医用钛表面微/纳米化多孔改性及其生物性能

论文摘要

纯钛种植体本身不能满足生物医用材料的活性要求,为了使其具有更好的生物相容性,常对材料进行表面改性。本课题用酸腐蚀法,在纯钛表面制备一层微米孔,再用阳极氧化法在其上制一层高度定向排列的纳米管阵列,热处理后使表面形成一种有活性的微/纳米结构层。通过仿生矿化和蛋白吸附实验,比较四种具有不同表面形貌和成分的钛试样的生物活性;在纳米管和微/纳米结构的试样表面接枝上多肽,比较接枝多肽前后四种试样的矿化性能;最后通过成骨细胞培养的实验,考察和比较九种不同试样的生物活性。钛表面的腐蚀程度受酸溶液浓度和腐蚀时间的影响,反应后所得到微米孔的孔径分布较宽,从1μm到60μm,且出现小孔嵌在大孔中的复杂结构,X射线衍射（XRD）分析表明,试样表面除原有的钛外,出现二氢化钛;阳极氧化后,表面的微孔形貌不变,出现一层均匀的纳米管阵列,管径约为100 nm,在钛表面形成一种微/纳米多级孔结构,XRD结果显示此时试样表面除原有的钛和二氢化钛外,出现了单斜二氧化钛;进一步在450℃热处理6小时后,微/纳米多孔形貌不变,单斜二氧化钛逐渐转变为纳米级锐钛矿相二氧化钛,晶粒尺寸在20 nm左右。将纯钛、微米孔、纳米管、微/纳米结构试样分别在相同的仿生条件下,检测其仿生矿化性能和蛋白吸附性能。结果发现微/纳米结构试样上最容易形成羟基磷灰石（HA）和吸附更多蛋白,蛋白吸附速率也较快;纳米管试样也具有较好的矿化和蛋白吸附能力,而纯钛和微米孔表面几乎没有HA形成和蛋白吸附。这是因为微/纳米结构化的多孔试样具有很大的比表面积,表面提供了较多的锐钛矿纳米晶体和纳米管,锐钛矿在pH为7.40的溶液中发生羟基化,表面会富集一层带负电荷的水合二氧化钛,静电力提供HA形核和蛋白吸附的驱动力,使此试样具有高反应活性。通过硅烷偶联的方法可以有效地在有纳米管层的试样表面接枝上多肽精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-半胱氨酸（RGDC）,微/纳米多孔层试样表面接枝的多肽量比纳米管试样更多:接枝RGDC的试样具有很好的生物活性,加速了矿化进程,形成的HA是纳米级晶、缺钙型、在（002）晶面择优生长,与自然骨中磷灰石的生长趋势一致。成骨细胞培养试验中,仅有微孔的试样表面细胞的黏附、增殖和分化能力最差;细胞在HA涂层上的生长行为不如在纳米管表面的生长;微/纳米多孔化试样表面对细胞生长具有较好的诱导作用,其表面细胞的黏附、增殖和分化能力较其它无RGDC的试样要好;试样表面接枝多肽RGDC后能明显促进细胞的生长,细胞在较短的时间里完全铺展,微/纳米多孔化试样表面接枝RGDC后,提供了细胞黏附所需要的形貌和一些因子,细胞的增殖和分化能力最强。纯钛表面构建一层微/纳米孔和多肽层可以增加材料的生物活性,起到良好的表面改性效果。生物材料表面微/纳米多孔化再接枝多肽RGDC的方法是一种有效的表面改性方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物医用材料的发展概况及现状
• 1.2 生物医用材料的评价标准和分类
• 1.2.1 生物医用材料表面与机体的相互作用
• 1.2.2 生物医用材料的评价标准
• 1.2.3 生物医用材料的分类
• 1.3 医用钛及钛合金
• 1.4 表面改性
• 1.4.1 形态学方法
• 1.4.2 薄膜（涂层）法
• 1.4.3 仿生自组装方法
• 1.4.4 复合改性
• 1.5 本课题研究的必要性
• 1.6 本课题研究目的及内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 1.7 技术路线
• 第二章 钛表面微/纳米多孔结构层的制备和表征
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验步骤
• 2.2.2 试样的表征
• 2.2.2.1 扫描电子显微镜
• 2.2.2.2 X射线衍射
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 酸腐蚀
• 2.3.2 阳极氧化和热处理
• 2.4 小结
• 2.5 结论
• 第三章 微/纳米多孔结构层试样的生物活性
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验步骤
• 3.2.1.1 试样制备
• 3.2.1.2 活性试验
• 3.2.1.3 试样的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 矿化结果
• 3.3.2 蛋白吸附结果
• 3.4 小结
• 3.5 结论
• 第四章 微/纳米多孔结构层的钛试样表面接枝多肽及活性评价
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验步骤
• 4.2.1.1 试样的制备
• 4.2.1.2 接枝RGDC后矿化
• 4.2.2 试样的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 接枝多肽结果
• 4.3.2 接枝多肽前后试样的矿化结果对比
• 4.3.2.1 矿化2天结果对比
• 4.3.2.2 矿化7天结果对比
• 4.4 小结
• 4.5 结论
• 第五章 接枝多肽前后微/纳米多孔层的钛试样表面成骨细胞培养
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料的准备
• 5.2.2 细胞培养实验
• 5.2.3 试样的表征
• 5.2.3.1 Alamar Blue测试
• 5.2.3.2 碱性磷酸酶（ALP）检测
• 5.2.3.3 SEM观察细胞形貌
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SEM对细胞形貌的观察
• 5.3.2 Alamar Blue检测
• 5.3.3 ALP检测
• 5.4 小结
• 5.5 结论
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文和申请专利