用，同时TiO2材料在抗菌方面还显示独特的性质，常用作食品保鲜材料[8]，也可用于造纸和皮革领域，保持纸张和皮革的抗菌、自清洁等性能[9]。国外研究表明，粒径为16～20 nm的光敏TiO2纳米粒子在室温条件下对革兰氏(+)枯草杆菌(Gram’s bacillus subtilis)和革兰氏(-)大肠杆菌[Gram’s escherichia coli (k12)]细菌具有不同程度的抗菌活性，随着初级粒径的增大，抗菌活性逐渐增大[10]。何娉婷则研究得出在对大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抗菌方面，TiO2纳米粒子比纳米管具有更好的抗菌性能[11]。为了摸索四环素(Tetracycline)的减量效果，有学者将四环素溶液置于TiO2溶液悬浮液中，在同一光源辐射下四环素能得到快速降解[12]，这对解决抗生素污染问题提供策略选择。在辅助四环素抗菌方面，张永丽、袁伟研究得出纳米TiO2加入四环素与单独添加梯度浓度的四环素相比，前者能进一步抑制敏感质控菌株(E.coli ATCC25922)的生长，但对耐药菌大肠杆菌(M13)作用不大[13]。在抗菌材料研究领域，师岩等人制备了纳米抗菌LDPE/TiO2/PST复合膜,结果表明LDPE/TiO2/PST复合膜的抗菌性能明显高于纯LDPE膜，且随着复合抗菌剂用量的增加而不断提高[14]。樊卫华、李文等人对纳米TiO2进行表面改性,制得PP/改性纳米TiO2复合抗菌材料,当KH-570硅烷偶联剂[Silane coupler(G-570)]改性纳米TiO2质量分数为2%时,复合抗菌薄膜对大肠杆菌的抗菌率可达到90.6%[15]。上述研究结果揭示了纳米TiO2材料的生物活性、抗菌性能及药物降解功能，对于评价纳米TiO2材料在抗菌领域风险及其产业的可持续性具有理论指导意义，为进一步研究具有更高性能及更广阔应用前景的TiO2抗菌复合材料积累了丰富的经验。

3 TiO2的生物毒理作用研究

葛畅为探讨TiO2纳米材料生物毒性效应及机制，采取急性毒性实验方法，以原生动物尾草履虫(Paramecium caudatum)为实验对象进行生物毒性探索，结果表明TiO2纳米材料对尾草履虫的过氧化物酶(POD)表现出较为明显的抑制作用[16]。食品工业中TiO2常作为食品添加剂，但近来研究发现并已证实，纳米TiO2摄入后被胃肠道吸收并蓄积在肝脏、肾脏、脾脏等组织中，而胃肠道更易受影响，TiO2易诱导引发胃溃疡、胃癌、肠炎、肠癌等疾病[17]。为了探究TiO2纳米颗粒(TiO2NPs)对镉(Cd)胁迫下植物生长机理的影响，王苗苗等以小白菜(Brassica rapa var.glabra)为受试植物进行探究，研究表明，TiO2NPs作为载体显著促进小白菜根系对Cd的吸收，并转运至叶径，可引起膜脂过氧化，破坏幼苗的叶绿体结构和抗氧化系统，从而抑制白菜生长发育[18]。黄茜枝在研究纳米TiO2对厚壳贻贝(Mytilus coruscus)的影响中指出，纳米TiO2暴露会抑制厚壳贻贝的个体能量代谢,破坏鳃和消化腺组织的抗氧化系统，削弱血细胞免疫防御能力，且高浓度的小粒径纳米TiO2(25 nm，10 mg/L)和酸化海水(pH=7.3)对厚壳贻贝相关生理生化指标具有显著交互作用和短期遗留效应[19]。在抗肿瘤方面，包伟晶发现光催化纳米TiO2可通过提高移植瘤组织的Caspase-3蛋白酶表达活性来诱导细胞凋亡,从而抑制肿瘤生长，同时指出光催化纳米TiO2通过诱导肿瘤细胞凋亡和介导炎性反应是其发挥抑癌作用的可能机制[20]。

4 结束语

TiO2做为无机材料在无机工业领域起到了举足轻重的作用，并已形成了附加值极高的高功能纳米TiO2精细无机材料产业。国内纳米TiO2的生产能力已经突破1 000万t/a，但也存在以下问题。(1)低水平重复性研究现象严重，经济效益不高；(2)研究集中在对纳米TiO2的制备，而对TiO2复合物的应用研究投入不够；(3)不同行业研究机构之间的合作力度不大，尤其对纳米TiO2的生物学与医学研究领域缺乏活力。TiO2及其复合物在抗菌、抗肿瘤及毒理方面表现出特有的生物活性，故在开发食品卫生材料、治理污染、开发医学材料及药物载体等领域，纳米TiO2必将引起广泛的关注[21]，具有广阔的市场前景。