發(fā)布時(shí)間：2017-05-09 17:13

  本文關(guān)鍵詞：金屬鈦表面TiO_2納米管磷灰石復(fù)合涂層的制備與生物活性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鈦及鈦合金目前常作為整形外科和其它生物植入體材料,因?yàn)榫哂袃?yōu)異的力學(xué)性能而常用于需要力承載部位的植入體材料。鈦表面的氧化物賦予了其生物相容性。但金屬鈦本身具有較低的骨傳導(dǎo)性和抗腐蝕性的缺點(diǎn),為了使金屬鈦獲得更優(yōu)異的生物學(xué)性能,不同表面改善技術(shù)被用來(lái)改善其性能,來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)目前常用于生物醫(yī)學(xué)植入體的涂層材料,其化學(xué)組成和自然骨的無(wú)機(jī)成分相似,具有優(yōu)異的生物相容性。為了促進(jìn)HA的成核生長(zhǎng)和增強(qiáng)涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度,TiO2納米管層通過(guò)在含氟溶液中陽(yáng)極氧化制得。本文在TiO2納米管層表面通過(guò)電化學(xué)沉積法制備HA涂層,為了提高HA涂層的生物活性,Mg2+和明膠功能化氧化石墨烯(GelGO)被摻雜入HA涂層中,同時(shí)為了提高HA涂層的抗菌性,Ag和殼聚糖(CS)被成功摻入到HA涂層。利用X射線衍射譜儀(XRD),X射線光電子能譜儀(XPS),傅里葉紅外光譜儀(FTIR),掃描電子顯微鏡(SEM)和電子能譜儀(EDS)對(duì)所制得的MgHA復(fù)合涂層,GelGOHA復(fù)合涂層,AgHA復(fù)合涂層和CSAgHA復(fù)合涂層進(jìn)行表面形貌和成分結(jié)構(gòu)表征。同時(shí)也研究了復(fù)合涂層的力學(xué)性能,抗腐蝕性和生物相容性。通過(guò)陽(yáng)極氧化法在純鈦片表面制備TiO2納米管。結(jié)果表明在陽(yáng)極氧化電壓為20V時(shí),制備的TiO2納米管陣列管徑為100nm,排列均勻;當(dāng)以350°C熱處理2h后,TiO2晶型主要為銳鈦礦;TiO2納米管的建立提高了鈦基底的腐蝕電阻。通過(guò)電化學(xué)沉積法在TiO2納米管表面成功沉積了HA涂層,涂層為多孔針狀結(jié)構(gòu),提高了生物相容性,利于成骨細(xì)胞粘附。另外,這種制備HA/TiO2復(fù)合涂層的方法同樣適用于Ti螺釘。通過(guò)電化學(xué)方法在Ti O2納米管表面成功制備摻鎂羥基磷灰石(MgHA)復(fù)合涂層。結(jié)果顯示Mg均勻分布在涂層中,涂層厚度為21.2±1.7μm。Mg2+進(jìn)入到HA晶格中,部分替代Ca2+的位置,降低了磷灰石結(jié)晶度,結(jié)合強(qiáng)度有微弱提高。在模擬體液中浸泡和極化曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明涂層的生物活性和耐腐蝕性都被提高了;MC3T3-E1成骨細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,Mg的摻雜沒(méi)有細(xì)胞毒性,且具有良好的生物相容性。明膠功能化氧化石墨烯作為一種功能添加物,首次通過(guò)電化學(xué)陰極沉積法與HA共同沉積到TiO2納米管表面,成功制備GelGOHA/TiO2復(fù)合涂層。通過(guò)FTIR光譜和XPS分析,證實(shí)了GelGO被成功地?fù)诫s到HA涂層中;FESEM觀察GelGOHA復(fù)合涂層的形貌發(fā)現(xiàn),摻雜GelGO后,涂層呈現(xiàn)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且涂層厚度為24.2±1.5μm,高于HA涂層的厚度,說(shuō)明GelGO能夠促進(jìn)HA的成核生長(zhǎng);結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示GelGOHA復(fù)合涂層的強(qiáng)度約為18.5MPa,這是由于GelGO復(fù)合物的添加,提高了HA涂層的韌性;GelGOHA復(fù)合涂層由于具有致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形貌,表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性;同時(shí)MC3T3-E1細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,GelGO的摻雜能夠提高HA涂層的生物活性和生物相容性。在陽(yáng)極氧化處理后的Ti片上采用電化學(xué)沉積法制備Ag+摻雜HA涂層,XRD衍射譜圖結(jié)果表明Ag+成功地進(jìn)入HA晶格中,并替換了部分Ca2+,引起晶格畸變;Ag的XPS高分辨率譜圖的擬合研究Ag在涂層的中存在形式,結(jié)果顯示主要以銀離子的方式存在;Ag摻雜HA涂層后,使得涂層形貌變得疏松多孔,涂層厚度為17.7±1.5μm,說(shuō)明Ag的存在對(duì)HA成核生長(zhǎng)起抑制作用;涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)于HA有所降低,為15.9±0.56MPa;在模擬體液中的生物活性實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)研究表明AgHA涂層具有優(yōu)異的生物活性和較高的腐蝕電阻;所制備的AgHA復(fù)合涂層中的Ag含量約為2.03wt%,具有優(yōu)異的抗菌性,而且對(duì)MC3T3-E1小鼠顱骨成骨細(xì)胞沒(méi)有表現(xiàn)出細(xì)胞毒性;AgHA復(fù)合涂層材料可用于生物醫(yī)用領(lǐng)域,來(lái)抑制感染的發(fā)生。50°C下,在陽(yáng)極氧化處理后的Ti片上通過(guò)電化學(xué)沉積法制備具有殼聚糖,銀和羥基磷灰石的CSAgHA/TiO2生物復(fù)合涂層。FESEM觀察復(fù)合涂層的形貌發(fā)現(xiàn),涂層的厚度僅為6.2±0.7μm,形貌呈現(xiàn)多孔致密結(jié)構(gòu),晶須呈小片狀,說(shuō)明CS和Ag的加入,抑制了HA的成核生長(zhǎng);XRD和XPS結(jié)果說(shuō)明Ag成功地添加到HA涂層中,且部分替代了HA晶格中Ca的位置,引起晶格畸變;FTIR光譜圖證實(shí)了復(fù)合涂層主要為HA,其中CS的NH2峰也出現(xiàn),證實(shí)了CS在復(fù)合涂層中的存在;在SBF中的極化曲線測(cè)試表明,HA涂層摻雜CS和Ag后,涂層的耐腐性得到提高;Ag+的釋放曲線也被測(cè)試,結(jié)果表明Ag+能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的釋放,預(yù)示著其長(zhǎng)期穩(wěn)定的抗菌效果;在所制備的CSAgHA復(fù)合涂層中大約有1.5wt%的Ag,復(fù)合涂層對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有很強(qiáng)的抗菌性,通過(guò)比較CSHA和CSAgHA復(fù)合涂層的抗菌性,可以看出涂層中的CS和Ag在抗菌上起到協(xié)同作用;同時(shí)對(duì)MC3T3-E1成骨細(xì)胞沒(méi)有明顯的細(xì)胞毒性。
