钛及其合金因其具有高强度、高生物相容性、良好的耐腐蚀性、良好的耐磨性和无毒性等性能被认为是最理想的植入物^[1]。然而，钛及其合金缺乏抗菌和骨组织结合能力^[2]，生物膜的形成和骨结合不良是导致种植失效的主要原因。

为了解决上述问题，人们开发了许多表面改性方法，如离子注入法、化学气相沉积法、微弧氧化法和阳极氧化法^[3]。在这些方法中，阳极氧化法^[4]可以在钛合金表面制造出二氧化钛纳米管（titanium dioxide nanotube，TN）膜层，其纳米级的粗糙表面使材料能够具有良好的亲水性，有利于防止细菌吸附和蛋白质粘附。TN还具有导电性，有利于骨细胞粘附和增殖。

聚多巴胺（poly-dopamine，PDA）^[5]源自贻贝黏蛋白，可通过多巴胺（dopamine，DA）在弱碱性环境中自发氧化聚合而获得。PDA具有儿茶酚和氨基官能团，因而具有出色的黏附性、抗氧化性、金属配位性和亲水性^[6]。它可以牢固地附着在任何材料的表面，因此，PDA常被用作中间层，与抗菌剂或亲水性聚合物形成复合涂层^[7]。两性离子聚合物^[8]是一种呈电中性的高分子材料，在其同一单体的侧链上同时含有正负电荷^[9]，通常分为聚甜菜碱和聚电解质两大类^[10]，如聚甲基丙烯酸磺基甜菜碱（polysulfobetaine methacrylate，PSBMA）、聚甲基丙烯酸羧基甜菜碱和聚2-甲基丙烯-酰氧乙基磷酸胆碱。由于两性离子聚合物具有优异的亲水性、不污性和生物相容性，已被广泛用于各种医疗器械的表面改性。

沸石咪唑酸框架-8^[11]（zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8）是一种典型的金属有机框架（metal-organic framework，MOF）材料。Zn²⁺能刺激成骨基因的表达，提高碱性磷酸酶的活性，从而促进骨细胞的分化。此外，炎症部位的生理环境呈酸性，而ZIF-8在酸性环境中可降解，从而释放Zn²⁺。Zn²⁺能穿透细菌的细胞膜，诱导细胞产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），干扰细菌的生理功能，导致细菌死亡，因此具有良好的抗菌能力^[12]。ZIF-8具有高孔隙率、高比表面积和pH响应的特性，使其也可用作药物载体^[13]。

本研究采用阳极氧化法制备了TN膜层，然后在TN表面逐步接枝PDA和PSBMA，最后采用一步水热法使环丙沙星（ciprofloxacin，CIP）@ZIF-8原位生长在TN表面，获得CIP@ZIF-8/PSBMA-TN（简写为CZPT）涂层。测试并讨论了CZPT涂层的表面形貌、成分、耐腐蚀性和亲水性，并采用平板计数法评估涂层的抗菌性能。

1 材料和方法 1.1 涂层的制备

图1为涂层制备示意图。将Ti6Al4V板切割成尺寸为10 mm× 10 mm × 3 mm的片材，用400#、800#、1000#、1500#和2000#砂纸打磨，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗30 min后烘干。烘干后的样品在含质量分数0.5%的氟化铵+含体积分数5.0%的去离子水+乙二醇溶液组成的电解液中进行阳极氧化处理，然后在60 V恒定电压下室温氧化1 h，结束后用去离子水清洗并烘干。最后，对样品进行温度为550 ℃，保温2 h的退火处理。

PSBMA采用高温引发自由基聚合法制备。将甲基丙烯酸磺基甜菜碱（sulfobetaine methacrylate，SBMA）（100 mg/mL）、过硫酸钾（100 mg/mL）和亚硫酸氢钠（1 mg/mL）溶解在超纯水中，振荡混合均匀后于65 ℃水浴5 h，进行聚合反应。降聚合反应结束的溶液分装在透析袋中，在超纯水中透析72 h，以去除过硫酸钾、亚硫酸氢钠、残留的SBMA单体和低聚物。透析过程中，每隔12 h更换1次超纯水。透析后，将上清液转移到−45 ℃的冷冻干燥机中冷冻干燥72 h，得到PSBMA粉末。

