【摘要】：研究背景 按照當前的理論,種植體與周圍組織形成良好的骨結合是種植成功的關鍵,如何盡快達到良好的骨結合,對于實現種植體的早期負載甚至即刻負載和長期穩(wěn)定十分重要。自然條件下鈦表現為生物惰性,須通過表面改性獲得生物活性。經過改性后鈦為什么表現高度活性? 以往研究主要通過表面形貌及粗糙度角度闡釋種植體表面活化的機理。通常認為粗糙度(Ra)0.5μ m是光滑表面。有學者通過體外細胞培養(yǎng)發(fā)現：成骨細胞在光滑鈦表面成骨細胞伸展較差,組織-骨界面結合強度較低,不利于刺激成骨細胞活性。粗糙表面是目前應用及研究的主要領域,通過不同的表面處理技術模擬出類似細胞外基質的微環(huán)境,不僅促進了骨結合蛋白的分泌與成骨細胞的早期黏附,同時也加強材料與骨組織的結合強度。 近年來學者們開始把重點轉移到對表面化學特征研究上。這種表面化學特征主要包括親水性、表面化學成分、表面電荷,表面能等概念。許多國內外報道指出,相比表面化學形貌與粗糙度,表面化學特征可能是引起細胞一系列反應及蛋白質吸附的直接原因,因此研究表面化學特征更有助于理解種植體表面活化的機理。 容易控制,效果好,價格低,作為一種成熟表面處理技術,酸蝕一直是種植體生產商最常用表面改性方法之一。一方面酸蝕可以作為預處理劑,通過蝕刻氧化膜去除表面污染物以獲得清潔的表面；另一方面酸蝕作為處理劑,在基體上留下無數微米級蜂窩狀二級結構,粗化了種植體表面,使種植體表面積大大增加,促進了成骨細胞早期黏附、分化及增殖,粗糙表面增加機械嵌合能力也更好提高了骨結合強度�；谄渥陨淼膬�(yōu)點,酸蝕聯合其他表面處理技術是近年來的研究熱點。 影響酸蝕的主要條件有酸蝕劑的種類,酸蝕的溫度及時間。增加酸蝕的溫度和延長反應時間似乎都是可以增加粗化效果,這兩個條件之間是否存在差異?目前尚無文獻對此作出報道。同時,改變酸蝕的溫度和時間對鈦表面的理化性能如粗糙度及親水性存在什么樣的影響,目前同樣無任何文獻對此作出研究。 早在上世紀五六十年代,工業(yè)上常用酸對金屬表面進行清洗。工業(yè)學家發(fā)現酸洗過程中氫會滲入金屬基體內部,這種滲入會降低材料的物理性能,嚴重時導致材料的脆性開裂,稱為氫脆。鈦對氫敏感性很高,這種脆性的存在會降低鈦的延展性和塑性,使其容易斷裂。美國材料與試驗協(xié)會(American Society for Testing and Materials, ASTM)及德國標準化機關(Deutsches Institut fur Normung, DIN)均對種植體表面氫含量有限制,酸蝕過程中盡量減少氫滲入。工業(yè)上常用高溫煅燒的方法減少鈦表面氫殘留。加熱時氫氣逸出,應力得到充分釋放,可以減少氫脆現象的發(fā)生。加熱的方法主要有大氣加熱法,真空加熱法,在氮氣等氣氛下進行加熱。 氫僅有一個電子,信號弱,很難被激發(fā),X射線能譜儀,俄歇電子能譜儀等常規(guī)儀器無法檢直接測出氫原子,這也制約了對氫元素的化學特征及生物學活性影響的研究,目前針對氫元素存在對鈦表面生物學活性影響報道很少且存在爭議。 盡管酸蝕目前主要與其他表明處理技術聯合應用,但單純研究酸蝕后鈦表面的理化性質特征卻是非常必要的,尤其當酸蝕作為聯合處理技術的第二步時,鈦表面性質很大程度上取決于酸蝕形成的表面特性。通過制備不同溫度及時間的酸蝕表面,可動態(tài)研究酸蝕規(guī)律,一方面旨在優(yōu)化酸蝕的條件以減少氫的滲入,另一方面可以更深入研究酸蝕對鈦表面理化特征的改變。本文更通過X射線衍射儀,定氫儀,二次飛行時間離子質譜儀等多種先進儀器對氫元素進行定性,定量,定深的分析,更有助于探討氫元素的存在形式對鈦表面理化及生物學性能的影響。 目的 動態(tài)研究酸蝕規(guī)律及其對鈦表面理化性能差異的影響,并通過熱處理制備不含氫化鈦粗化表面,探討氫元素存在形式與鈦表面生物學活性相關關系。 方法 1.鈦表面制備及分組 第一部分：純鈦表面經過拋光,常規(guī)清洗后,浸泡于49%H2S04及19%HCl的混合溶液中,采用正交設計方法將鈦片分為16組,酸蝕溫度分別是40℃、50℃、60℃、70℃；酸蝕時間分別是15min、30min、45min及60min,酸蝕后去離子水超聲振蕩10分鐘,N2下干燥,密封備用。 