【關(guān)鍵詞】：電化學(xué)沉積 羥基磷灰石 二氧化鈦 生物相容性 復(fù)合涂層
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R318.08;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 生物醫(yī)用材料概述13-18
• 1.1.1 生物醫(yī)用材料發(fā)展13-14
• 1.1.2 生物醫(yī)用材料分類14-18
• 1.2 骨修復(fù)材料18-21
• 1.2.1 骨的結(jié)構(gòu)成分18-19
• 1.2.2 醫(yī)用鈦及合金應(yīng)用及表面改性19-20
• 1.2.3 磷酸鈣鹽生物材料20-21
• 1.2.4 鈦表面磷灰石涂層復(fù)合材料21
• 1.3 羥基磷灰石涂層的制備方法21-24
• 1.3.1 等離子噴涂法21-22
• 1.3.2 電泳沉積法22-23
• 1.3.3 磁控濺射法23
• 1.3.4 仿生沉積法23
• 1.3.5 溶膠-凝膠法23-24
• 1.3.6 電化學(xué)方法沉積24
• 1.4 本文的研究構(gòu)思及目的24-26
• 第二章 純鈦表面TiO_2納米管陣列制備與表征26-36
• 2.1 前言26
• 2.2 材料與方法26-29
• 2.2.1 材料與儀器26-27
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法27-28
• 2.2.3 表征28
• 2.2.4 抗腐蝕性能測(cè)試28-29
• 2.3 TiO_2納米管陣列表征結(jié)果與討論29-33
• 2.3.1 陽(yáng)極氧化電壓對(duì)TiO_2納米管陣列的表面形貌影響29-31
• 2.3.2 燒結(jié)溫度對(duì)TiO_2晶型的影響31-32
• 2.3.4 陽(yáng)極氧化處理后的抗腐蝕性研究32-33
• 2.4 在氫氟酸體系中TiO_2納米管陣列形成機(jī)制33-34
• 2.5 本章小結(jié)34-36
• 第三章 羥基磷灰石涂層的制備與表征36-50
• 3.1 前言36-37
• 3.2 材料與方法37-39
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器37
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程37-38
• 3.2.3 涂層形貌及成分表征38
• 3.2.4 涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試38-39
• 3.2.5 涂層生物學(xué)評(píng)價(jià)39
• 3.3 電化學(xué)沉積羥基磷灰石涂層表征結(jié)果與討論39-46
• 3.3.1 涂層形貌及成分分析39-43
• 3.3.2 在SBF中浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析43
• 3.3.3 細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析43-44
• 3.3.4 二氧化鈦納米管對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響44-45
• 3.3.5 電化學(xué)沉積羥基磷灰石涂層的機(jī)理研究45-46
• 3.4 鈦螺釘表面HA/Ti O2納米管涂層的結(jié)果與討論46-49
• 3.5 本章小結(jié)49-50
• 第四章 羥基磷灰石復(fù)合涂層的制備與表征50-91
• 4.1 摻鎂羥基磷灰石涂層50-60
• 4.1.1 前言50-51
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)方法51-52
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論52-59
• 4.1.4 摻鎂羥基磷灰石涂層的形成機(jī)理研究59
• 4.1.5 本節(jié)小結(jié)59-60
• 4.2 明膠功能化氧化石墨烯/羥基磷灰石復(fù)合涂層60-69
• 4.2.1 前言60-61
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法61-63
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論63-68
• 4.2.4 本節(jié)小結(jié)68-69
• 4.3 摻銀羥基磷灰石涂層69-80
• 4.3.1 前言69-70
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)方法70-72
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論72-79
• 4.3.4 摻銀羥基磷灰石涂層的形成機(jī)理研究79
• 4.3.5 本節(jié)小結(jié)79-80
• 4.4 銀/殼聚糖羥基磷灰石復(fù)合涂層80-89
• 4.4.1 前言80-81
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)方法81-83
• 4.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論83-89
• 4.4.4 銀/殼聚糖羥基磷灰石涂層的形成機(jī)理研究89
• 4.4.5 本節(jié)小結(jié)89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 第五章 全文總結(jié)與展望91-94
• 5.1 全文總結(jié)91-93
• 5.2 后續(xù)工作展望93-94
• 致謝94-95
• 參考文獻(xiàn)95-108
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果108-110

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