将2 mg DA溶于10 mL的Tris-HCl缓冲液（pH 为8.5）中。TN浸泡在DA溶液中24 h后在其表面沉积一层PDA涂层。取2、4、8 mg/mL PSBMA粉末溶于超纯水中。然后将带PDA涂层的样品放入PSBMA溶液中浸泡24 h，在其表面沉积一层PSBMA涂层。

将0.11 g六水合硝酸锌和0.02 g CIP加入20 mL去离子水中，得到的溶液记为A液。再将2.27 g 2-甲基咪唑溶于20 mL去离子水中，得到的溶液记为B液。在搅拌下将B液倒入A液中。搅拌20 min后降混合溶液转移到水热反应釜中并放入样品。在37 °C下保温1 h后取出，用去离子水冲洗，在37 ℃烘箱中干燥24 h，得到CZPT涂层。水热反应后，将反应釜中的溶液以8 000 r/min的转速离心10 min，用去离子水洗涤3次，并在37 ℃的烘箱中干燥，得到CIP@ZIF-8粉末。ZIF-8涂层采用和ZIF-8粉末相同的方法制备。

各涂层的全称、主要组分和缩写见表1。

1.2 涂层的表征

采用X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）分析涂层的成分，傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR）分析涂层中的官能团，扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）分析涂层的表面形态和元素分布。

1.3 Zn²⁺和 CIP 释放速率表征

将样品浸入5 mL磷酸盐缓冲溶液（phosphate buffered saline ，PBS）中 1、2、4、8、12、24、48、72、96、120 h。用电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP）测量Zn²⁺的释放量。通过紫外可见分光光度计（ultraviolet-visible spectrophotometer, UV-Vis）测定CIP的释放量。

1.4 耐腐蚀性表征

使用电化学工作站（CHI600E，上海辰华仪器有限公司）对样品进行耐腐蚀性测试。采用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，铂片为辅助电极，样品为工作电极。pH 为 7.4的模拟体液（simulated body fluid，SBF）作为电解质，测试温度保持在37 ℃，样品的工作面积为1 cm²，扫描速度为0.01 V/s。利用由Tafel曲线得到的自腐蚀电流密度来评价样品的耐腐蚀性。

1.5 抗菌检测

采用平板计数法评估涂层的抗菌性能，采用的菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。用液体培养基将菌种稀释成体积浓度为 1×10⁶ CFU/μL的菌液（CFU为colony-forming unit的简写，是菌落形成单位）。然后在样品表面滴加100 μL菌液，对照组不滴加菌液。每个样品表面覆盖一层薄膜并轻轻按压，最后放入37 ℃恒温培养箱中培养24 h；培养结束后，用900 μL灭菌PBS冲洗；将冲洗物用灭菌PBS连续稀释10倍，然后取100 μL稀释液均匀涂抹在固体培养基上，接着置于37 ℃恒温培养箱中培养24 h。

2 结果和讨论 2.1 涂层的物相分析

不同涂层的XRD结果如图2（a）所示。锐钛矿TiO₂特征峰的出现证实了样品在550 °C煅烧2 h后成功生成了锐钛矿相^[14]；同时，观察到了ZIF-8的特征峰（在 5°至20°处），与ZIF-8的标准卡片的特征峰一致，表明成功合成了ZIF-8。图2（b）结果表明，在ZIF-8中引入 CIP不会破坏ZIF-8的晶体结构。

图3（a）为PSBMA的FT-IR谱图。1 718 cm⁻¹和1 483 cm⁻¹处的峰值分别对应于O―C＝O和N―C的伸缩振动峰。此外，S―O的反伸缩振动峰和伸展振动峰分别位于1 165 cm⁻¹和1 037 cm⁻¹处。这些峰与SBMA单体的特征峰一致，表明PSBMA制备成功^[15]。

