钛合金表面图案化处理及生物活性化机理

论文摘要

钛及其合金因其优异性能已越来越多的被应用于临床医学。表面改性是目前解决合金在医学领域应用的主要障碍的有效途径,其原因主要有两个方面,其一是将植入材料进行表面图案化,以改变材料表面形貌和提高表面粗糙度,从而提高骨组织与植入材料的机械锁合力和结合强度;其二是在金属表面制备生物强化层或活性层,来改善材料的生物活性,以提高骨组织与材料的结合力,同时减少基体材料中有害离子的溶出,降低材料的生物毒性。本文采用飞秒激光和喷砂后酸蚀工艺在Ti及其合金表面加工不同显微图案结构。比较分析了不同图案化表面和生物活性层对生物相容性的影响,采用计算机技术模拟了HA在样品表面的生长过程,制定合理的人工关节和骨修复器表面生物活化层制备工艺。主要研究结果表明:喷砂工艺能有效提高样品的表面粗糙度。当砂粒尺寸为150目时,得到了既满足精度要求又具有较大生物活性的样品表面。喷砂后的样品先经草酸处理再进行硝酸氧化的方法能够既有效去除表面污染,又能获得良好的氧化层,从而提高基体的生物相容性。采用飞秒激光在NiTi合金及纯Ti为基的样品上加工不同周期结构图案。仿生生长HA的实验表明,在这种具有多级拓扑结构并具有Ti氧化层的表面,HA的生长速度要高于在喷砂酸蚀处理的表面。通过体外实验比较不同的图案化表面和有无类骨磷灰石Ti合金表面对成骨细胞生长数量和形态的影响。MTT测试表明,经飞秒激光及喷砂酸蚀表面图案化处理的试样上细胞增殖总数及增殖速率均大于未处理试样,且样品表面的图案结构有利于诱导细胞生长更多的伪足,使其按图案化结构定向攀附,从而提高细胞的贴附生长能力。Ti合金表面生长类骨磷灰石层能有效屏蔽有害离子的溶出,从而显著提高细胞增殖速率。与仅经图案化处理的样品相比,仿生生长HA活性层的样品诱导细胞分泌ALP的能力更强,有利于Ca2+的矿化沉积。根据第一性原理对溶液中各种离子在羟基化的TiO2表面的沉积进行了模拟,分析羟基磷灰石的动态生长过程。结果表明,在反应的初始阶段,溶液中的PO43-首先与水反应生成H2PO4-,H2PO4-将诱导至羟基化的TiO2表面。然后H2PO4-离出的H+与TiO2表面的OH-结合形成水分子进入溶液,从而引起溶液中PO43-的沉积。为保持溶液的电中性,沉积PO43-后的表面将吸附Ca2+,并诱导了Ca2+的沉积,计算结果表明,Ca2+将优先在PO43-与TiO2表面形成的八面体间隙位置沉积。随着反应的不断进行,最终在TiO2表面形成以化学方式结合的钙磷层。根据理论研究和前期试验结果,提出最终的在骨修复器件表面制备生物活化层的方案,采用自制设备在商用钛合金人工关节和骨修复器表面制备出均匀活性层,所处理的商用钛合金植入体尺寸精度符合植入要求。并进行了动物体内试验。体内试验表明,经喷砂加酸蚀预处理结合仿生化学法制备类骨磷灰石新工艺表面处理后的植入体,更有利于成骨细胞的生长矿化,加速骨的传导和生长过程,能够迅速与骨组织形成无缝隙的骨性结合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 骨组织结构和骨修复及替代材料
• 1.2.1 骨组织的结构特点
• 1.2.2 骨组织修复及替代材料
• 1.3 Ti 及Ti 合金骨修复及替代材料表面改性
• 1.3.1 表面图案化改性
• 1.3.2 激光技术在生物材料表面图案化改性中的应用
• 1.3.3 表面生物活化涂层改性
• 1.4 仿生生长羟基磷灰石的计算机模拟
• 1.5 研究内容
• 第二章 Ti 及Ti 合金表面图案化处理
• 2.1 前言
• 2.2 实验与设备
• 2.2.1 喷砂设备及工艺
• 2.2.2 飞秒激光器及加工工艺
• 2.2.3 仿生生长羟基磷灰石
• 2.2.4 分析测试方法
• 2.3 喷砂及酸蚀
• 2.3.1 喷砂处理
• 2.3.2 硝酸氧化处理
• 2.3.3 草酸处理
• 2.3.4 喷砂酸蚀处理纯Ti 及NiTi
• 2.4 飞秒激光处理
• 2.4.1 加工工艺探索
• 2.4.2 飞秒激光与金属表面作用机理
• 2.4.3 飞秒激光在NiTi 合金表面加工图案
• 2.4.4 飞秒激光在纯Ti 表面加工显微图案
• 2.4.5 不同加工对样品粗糙度及表面能的影响
• 2.5 飞秒激光处理及SLA 处理对仿生生长羟基磷灰石的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 表面处理对成骨细胞生长行为的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验试剂、材料和设备
• 3.2.2 培养液的配制及细胞培养
• 3.2.3 试验过程与分析检测
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 细胞毒性评价
• 3.3.2 MTT 及ALP 化验分析
• 3.3.3 细胞形态的扫描电镜观察
• 3.3.4 材料表面图案对细胞生长的诱导作用
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ti 合金表面类骨磷灰石仿生生长过程的计算模拟
• 4.1 引言
• 4.2 计算机模拟理论基础
• 4.3 类骨磷灰石仿生生长机理分析
• 4.4 程序可行性校验
• 4.5 几何结构的优化
• 4.6 结果与讨论
• 2晶体结构及羟基化TiO₂（110）晶面的构建及优化'>4.6.1 TiO₂晶体结构及羟基化TiO₂（110）晶面的构建及优化
• 2O 的动态结合过程的模拟'>4.6.2 磷酸根模型的构建及其与H₂O 的动态结合过程的模拟
• 2 表面初始沉积状态的模拟'>4.6.3 羟基化TiO₂表面初始沉积状态的模拟
• 2 表面沉积过程的计算与动态模拟'>4.6.4 钙磷盐在TiO₂表面沉积过程的计算与动态模拟
• 4.6.5 羟基磷灰石沉积生长过程
• 4.7 本章小结
• 第五章 生物活性技术在硬组织修复器件上的应用
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 仿生生长设备的设计
• 5.2.3 设备中的相关仪器
• 5.2.4 工艺流程及控制
• 5.2.5 分析测试方法
• 5.3 在钛合金骨修复器表面仿生化学法制备骨磷灰石层的分析
• 5.3.1 涂层表面形貌及成分分析
• 5.3.2 仿生生长HA 涂层的结构分析
• 5.3.3 涂层与基体结合力分析
• 5.4 体内生物实验材料及方法
• 5.4.1 种植体与HA 涂层制备
• 5.4.2 假体植入实验过程
• 5.4.3 标本制备与观察
• 5.5 动物实验结果与分析
• 5.5.1 组织学观察
• 5.5.2 假体与新生骨剖面观察
• 5.5.3 扫描电子显微镜分析
• 5.6 讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 工作进展及展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