【摘要】：鈦(Ti)及鈦合金是臨床上常用的骨植入材料,然而,由于其生物惰性,不能直接與骨組織化學鍵合,植入體內(nèi)后難以在初期快速成骨,臨床使用效果有待改善。對鈦及鈦合金表面改性,是解決上述問題的重要途徑。近年來,金屬鉭(Ta)以其優(yōu)良的抗腐蝕和生物學性能受到生物材料學界的廣泛關注,在鈦基材料表面制備鉭涂層,有望改善其生物相容性,促進骨組織整合。但鉭彈性模量偏高,作為骨替代材料容易在體內(nèi)造成應力屏蔽,甚至導致植入失效。進行多孔結構設計,可降低鉭的彈性模量,改善其與骨組織間的力學相容性。眾多涂層制備方法中,等離子噴涂法技術具有易操作、可控性強的特點,且等離子焰流溫度高(可達10000℃),有利于高熔點鉭粉的熔融,可用于植入體表面多孔鉭基涂層的制備。基于以上分析,本研究擬采用等離子噴涂方法在鈦植入體表面構建鉭基涂層。首先,通過在多孔低彈性模量鈦涂層表面制備鉭涂層的方式制備了具有高孔隙率、低彈性模量的鉭/鈦復合涂層,在保持鈦基植入體力學匹配性的同時,改善其生物相容性。其次,利用陽極氧化技術在鉭涂層表面制備具有微納多級結構的表面,提高其促細胞成骨分化能力。接著,從熱氧化的角度進行涂層成分優(yōu)化,研究了不同氧含量對鉭基涂層體外成骨分化性能的影響。最后,分別采用大氣和真空等離子噴涂方法制備了黑色五氧化二鉭(Ta_2O_5)涂層,對涂層光熱轉(zhuǎn)換效應與能帶結構關系進行了分析,并就涂層對腫瘤細胞的光熱殺傷能力進行了研究。取得了如下結果:1.分別采用大氣等離子噴涂與真空等離子噴涂的方法制備了鉭涂層。真空噴涂的鉭涂層中氧化產(chǎn)物較少,與基體結合強度較高。由于鉭的熔點較高(2998~oC),密度較大(16.65 g/cm~3),只能選取粒徑較小的粉體原料,所制備的鉭涂層孔隙率不高,彈性模量相對骨組織偏高。采用真空等離子噴涂方法成功制備了Ta/Ti雙層復合涂層。該復合涂層具有多孔結構和較低的彈性模量,涂層具有良好的抗蝕性。體外細胞實驗表明,相對于常規(guī)的多孔鈦涂層,Ta/Ti雙層復合涂層與骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)具有更好的相容性。2.結合陽極氧化與真空等離子噴涂方法制備了微納米多級結構的鉭涂層。以真空等離子噴涂方法制備了粗糙多孔的鉭涂層,采用陽極氧化法在其表面構建了孔徑15nm左右的Ta_2O_5納米管。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)陽極氧化處理后,鉭涂層的耐蝕性顯著增強。微納多級結構Ta_2O_5/Ta涂層能更好地促進hBMSCs在其表面的粘附和生長,促進干細胞的礦化以及成骨相關基因的表達,從而誘導人骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化。3.對鉭涂層進行熱氧化處理獲得不同氧含量的鉭基涂層,在低溫(400~oC)熱處理1h后,鉭發(fā)生了部分氧化,鉭基涂層中存在未氧化的鉭單質(zhì)以及其他亞穩(wěn)相的氧化物。鉭的氧化增強了涂層的化學穩(wěn)定性,改善了鉭涂層的細胞相容性以及細胞成骨分化性能。經(jīng)高溫(600~oC)熱處理的鉭涂層發(fā)生完全氧化,涂層因粉化而脫落。經(jīng)比較研究,經(jīng)低溫熱處理、未完全氧化的鉭基涂層呈現(xiàn)出了更好的細胞相容性和促細胞成骨分化能力。4.分別采用大氣和真空等離子噴涂方法制備了黑色Ta_2O_5涂層。在等離子噴涂過程中,粉末粒子與高溫等離子射流發(fā)生作用,導致晶格脫氧而產(chǎn)生氧空位,引入中間能帶,使帶隙大幅度減少,從而使涂層材料表現(xiàn)出較強的光吸收能力而呈黑色。相比于上述熱氧化處理獲得的Ta_2O_5涂層,等離子噴涂黑色Ta_2O_5涂層,無論在空氣或PBS溶液中均表現(xiàn)出更好的光熱轉(zhuǎn)化效果,這與其涂層結構中氧空位大量存在以及禁帶寬度變窄有關。黑色Ta_2O_5涂層對體外骨腫瘤細胞表現(xiàn)出了明顯的殺傷效果,同時具有良好的光熱穩(wěn)定性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4;R318.08
【圖文】：

