论文题目: 结构有序纳米HA涂层的电化学构筑及钛/细胞界面原位EIS研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理化学
作者: 胡仁
导师: 林昌健
关键词: 羟基磷灰石,纳微米结构,仿生骨,电化学沉积,细胞界面
文献来源: 厦门大学
发表年度: 2005
论文摘要: 医用金属钛及其合金的表面活性改性及材料的生物学响应是生物材料研究领域的焦点之一。针对当前国内外在钛表面的羟基磷灰石（HA）涂覆、HA涂层组分和结构控制、HA涂层形成机理及主要影响因素以及生物材料与细胞的相互作用机理等关键技术和科学问题，本论文工作旨在从仿生学角度进一步发展温和的电化学沉积技术在医用钛金属表面构筑具有优良生物性能和力学性能的有序结构HA涂层，探明高生物活性涂层的形成机理及规律性；发展电化学交流阻抗谱（EIS）技术用于原位检测材料／细胞相互作用及其存在的电化学本质联系，以探明生物材料与细胞相互作用过程的界面结构。本论文主要研究内容有：a)侧重采用低浓度体系的电化学沉积技术制备均匀纳米HA涂层，探索涂层结构设计和组分设计的可能性，以制备结构仿生复合人工骨涂层；b)考察相关实验参数对涂层性能的影响，深入探讨低浓度体系HA涂层的电化学沉积过程的规律性；c)深入探讨钙磷盐电化学沉积机理，并建立低浓度体系HA涂层的电化学沉积模型；d)建立材料／细胞界面EIS原位测量技术，探索钛／细胞界面相互作用过程的电化学本质。主要研究结果如下：1．发展了低浓度体系电化学沉积方法，获得高结晶度、单一组分HA涂层，在此条件下制备的纯HA涂层具有花簇状、直立状和微孔状三种典型的微观形貌。首次实现了钛表面纳微米结构有序的纯HA涂层的构筑，细胞实验表明，这种特殊结构的HA涂层具有比其它结构的HA涂层更加优异的生物性能。2．发展电化学共沉积方法构筑了具有独特微孔状结构的HA／胶原复合仿生骨涂层，红外谱图证明，涂层中有一定量胶原组分存在，SEM形貌和XRD谱图表明，该复合涂层中HA晶粒更加细化，结构特征比纯HA涂层更接近于自然骨。3．系统考察了电化学沉积技术中各种影响因素的作用机制，从理论和实验上证实，对于低浓度体系，在相当宽的实验参数范围内，均能获得高结晶度HA涂层，而涂层中HA晶粒的尺寸分布、排列等形貌特征以及涂层的生长速度等与电化学沉积的实验参数关系密切。4．研究表明，HA涂层沉积过程中的热力学和动力学条件直接决定其组成与结构，成核过程主要由热力学（ΔG）控制，生长过程主要由动力学环境控制。热力学分析证明，低浓度体系中的低钙磷物种浓度和较高沉积温度有利于单一组分HA的形成。动力学计算得到一定条件下涂层生长的表观活化能近似为174．9 kJ·mol-1，涂层生长过程由动力学控制。探明HA电化学沉积过程的规律性，并初步提出了低浓度体系HA涂层的沉积模型。5．设计了原位电解池，并引入Ag／AgCl参比电极，测试生物材料／细胞界面相互作用的电化学交流阻抗谱，解决了EIS测试过程中高频信号失真的问题。6．钛／细胞界面EIS测量初步结果表明，细胞在电极材料表面附着可改变界面双电层组成和电极的表面状态。材料表面阻抗信号通常处于中低频段，而细胞膜层自身的电化学阻抗信号处于高频段，解析其相互关系可以得到材料／细胞相互作用机理方面的信息。
论文目录:
中文摘要
英文摘要
第一章 绪论
§1-1 骨和关节置换材料
§1-1-1 生物材料简介
§1-1-2 骨和关节置换
§1-1-3 骨和关节置换植入系统
§1-1-4 骨和关节置换用材料
§1-2 人工骨和人工关节的生物功能性和生物相容性
§1-2-1 人工骨和人工关节的生物功能性
§1-2-2 人工骨和人工关节材料的生物相容性
§1-3 HA涂层的电化学沉积技术
§1-3-1 人工关节的问题以及HA涂层的引入
§1-3-2 HA涂层的商业化制备技术
§1-3-3 钙磷盐涂层的电化学制备技术
§1-3-4 仿生化人工骨涂层的研究
§1-4 金属基植骨材料的电化学研究
§1-4-1 骨替代材料/生物环境界面
§1-4-2 金属基植骨材料的电化学研究
§1-4-3 材料/细胞界面EIS研究
§1-5本论文的研究目的和设想
参考文献
第二章 实验
§2-1 电化学沉积制备
§2-2 电化学沉积钙磷盐涂层的表征
§2-2-1 电化学沉积层的理化性能表征
§2-2-2 电化学沉积层的体外细胞培养实验
§2-3 钛/细胞界面原位EIS研究
§2-3-1 原位池设计
§2-3-2 阻抗谱的测量
参考文献
第三章 纳微米结构有序HA涂层及HA/胶原仿生骨涂层的电化学构筑
§3-1 HA涂层的电化学沉积制备及表征
§3-1-1 HA涂层的电化学沉积制备
§3-1-2 HA涂层的表征
§3-2 纳微米结构有序HA涂层的电化学构筑
§3-2-1 结构有序纳米HA涂层的电化学制备
§3-2-2 结构有序纳米HA涂层的表征
§3-3 HA/胶原仿生骨涂层的电化学构筑
§3-3-1 胶原蛋白的引入
§3-3-2 涂层的表征
§3-4 本章小结
参考文献
第四章 低浓度体系钙磷盐涂层电化学制备影响因素的研究
§4-1 基底材料的影响
§4-2 电解液组成的影响
§4-2-1 钙磷物种浓度的影响
§4-2-2 支持电解质的影响
§4-2-3 添加剂的影响
§4-2-4 起始pH值的影响
§4-3 电沉积过程参数的影响
§4-3-1 温度的影响
§4-3-2 电流密度的影响
§4-3-3 沉积时间的影响
§4-4 本章小结
参考文献
第五章 钙磷盐电化学沉积机理探讨
§5-1 钙磷盐溶液体系相关热力学分析
§5-1-1 常温钙磷盐水溶液体系状态图
§5-1-2 温度的影响
§5-2 低浓度体系HA涂层的沉积过程
§5-2-1 阴极界面化学环境
§5-2-2 HA涂层成核过程
§5-2-3 HA涂层生长过程
§5-3 低浓度体系HA涂层的沉积模型
§5-4 本章小结
参考文献
第六章 钛/活细胞界面原位EIS研究
§6-1 生物材料/细胞原位EIS测量系统的建立
§6-1-1 参比电极的选择
§6-1-2 原位电解池池体的构造
§6-2 钛/活细胞界面原位EIS测量
§6-2-1 钛/活细胞膜层界面EIS
§6-2-2 钛/活细胞膜层界面EIS随培养时间的变化
§6-3 本章小结
参考文献
第七章 结论与展望
作者攻读博士学位期间发表与交流的论文
致谢
发布时间: 2009-09-22
参考文献
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