【摘要】：鈦合金具有良好的生物相容性、綜合力學(xué)性能、機械加工性能和耐腐蝕性能,是理想的生物醫(yī)用材料,被廣泛用作口腔和骨科的植入材料。傳統(tǒng)的醫(yī)用鈦合金屬于生物惰性材料,主要起支撐作用,植入人體后容易引發(fā)細(xì)菌感染,誘發(fā)炎癥反應(yīng),這種感染會反復(fù)發(fā)作,難以控制。因此,如何控制植入物術(shù)后感染是困擾醫(yī)務(wù)人員的一個棘手問題,越來越受到關(guān)注。針對上述感染問題,如何保證其力學(xué)性能和耐蝕性能的前提下,使得傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用于骨科和齒科中的Ti-6Al-4V具有高效、廣譜和持續(xù)的抗菌功能,并具有可靠的生物安全性,是本論文工作的主要研究目標(biāo)。基于此設(shè)計思想,本研究在Ti-6Al-4V中添加適量具有抗菌功能的Cu元素,采用合適的鑄、鍛工藝及熱處理工藝對原有合金進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計和開發(fā)出一類新型的含Cu抗菌鈦合金。通過分析不同Cu含量的鑄態(tài)鈦合金的顯微組織、力學(xué)性能、抗菌性能和耐腐蝕性能等,確定了Ti-6Al-4V-XCu的最佳Cu的添加量設(shè)計為5%。利用GLEEBLE3800熱模擬試驗機研究了Ti-6Al-4V-5Cu的熱變形加工性能,結(jié)果顯示,合金流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的升高和溫度的降低而增大。經(jīng)過微小的形變量,合金流變應(yīng)力達(dá)到峰值后發(fā)生持續(xù)軟化現(xiàn)象。Ti-6Al-4V-5Cu的熱加工圖失穩(wěn)區(qū)較小,當(dāng)變形溫度為900-1050。C,應(yīng)變速率為0.001-0.1 s-1時,功率耗散因子達(dá)到0.48,在此條件下合金易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,熱變形最安全。獲得了Ti-6Al-4V-5Cu熱變形時的本構(gòu)方程：ε=6.700×1012[sinh (0.014σ)]2.809exp (-320×103/RT)σ=71.4291n{(Z/6.700×1012)1/2809+[(Z/6.700×1012)2/2.809+1]1/2}Ti-6Al-4V-5Cu材料經(jīng)鍛造加工及熱處理分析后,根據(jù)不同熱處理對應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)及性能分析,得出Ti-6Al-4V-5Cu綜合性能最佳的熱處理制度為加熱930。C水淬+600℃時效空冷。通過對Ti-6Al-4V-5Cu的Cu的分布規(guī)律及溶出機制研究,探討了組織結(jié)構(gòu)對合金主要抗菌相Cu2+離子溶出及對抗菌性能的影響機理。研究結(jié)果表明,Cu元素在Ti-6Al-4V-5Cu中主要以固溶態(tài)和金屬間化合物Ti2Cu兩種形式存在于a相與p相。由于金屬間化合物的化學(xué)穩(wěn)定性更強,因此,Cu2+離子更容易以固溶態(tài)形式溶出。另外,Cu在合金p相中的溶解度大于α相,熱處理可改變α/β相比例從而改變Cu在合金中的分布。當(dāng)合金中的p相增多時,合金中Cu的分布均勻彌散,Cu2+離子更容易均勻溶出,從而增強合金的抗菌性能。采用覆膜法、表面形貌觀察和熒光染色法考察了Ti-6Al-4V-5Cu的抗菌性能,測定了Cu2+離子梯度濃度對金黃色葡萄球菌的抑制作用,通過EMA-PCR、基因檢測等分子學(xué)水平定量實驗揭示了Cu2+離子的抗菌機制。結(jié)果表明,Ti-6Al-4V-5Cu對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有強烈的殺滅作用,能有效抑制細(xì)菌生物膜的形成,Cu2+離子對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度為100μg/L。Ti-6Al-4V-5Cu的抗菌機制是：當(dāng)合金與菌液接觸后,微量的Cu2+離子從合金中溶出,濃度梯度驅(qū)動Cu2+離子從合金表面擴散到細(xì)菌液中,與細(xì)菌接觸破壞細(xì)菌外層的細(xì)菌膜,增大細(xì)菌膜的通透性,導(dǎo)致細(xì)菌中的蛋白質(zhì)和還原糖等滲漏。隨后,Cu2+離子破壞了細(xì)菌的呼吸鏈,產(chǎn)生了大量活性氧物質(zhì),抑制細(xì)菌的生長。同時,Cu2+離子破壞細(xì)菌基因的復(fù)制和擴增而產(chǎn)生了基因毒性�？紤]到Ti-6Al-4V-5Cu合金中Cu離子溶出的潛在毒性,論文選用MC3T3-El細(xì)胞采用SEM觀察、MTT、細(xì)胞骨架、細(xì)胞凋亡等實驗對Ti-6Al-4V-5Cu的細(xì)胞毒性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明：合金表面的細(xì)胞貼壁生長,形態(tài)正常并具有完整的細(xì)胞骨架輪廓,幾乎觀察不到死細(xì)胞,無早期凋亡跡象,顯示出極佳的生長狀態(tài),細(xì)胞增殖率遠(yuǎn)高于75%, Ti-6Al-4V-5Cu合金顯示出良好的細(xì)胞相容性。Ti-6Al-4V-5Cu的溶血率為0.6%,顯示出良好的血液相容性。初步研究結(jié)果也證明了Ti-6Al-4V-5Cu具有一定的促成骨作用,其中Cu離子起到關(guān)鍵性作用�；谝陨蠈嶒�,給出了Ti-6Al-4V-5Cu具有殺菌效果卻無細(xì)胞毒性的合理性解釋：1)細(xì)菌和細(xì)胞本身的大小尺寸及結(jié)構(gòu)對外界不良刺激的適應(yīng)性調(diào)整差異性；2)細(xì)菌與細(xì)胞與材料作用時間的差異性,細(xì)菌一般在24 h內(nèi)被殺死；3)前后期Cu離子溶出量差異性,材料前期Cu離子溶出速率較大。耐腐蝕性能與生物安全性有著密切關(guān)系,采用電化學(xué)方法對Ti-6Al-4V-5Cu的腐蝕性能進(jìn)行了研究。Ti-6Al-4V-5Cu在生理鹽水和Hank's溶液中均具有良好的耐腐蝕性能,點蝕電位分別為1.37 V和1.5 V,符合人體植入物材料的耐腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。綜上,Ti-6Al-4V-5Cu具有良好的耐腐蝕性、細(xì)胞相容性和血液相容性。在不明顯改變現(xiàn)有鈦合金的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上,同時具有強烈的抗菌功能,將會成為極具臨床應(yīng)用潛力的新型生物醫(yī)用金屬材料。