骨組織的吸收和聚集，形成新的結構來適應外應力的不斷變化。有大量研究表明，外界應力的作用控制著骨組織的形狀以及內(nèi)部結構的變化[5]。另一方面，骨組織具有獨特的力學性能，賦予骨和骨骼系統(tǒng)所承受的各種機械和結構載荷的顯著能力。表 1.1 列出了骨的典型機械和物理性質(zhì)[6]。表 1.1 人體骨組織的力學性能[6]Table 1.1 Mechanical performance of human bone tissue骨組織密度(g/cm3)壓縮強度(MPa)抗拉強度(MPa)彈性模量(GPa)松質(zhì)骨 1.0-1.4 1.5-9.3 1.5-38 0.01-1.57皮質(zhì)骨 1.8-2.0160（軸向）240（徑向）35 （軸向）283（徑向）5-23

骨長期受力且能不斷適應外界變化的力學環(huán)境，其結構上也具有特殊性，因此，在構建骨植入體時，也應當盡量降低植入體與自然骨力學性質(zhì)上的差異來加強骨修復和植入的效果。彈性模量是骨植入材料重要的力學指標之一，同時也較大的影響著骨植入材料的力學相容性。往往植入體的彈性模量較人體骨偏高，植入人體之后，在外應力的作用下，骨植入體和人體骨組織會產(chǎn)生不同的應變從而導致二者的相對位移，產(chǎn)生應力屏蔽（圖 1.2）。在長期的使用過程中，骨組織會由于產(chǎn)生的應變較小而發(fā)生吸收和萎縮，植入體則有可能因為承受較大應變而產(chǎn)生變形或者斷裂，造成植入的失效，影響植入體的壽命。因此，應該降低骨植入體的彈性模量來提高骨植入材料的力學相容性，盡量降低植入體的彈性模量使之與人體骨組織相匹配，使兩者的應變程度一致。此外，骨植入體還應具備一定的強度來支撐人體的重量以及外部的應力作用。

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊寧;張青松;趙義平;張桂芳;;材料的生物學性能教學的思考[J];山東化工;2018年18期

2 ;細胞工程[J];生物技術通報;1989年02期

3 孫皎;薛淼;沈一敏;孟愛英;錢云芳;;節(jié)育用硅橡膠材料的生物學性能測試研究[J];上海生物醫(yī)學工程;1993年03期

4 鄭學斌,丁傳賢;人體硬組織替代材料的力學及生物學性能研究(英文)[J];中國臨床康復;2005年02期

5 陳德敏,施琥,薛淼,顧國珍,孟愛英,錢云芳;磷灰石骨水泥材料的生物學性能評價[J];中國口腔種植學雜志;1997年02期

6 王燕萍;曹靈;于金華;;牙髓干細胞生物學性能影響因素的研究進展[J];口腔生物醫(yī)學;2013年03期

7 徐廣濤;林天送;周新妹;于海寧;徐國文;吳曉薇;鄭漾;俞杭斌;陳士票;;絲素蛋白的相關生物學性能研究[J];天津醫(yī)藥;2010年09期

8 鄒麗劍;張滌生;王煒;朱昌;;不同純度純鈦的生物學性能研究[J];中華整形燒傷外科雜志;1997年06期

9 李亦文，薛淼，張彩霞，徐淑卿;醫(yī)用熱硫化硅橡膠的溶出物特性與生物學性能的相關性研究[J];中國生物醫(yī)學工程學報;1994年03期

10 徐啟明;周晟博;冒海蕾;王斌;;抗菌材料生物學性能的檢測方法[J];組織工程與重建外科雜志;2015年06期

相關會議論文 前10條

1 王晨;董利民;田杰謨;李兆新;昝青峰;;煅燒骨的制備及理化和生物學性能研究[A];第十三屆全國高技術陶瓷學術年會摘要集[C];2004年

2 高燕;張富強;鄭學斌;;不同載體摻雜CeO_2的生物涂層的結構特征和生物學性能[A];第六次全國口腔修復學學術會議論文摘要匯編[C];2009年

3 竇宏儀;羅蘭;張順;徐士清;;介入治療水凝膠微球栓塞劑的實驗研究及生物學性能評價[A];中國生物醫(yī)學工程學會第六次會員代表大會暨學術會議論文摘要匯編[C];2004年