图3（b）显示了ZIF-8、CIP、CIP@ZIF-8的FT-IR谱图。在ZIF-8的FT-IR谱图中，3422 cm⁻¹处的峰表示羟基（―OH）的伸缩振动。3136、2926 cm⁻¹处的峰表示咪唑的C―H伸缩振动。1542 cm⁻¹处的吸收峰归因于咪唑环中C＝N的弯曲振动。此外，600～1 500 cm⁻¹处的吸附峰与咪唑环的伸缩振动相对应。在422 cm⁻¹处检测到Zn―N的伸缩振动峰。在CIP的FT-IR谱图中，C―H（芳香族）、C―N、C―C、C＝O、C―F的伸缩振动峰分别对应于3044、1708、1449、1375、1023 cm⁻¹处。在3441 cm⁻¹处检测到―OH的伸缩振动峰。在1624 cm⁻¹处检测到C＝O的伸缩振动峰。在CIP@ZIF-8的光谱中，1 624 cm⁻¹处的峰与C＝O伸缩振动有关，CIP中（―COOH）的不对称峰和对称峰分别对应于 1694、1375 cm⁻¹ 处。（―COOH）从1708 cm⁻¹处移动到 1694 cm⁻¹处可能是CIP与ZIF-8相互作用的结果^[16]。根据CIP@ZIF-8的FT-IR谱图，可推断CIP药物成功负载到ZIF-8中。

如图4（a）、（b）所示，TN的平均直径为110 nm，TN涂层的厚度约为3 μm。如图4（c）所示，TN涂层上有许多纳米颗粒，是DA在碱性环境中自发氧化聚合生成的。图4（d）为接枝PSBMA后的TN表面SEM图。由图4（d）可以明显看出TN的部分孔被覆盖，孔隙率下降。由图4（e），CZPT表面的SEM图，可以看出均匀的ZIF-8晶粒生长在PTN表面。图4（f）为ZIF-8的SEM图。合成的ZIF-8呈现正方体结构，平均尺寸为690 nm。

图5为接枝不同浓度PSBMA后的样品表面SEM图。如图5（a）、（b）所示，接枝聚合物后，样品部分表面沉积了一层涂层。从图5（c）、（d）可以看出，当聚合物浓度超过2 mg/mL后，TN表面会沉积一层加厚致密的PSBMA层，导致材料孔隙率下降，比表面积降低。此外，聚合物浓度增加会使聚合物容易脱落，并导致PSBMA纳米颗粒聚集。因此，为了获得较佳的植入特性，必须控制聚合物的浓度。通过避免过度聚合，可以确保材料保持足够的孔隙率、更高的表面体积比以及涂层的稳定性^[17]。

此外，还利用EDS对图4（e） 表面（CZPT涂层）的元素成分进行了研究，结果如表2所示。在CZPT表面检测到了S元素，表明PSBMA成功地接枝到了CZPT表面。Zn的检测证实了ZIF-8的成功合成。F元素的存在证明了药物被成功负载。

图6为不同涂层与水的接触角。结果显示，Ti6Al4V、TN、PT和ZPT与水的接触角分别为 71.50°、25.00°、7.12° 和 14.20°。阳极氧化后，样品与水的接触角显著下降。PT与水的接触角为7.12°，呈超亲水性。这是因为两性离子聚合物两侧同时具有正负电荷，静电诱导水合作用可以与水分子强结合，从而形成稳定的水合层。ZPT与水的接触角为14.20°，略大于PT与水的接触角，这是因为ZIF-8结构中有疏水官能团。但是相比于基体，材料的亲水性得到了极大地提升 ^[18]。

2.2 Zn²⁺和CIP释放

Zn²⁺和CIP的释放速率曲线如图7所示。Zn²⁺和CIP的释放速率动力学曲线表现出相似的趋势：随着时间的推移，释放速率均逐渐下降。

与pH为5.0的酸性环境相比，两者在pH为7.4的弱碱性环境中的释放速率有较大的提升。这表明周围环境的pH对Zn²⁺和CIP的释放行为起着至关重要的作用。

在植入初期，TN中的药物会迅速释放，之后释放速率则与ZIF-8有关。在人体环境中ZIF-8会发生降解，从而达到药物缓释的目的。在酸性条件下，药物释放速率加快。这可以用ZIF-8的酸碱反应性来解释^[19]，在酸性条件下，ZIF-8的稳定性下降，出现一定程度的结构坍塌和降解速率加快，从而导致药物释放速率增加。在弱碱性环境中，ZIF-8表现出优异的稳定性，药物通过ZIF-8的孔隙缓慢向外扩散。