第二部分：選擇第一部分反應時間為60℃,60分鐘的酸蝕鈦片,大氣條件下在管式爐中以10℃-1升溫,分別加熱至350℃(HT350)、450℃(HT450)及550℃(HT550),恒溫1小時后在爐中降至自然室溫,取出后用去離子水超聲振蕩10分鐘,密封干燥保存。 2.酸蝕及熱處理后鈦表面體外礦化能力研究 選擇第二部分的3組熱處理鈦片及未加熱的(60℃,60分鐘)酸蝕鈦片(對照組),浸泡于標準模擬體液中,第3天,第7天取出,去離子水中清洗去除表面雜質,自然陰干。 3.表面理化性能觀察及測定 表面形貌及粗糙度分析：采用掃描電鏡觀察鈦表面形貌及浸泡模擬體液后鈦片表面沉積物情況；表面測量系統(tǒng)測量儀分析測量表面粗糙度； 表面化學特征分析：定氫儀測量鈦片內部氫元素的含量；X射線衍射儀定性測定鈦表面晶體結構；X射線光電子能譜儀測定鈦表面化學元素及其價態(tài)并使用XPS Peak分鋒軟件擬合軟件對其進行擬合；二次飛行時間離子質譜儀分析鈦氫氧的分布規(guī)律； 物理性能測定：對不同反應條件下酸蝕鈦片進行拉伸試驗,測量鈦片拉伸強度及利用掃描電鏡觀察鈦片斷裂前表面裂紋情況。 4.結果分析 所有統(tǒng)計數據均采用SPSS19.0分析軟件進行統(tǒng)計分析。 第一部分采用析因分析對溫度及時間因素對各實驗組進行分析,并采用相關分析時間及溫度因素與鈦表面粗糙度,親水性,氫含量及拉伸強度關系,其相關性以相關系數r表示(-1r1),相關系數越接近±1,其因素相關性越強。 第二部分采用單因素方差分析對各實驗組進行分析,各組兩兩分析比較采用LSD法,p0.05可認為各實驗組具有統(tǒng)計學差異。 結果 拋光后鈦表面呈銀白色金屬光澤,酸蝕后鈦表面鈦表面失去金屬光澤,呈灰色。電鏡觀察結果所示,反應溫度較低(40℃和50℃)時,鈦表面二級蜂窩狀結構不明顯,深度淺。反應溫度較高(60℃和70℃),蜂窩狀二級結構明顯,深度均勻一致。表面粗糙度結果與表面形貌一致。所有時間溫度組酸蝕后鈦表面鈦表面親水性大大增加。統(tǒng)計結果示溫度因素較時間因素對粗糙度(溫度r=0.883,時間r=0.446)及表面接觸角(溫度r=-0.806,時間r=-0.424)影響較大。X射線衍射儀示酸蝕后除40℃,15分鐘組無氫化鈦形成外,各酸蝕組均有TiH2形成。且酸蝕條件越強,氫化鈦峰高越高,定氫儀對鈦片中氫含量進行定量分析,隨著酸蝕時間及溫度增加,氫含量增加,統(tǒng)計結果示時間因素在氫含量中起主導地位時間(時間r=0.803,溫度r=0.473)。拉伸強度隨著酸蝕溫度和時間增加而下降,統(tǒng)計結果示時間影響因素(r=-0.575)大于溫度影響因素(r=-0.504)。 酸蝕鈦片加熱后分別呈金黃色(350℃),藍紫色(450℃),灰紫色(550℃)。掃描電鏡示加熱溫度為350℃和450℃時,鈦表面形貌沒有明顯差異,當反應溫度為550℃時,表面尖銳蜂窩狀孔邊緣變得圓鈍,深度變淺。加熱后鈦表面親水性稍增加,氫含量逐漸下降,X射線衍射儀示TiH2峰譜在各加熱組中消失,當加熱溫度為550℃時,出現金紅石型Ti02峰。二次飛行時間離子質譜儀示酸蝕后(60℃,60分鐘)鈦表面氫元素大量聚集在鈦表面且密度明顯高于加熱組(450℃),氧含量450℃明顯高于酸蝕組。X射線能譜儀測量XPS Peak軟件擬合后示加熱后鈦表面Ti—OH逐漸增多。 將酸蝕及加熱鈦片浸泡于模擬體液第3天后觀察,酸蝕組無明顯沉積物,各加熱組均有球形沉積物形成。浸泡第7天后觀察,酸蝕組表面有部分球形沉積物,加熱組表面均有大量球形沉積物形成。X射線衍射儀示該沉積物為羥基磷灰石。 結論 1.酸蝕后表面主要形成氫化鈦。氫總含量增加,脆性增加。 2.影響酸蝕表面形貌,粗糙度及接觸角主要因素是溫度因素,影響氫含量及拉伸強度主要因素是時間因素。高溫短時間酸蝕既可獲得良好粗化表面又減少氫滲入。 3.酸蝕后鈦形成親水性表面。 4..熱處理不僅分解氫化鈦,降低氫含量,同時改變氫元素分布。 5.氫化鈦可能無促進羥基磷灰石早期沉積能力。
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【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R783.6

【參考文獻】

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本文編號：2323862