4 雷勇;馬麗莉;何佳恒;鄧候富;;新型放射性骨治療劑~(117)m錫—三乙撐四胺六甲撐膦酸(~(117m)Sn-TTHMP)生物學性能的研究[A];第三屆全國核素治療學術交流會議論文摘要匯編[C];2003年

5 許媛媛;武繼民;李志宏;汪鵬飛;;改性膠原海綿支架理化性能和生物學性能研究[A];天津市生物醫(yī)學工程學會2008年年會暨首屆生物醫(yī)學工程與臨床論壇論文集[C];2008年

6 馬遠征;李力韜;馬云龍;;鈦表面PDA-PEG-PLGA-INH抗結核控釋涂層的構建及生物學性能研究[A];第四屆骨關節(jié)結核臨床診斷與治療進展及其規(guī)范化專題研討會資料匯編[C];2016年

7 劉明賢;羅丙紅;容建華;周長忍;;埃洛石納米管復合殼聚糖材料的制備及其生物學性能[A];2011年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2011年

8 岳進;雷德林;毛天球;郭大剛;;梯度含鍶磷酸鈣骨水泥的仿生合成及其體外生物學性能檢測[A];第五次全國口腔頜面—頭頸腫瘤學術研討會論文匯編[C];2006年

9 黃丹;黃品;馬克娜;蔡新杰;王貽寧;蔣滔;;鍶/銀/殼聚糖明膠復合涂層的構建及其生物學性能研究[A];第十一次全國口腔修復學學術會議論文匯編[C];2017年

10 張晶;劉麗;;微量元素修飾純鈦表面的生物學性能評價[A];第八屆全國口腔材料學術交流會暨中華口腔醫(yī)學會口腔材料專業(yè)委員會2013年會論文集[C];2013年

相關博士學位論文 前10條

1 丁玎;骨植入體表面鉭基涂層的制備和生物學性能研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

2 陸翔;含硼硅酸鈣基陶瓷涂層的生物學性能及其促成骨分化機制研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

3 白艷潔;緩釋PGE2對成骨細胞生物學性能及相關成骨基因表達的影響[D];中國醫(yī)科大學;2018年

4 劉堯;PD-1維持人牙髓間充質(zhì)干細胞生物學性能及相關調(diào)控機制的研究[D];中國醫(yī)科大學;2018年

5 孫達;一種新型含銅不銹鋼的生物學性能研究[D];重慶大學;2016年

6 羅巧潔;鈦生物學性能的表面拓撲結構依賴性研究[D];浙江大學;2015年

7 王敏;二氧化鋯基臺材料的生物學性能研究[D];武漢大學;2013年

8 周睿;純鈦微弧氧化陶瓷涂層結構調(diào)控及生物學性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

9 劉冰;鈦及鈦合金表面生物活性磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的制備與表征[D];山東大學;2017年

10 張鑫明;醫(yī)用鈦合金表面生物功能化改性及生物學性能研究[D];天津大學;2014年

相關碩士學位論文 前10條

1 龔哲妮;鈦酸鹽納米網(wǎng)格的制備及其生物學性能的研究[D];華中師范大學;2017年

2 李彥集;基于伐普肽自組裝納米貴金屬材料及其生物學性能的研究[D];燕山大學;2017年

3 郭曉恒;元素摻雜復合磷酸鈣支架的三維打印及其生物學性能研究[D];華南理工大學;2017年

4 王寶娟;海洋防污涂料及其主要成分的生物學性能研究[D];中國海洋大學;2007年

5 王冉;新型鈦鈮鋯錫合金生物學性能研究[D];第四軍醫(yī)大學;2007年

6 田斌;海洋防污涂層生物學性能的研究[D];中國海洋大學;2005年

7 張茜;GG純鈦體瓷材料力學性能及生物學性能的研究[D];第四軍醫(yī)大學;2009年

8 敖梅英;應用于生豬飼養(yǎng)的益生微生物的篩選及其生物學性能評價[D];南昌大學;2011年

9 劉玉昆;負載無機活性粒子的多孔陽極氧化鋁薄膜制備及生物學性能研究[D];東華大學;2017年

10 李賓斌;BMMSCs生物學性能及與脊髓修復材料的生物作用[D];武漢理工大學;2012年

本文編號：2712851