2.3 耐腐蚀性

耐腐蚀性是评估植入物性能的关键因素之一^[20]。图8为Ti6Al4V、TN涂层和ZPT涂层浸泡在SBF中的极化曲线。表3中的电化学参数是通过分析极化曲线得到的。与Ti6Al4V相比，TN涂层和ZPT涂层的自腐蚀电流密度分别为4.85×10⁻⁷、2.62×10⁻⁷ A/cm²，均低于Ti6Al4V的（3.03×10⁻⁶ A/cm²）。同时，ZPT涂层的自腐蚀电势也向正轴方向移动。对电化学参数进行分析揭示出ZPT涂层具有更优越的耐腐蚀性。

图9为不同样品在SBF中浸泡2 h后的Nyquist图。与Ti6Al4V相比，TN涂层和ZPT涂层实际上具有更大的电容回路，表明具有更好的防腐蚀能力。特别是ZPT具有最大的电容回路。阻抗数据使用ZSimpWin软件进行分析和拟合，采用等效电路模型（见图10）。获得的模拟EIS结果总结在表4中。表4中：R_s为溶液电阻；R_c和C_c分别为外层ZIF-8涂层的电阻和电容；R_ct和C_ct分别为内层氧化层的电阻和电容；n和m 表示偏离理想电容的程度，n对应外层ZIF-8涂层的电容，m对应内层氧化层的电容。TN涂层可以防止溶液和基体的直接接触，另一方面，ZIF-8的颗粒填充在纳米管内，导致腐蚀离子扩散的复杂性增加。综上所述，ZPT涂层对钛合金具有有效的保护作用，这是由于ZPT涂层减小了基体与溶液的接触面积。

2.4 体外抗菌性能检测

抗菌性也是评价骨植入物生物特性的一个重要指标。采用平板计数法评估涂层的抗菌性能^[21]。与Ti6Al4V相比，PT涂层对大肠杆菌几乎没有抑制效果，PZT涂层和CZPT涂层表现出明显的抗菌活性，其中CZPT涂层的抗菌活性最强，如图11所示。对金黄色葡萄球菌的抗菌研究也得到了类似的结果，表明CZPT涂层可以抑制两种细菌的增殖。与Ti6Al4V相比，CZPT涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别提高到65%和96%，结果如图12所示。

由于金属离子与配体之间的结合力较弱，导致ZIF-8缓慢降解，释放出Zn²⁺，部分Zn²⁺聚集在细菌表面，提高细胞膜的通透性，使细菌内细胞质外流，导致细胞凋亡，从而达到抗菌的目的^[22]。部分Zn²⁺会穿过细胞膜，聚集在细菌内。细菌内的Zn²⁺会诱导细菌产生ROS，ROS的增多会干扰细菌生理功能，使细菌凋亡。此外，CIP能使细菌蛋白质的合成紊乱，导致细菌的繁殖速度下降。研究^[23]表明，碱性环境可以干扰细菌三磷酸腺苷的合成，从而抑制细菌繁殖，而ZIF-8降解会释放出OH⁻，形成弱碱性环境。总之，CZPT的抗菌活性来自Zn²⁺、CIP和OH⁻的共同作用。

3 结　论

通过将PDA作为中间层，在TN表面接枝PSMBA，再通过水热法在钛表面一步制备负载CIP的ZIF-8样品，制备出了亲水抗菌涂层。

（1） PDA和PSBM的存在可赋予样品表面良好的亲水性，相比Ti6Al4V与水的接触角，CZPT涂层与水的接触角降低到了14.20°，有利于减少蛋白质和细菌的粘附，提高材料的生物活性。

（2） CZPT涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别达到65%和96%，是Zn²⁺、OH⁻和CIP共同作用的结果。