[Abstract]:Titanium alloy is an ideal biomedical material with good biocompatibility, comprehensive mechanical properties, machinability and corrosion resistance. It is widely used in oral and orthopaedic implants. Therefore, how to control the post-implant infection is a thorny problem that plagues medical staff and attracts more and more attention. In view of these problems, how to ensure the mechanical properties and corrosion resistance of Ti-6Al-4V, which is widely used in orthopedics and dentistry, is highly effective. Based on this design idea, a new type of Ti-6Al-4V alloy was designed and developed by adding an appropriate amount of Cu element with antibacterial function, optimizing the original alloy with appropriate casting, forging and heat treatment processes. Ti-6Al-4V-XCu as-cast titanium alloys with different Cu contents were studied by analyzing the microstructure, mechanical properties, antibacterial properties and corrosion resistance of the alloys. The optimum addition of Cu to Ti-6Al-4V-XCu was determined to be 5%. The hot deformation properties of Ti-6Al-4V-5Cu were studied by GLEEBLE3800 thermal simulator. The results showed that the rheological behavior of the alloys was good. The force increases with the increase of strain rate and the decrease of temperature. After a small deformation variable, the flow stress of the alloy reaches its peak value, and then the continuous softening occurs. The instability zone of the hot working diagram of Ti-6Al-4V-5Cu is small. When the deformation temperature is 900-1050.C and the strain rate is 0.001-0.1 s-1, the power dissipation factor reaches 0.48. The constitutive equation for hot deformation of Ti-6Al-4V-5Cu is obtained: _=6.700*1012[sinh(0.014)]2.809exp(-320*103/RT)_=71.4291n{(Z/6.700*1012)1/2809+[(Z/6.700*1012)2/2.809+1]1/2}-6Al-4V-5Cu material after forging and heat treatment. The results show that the optimum heat treatment regime for the comprehensive properties of Ti-6Al-4V-5C u is heating 930.C water quenching + aging air cooling at 600 _ C. The effect of microstructure on the dissolution of Cu2+ and the antibacterial properties of the alloy is discussed by studying the distribution and dissolution mechanism of C u in Ti-6Al-4V-5C U. In Ti-6Al-4V-5Cu, u mainly exists in phase A and phase P in the form of solid solution and intermetallic compound Ti2Cu. Because of the stronger chemical stability of intermetallic compounds, Cu2+ ions are easier to dissolve in the form of solid solution. In addition, the solubility of Cu in the phase P is higher than that in the phase alpha. Heat treatment can change the ratio of alpha to beta, thus changing the ratio of Cu. Distribution of Cu in the alloy. When the P phase in the alloy increases, the distribution of Cu in the alloy is uniform and dispersed, and the dissolution of Cu 2+ ion is easier. The antibacterial property of the alloy is enhanced. The antibacterial property of Ti-6Al-4V-5Cu is investigated