鈦材表面微納米結構的構建、改性及生物學評價.pdf

1、生物材料的表面拓撲結構和化學成分在調節(jié)蛋白質吸附、細胞粘附、遷移、鋪展、增殖和分化等生物學行為中起著至關重要的作用。隨著微/納米技術的快速發(fā)展，通過在材料表面構建微/納米結構來調控相關生物學行為被廣泛研究。同時，從仿生學角度出發(fā)，在生物醫(yī)用材料表面構建微/納復合結構可以達到與骨組織機械鎖合的目的。
　　由于其優(yōu)越的理化性能，鈦及鈦合金已被廣泛應用為骨科、牙科及心血管支架等植入體。然而，鈦材表面生物惰性，無法與周邊骨組織形成有效的骨

2、整合。因此，改善鈦植入體表面性能具有重大臨床應用的現(xiàn)實意義。適宜的表面改性不但可以保留鈦材優(yōu)良的力學性能，而且可以根據特定臨床應用需求而改善相關性質，如生物相容性、骨整合能力、抗細菌感染和抗癌等性質。本論文主要研究鈦材表面微納米結構的構建、改性及其生物學評價，為鈦材在臨床骨科應用提供理論基礎。本論文的主要研究內容和結論包括：
　　1.陽極氧化法制備二氧化鈦納米管及機理研究
　　本文利用陽極氧化法在鈦材表面原位構建了不同管徑的

3、二氧化鈦納米管，并對二氧化鈦納米管的形成機理進行了研究。首先，我們研究了不同氟電解液對二氧化鈦納米管形成的影響，結果表明0.27摩爾/升氟化銨丙三醇水溶液（丙三醇/水=1:1，體積比）作為電解液可以制備尺度可控且高度有序的二氧化鈦納米管；其次，我們研究了0.27摩爾/升氟化銨丙三醇/水電解液中水含量對二氧化鈦納米管形成的影響，結果表明該電解液體系中水的含量對二氧化鈦納米管的形成有重大影響；最后，本文以0.27摩爾/升氟化銨丙三醇水溶液（

4、丙三醇/水=1:1，體積比）作為電解液研究了不同陽極氧化電壓（10-35伏）對二氧化鈦納米管管徑的影響，結果表明納米管的管徑隨著陽極氧化電壓的增加而增大，制備了不同管徑的系列二氧化鈦納米管（27-110納米）。當電壓增加到35伏時，在該電解液條件下無法形成高度有序的二氧化鈦納米管。
　　2.鈦材表面微/納復合結構對骨髓間充質干細胞分化的影響
　　為了研究鈦材表面微/納復合結構對骨髓間充質干細胞分化的影響，本文通過雙酸腐蝕和陽

5、極氧化法在鈦材表面構建了三種不同結構：微米結構、二氧化鈦納米管結構和微/納復合結構。分別以場發(fā)射掃描電子顯微鏡和接觸角測量儀對材料進行了表征。在體外研究了不同結構對骨髓間充質干細胞增殖和分化的影響。結果表明：與未處理的鈦材相比，具有微/納復合結構的鈦材提高了骨髓間充質干細胞的礦化和堿性磷酸酶的分泌。更為重要的是，骨鈣素和骨橋素的表達證明了微/納復合結構的鈦材在誘導骨髓間充質干細胞分化方面具有較大的潛力。本研究為提高鈦植入體的骨整合性提供

6、了一種的潛在選擇。
　　3.具有長效抗菌性能和良好生物相容性的鈦材納米結構的構建
　　為研發(fā)具有長效抗菌性能的納米結構化鈦植入體，本文將3-（三甲氧基硅基）丙基-二甲基十八烷基氯化銨（季銨鹽）接枝到銀沉積的二氧化鈦納米管上。利用加載X射線能譜的場發(fā)射掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外分光光度計、薄膜X射線衍射儀以及接觸角測量儀分別對材料進行了表征。結果表明，我們成功地制備了季銨鹽修飾的銀納米顆粒加載的二氧化鈦納米管納米結構化鈦材

7、。利用大腸桿菌抑菌圈和抗菌率實驗檢測了該材料的抗菌性能，并通過體外細胞實驗評價了材料的細胞毒性。結果表明，季銨鹽修飾的銀納米顆粒加載的二氧化鈦納米管納米結構化鈦材表現(xiàn)出了長效抗菌性能及良好的生物相容性。本研究為我們提供了一種有發(fā)展前景的制備抗菌鈦基植入體的方法。
　　4.兼具抗癌和抗菌性能的鈦材納米結構的構建
　　為研發(fā)具有抗癌和抗菌性能的納米結構化鈦植入體，本文首先通過陽極氧化法在鈦材表面制備二氧化鈦納米管，然后將硒電沉積

8、到二氧化鈦納米管中，最后用旋轉涂布技術涂覆多層殼聚糖。利用配備有X射線能譜的場發(fā)射掃描電子顯微鏡和接觸角測量儀分別對材料進行了表征。結果表明，我們成功地制備了殼聚糖多層修飾的載硒二氧化鈦納米管納米結構化鈦材。進而，以該基材體外研究其對成骨細胞與骨癌細胞生長的影響。結果表明，該殼聚糖多層修飾的載硒二氧化鈦納米管納米結構化鈦材有促進成骨細胞生長同時抑制骨癌細胞生長的巨大潛力。通過大腸桿菌的抗菌率實驗檢測材料的抗菌性能。結果表明，殼聚糖多層修

9、飾的載硒二氧化鈦納米管納米結構化鈦材具有良好的抗菌性能。本文提供了一種制備臨床醫(yī)用抗癌抗菌鈦植入體的新方法。
　　5.不同拋光鈦材表面類金剛石薄膜的制備及細胞/血液相容性評價
　　為提高鈦材植入體的細胞相容性和血液相容性，本文首先分別用機械拋光、化學拋光和電化學拋光法對鈦材表面進行處理，然后以磁控濺射法在經不同拋光處理的鈦材表面制備類金剛石薄膜。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡分別對鈦材表面拓撲結構和表面粗糙度進行了表

10、征，并通過拉曼光譜研究了類金剛石薄膜的結構。結果表明，我們成功地構建了系列類金剛石薄膜沉積的不同粗糙度的鈦材。利用體外成骨細胞活性和細胞增殖實驗評價了材料的細胞相容性。同時，通過血小板粘附和血溶率實驗檢測了材料的血液相容性。體外成骨細胞實驗結果表明，具有相對粗糙表面的鈦材表面可促進細胞功能，如細胞活性和細胞增殖。更為重要的是，濺射了類金剛石薄膜的鈦材相比未濺射類金剛石薄膜的鈦材顯示出了良好的血液相容性。結合細胞實驗和血液相容性實驗的結果