by coating method, surface morphology observation and fluorescence staining, and the gradient concentration of Cu 2+ ion is determined for Staphylococcus aureus. The results showed that Ti-6Al-4V-5Cu had strong killing effect on E.coli and Staphylococcus aureus, and could effectively inhibit the formation of bacterial biofilm. The minimum inhibitory concentration of Cu2+ to Staphylococcus aureus was 100 ug/g. The antimicrobial mechanism of L.Ti-6Al-4V-5Cu is that when the alloy contacts with the bacterial liquid, a small amount of Cu2+ ions dissolve from the alloy, and the concentration gradient drives the Cu2+ ions to diffuse from the alloy surface to the bacterial liquid. When the alloy contacts with the bacteria, the bacterial membrane is destroyed and the permeability of the bacterial membrane is increased, resulting in the leakage of proteins and reducing sugars in the bacteria. 2+ ions destroyed the respiratory chain of bacteria, produced a large number of reactive oxygen species, inhibited the growth of bacteria. At the same time, Cu2+ ions destroyed the replication and amplification of bacterial genes, resulting in genotoxicity. Considering the potential toxicity of the dissolution of Cu ions from Ti-6Al-4V-5Cu alloy, MC3T3-El cells were observed by SEM, MTT, cytoskeleton and apoptosis. The cytotoxicity of Ti-6Al-4V-5Cu was studied by experiments. The results showed that Ti-6Al-4V-5Cu alloy surface cells adhered to the wall and grew normally with complete cytoskeleton contour, almost no dead cells were observed, and no early apoptosis was observed. The cell proliferation rate was much higher than 75%. Ti-6Al-4V-5Cu alloy showed good performance. The hemolysis rate of Ti-6Al-4V-5Cu was 0.6%, showing good blood compatibility. The preliminary results also proved that Ti-6Al-4V-5Cu could promote bone formation, in which Cu ion played a key role. Bacteria and cell size and structure of their own adaptation to external adverse stimuli to adjust differences; 2) bacteria and cell-to-material interaction time differences, bacteria are generally killed within 24 hours; 3) before and after the dissolution of Cu 2+ difference, material early dissolution rate of larger Cu 2+ corrosion resistance and biological safety has a close relationship. The corrosion resistance of Ti-6Al-4V-5Cu was studied by electrochemical method. The corrosion resistance of Ti-6Al-4V-5Cu was good in normal saline and Hank's solution. The pitting potential of Ti-6Al-4V-5Cu was 1.37 V and 1.5 V respectively, which accorded with the corrosion resistance standard of human implant materials. Compatibility and blood compatibility. On the basis of not obviously changing the excellent properties of existing titanium alloys, and having strong antibacterial function, it will become a new type of Biomedical Metal materials with great clinical application potential.
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.23

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本文編號：2248624