醫(yī)用鈦表面納微米有序結(jié)構(gòu)仿生膜層的構(gòu)筑及其生物性能的研究.pdf

1、生物材料植入生物體中，材料表面不可避免地要與諸多生物物種，如水、氨基酸、蛋白質(zhì)、細胞及組織等發(fā)生極為復雜的相互作用，生物材料的生物特性幾乎完全依賴于材料表面的物理化學性質(zhì)。通過對材料表面組分、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和修飾，可有效調(diào)控材料與生物體的相互作用，顯著優(yōu)化材料的生物性能。醫(yī)用鈦及其合金具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和機械適應性，已被廣泛應用于臨床硬組織修復和治療。但鈦合金自身沒有生物活性，不能直接與植入環(huán)境有效整合。因此，對醫(yī)用金屬鈦及其合金進行表面

2、仿生學的設(shè)計和表面化學組分、結(jié)構(gòu)的修飾，使之具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性、抗腐蝕性及耐磨損性等綜合性能，是當前生物材料和組織工程領(lǐng)域的一個核心性的研究課題和方向。 本論文基于仿生學的觀點，側(cè)重發(fā)展電化學沉積技術(shù)，在鈦金屬表面制備有序納微米二級結(jié)構(gòu)的磷酸八鈣(OCP)/膠原蛋白復合膜層及多孔OCP膜層，發(fā)展表面處理技術(shù)直接在鈦表面制備特殊納微米結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉及TiO2薄膜，探索膜層結(jié)構(gòu)、組分設(shè)計的可能性，以期通過對金屬鈦表面的仿生

3、學修飾，實現(xiàn)對表面化學組分和微結(jié)構(gòu)的可控制備，顯著提高醫(yī)用金屬鈦表面生物相容性、生物活性及力學性能。此外，還系統(tǒng)考察相關(guān)實驗參數(shù)對表面修飾膜層結(jié)構(gòu)和組成的影響，研究表面膜層形成過程的規(guī)律性，探討表面納微米二級結(jié)構(gòu)的形成機理。通過納米壓痕實驗、體外細胞培養(yǎng)實驗、體外模擬體液(SBF)浸泡實驗和體內(nèi)動物植入實驗等，綜合研究鈦表面修飾膜層組分、結(jié)構(gòu)與表面力學特性、生物相容性及生物活性的內(nèi)在關(guān)系，為高性能生物材料的發(fā)展和應用提供理論依據(jù)和技術(shù)支

4、撐。主要研究結(jié)果如下： 1.運用電化學沉積法控制一定的制備條件，在鈦金屬表面獲得了由帶狀OCP晶體組成的有序微米孔結(jié)構(gòu)的膜層。發(fā)展了電化學共沉積技術(shù)，在鈦金屬基底上首次成功構(gòu)筑了具有特殊納微米二級結(jié)構(gòu)的OCP/膠原蛋白復合膜層。研究表明，膠原的加入使OCP晶體尺寸細化到納米級，并通過與OCP實現(xiàn)分子水平的結(jié)合，形成更接近于自然骨的納微米孔狀有序結(jié)構(gòu)的OCP/膠原蛋白復合膜層。 2.采用鈦表面超親-超疏水微圖案模板技術(shù)和電

5、化學沉積鈣磷鹽技術(shù)，在鈦金屬基底表面成功實現(xiàn)了微圖案化的OCP膜層的構(gòu)筑。通過調(diào)整超親-超疏水微圖案模板的尺寸，精確可控制備具有納微米圖案尺度、結(jié)構(gòu)及最佳生物性能的表面膜層。 3.運用納米壓痕實驗研究了所制備的OCP膜層和OCP/膠原蛋白復合膜層的力學性能。結(jié)果表明，與單純的OCP膜層相比，OCP/膠原蛋白復合膜層具有更優(yōu)異的力學性能。復合膜層高度有序的納微米結(jié)構(gòu)及膜層中蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用，明顯提升了復合膜層的強韌性和結(jié)合力。

6、 4.模擬體液浸泡實驗表明，所制備的OCP/蛋白質(zhì)復合膜層和OCP膜層均可顯著誘導磷灰石形成，由于OCP/蛋白質(zhì)復合膜層具有與自然骨類似的表面成分和結(jié)構(gòu)，誘導磷灰石形成的能力更強。細胞培養(yǎng)表明，電化學制備的OCP/蛋白質(zhì)復合膜層可顯著增強成骨細胞的黏附與生長。動物植入實驗表明，我們制備的OCP/蛋白質(zhì)和OCP膜層樣品植入體內(nèi)后均表現(xiàn)為輕微的炎癥反應和快速的修復能力，覆有OCP/蛋白質(zhì)膜層的植入體植入早期階段的生物相容性更優(yōu)。生物性能

7、的綜合研究表明，電化學法構(gòu)筑的納微米二級有序結(jié)構(gòu)的OCP/膠原蛋白復合膜層具有優(yōu)異的生物相容性和生物活性。 5.系統(tǒng)考察了各種關(guān)鍵性實驗參數(shù)對OCP膜層和OCP/膠原復合膜層的表面組分、結(jié)構(gòu)等物理化學特性的影響，結(jié)果表明，在相當寬的實驗參數(shù)范圍內(nèi)，所制備的膜層中鈣磷鹽的主要成分均為OCP晶體，膜層中OCP晶體尺寸、排列、孔結(jié)構(gòu)、表面形貌及OCP晶體生長速度等與電化學沉積的實驗參數(shù)密切相關(guān)。 6.初步提出了納微多孔結(jié)構(gòu)形成

8、的“氫氣泡模板”物理模型。認為相互匹配的氣泡形成-消失的速度和鈣磷鹽晶體的生長速度以及軟硬度適合的晶粒是微米多孔結(jié)構(gòu)OCP膜層和OCP/膠原蛋白復合膜層形成的原因，強調(diào)膠原蛋白對納米OCP晶體生長過程的抑制作用。 7.發(fā)展表面處理技術(shù)直接在金屬鈦表面成功制備了具有納微米表面結(jié)構(gòu)的鈦酸納膜層和銳鈦礦型TiO2膜層。模擬體液浸泡實驗表明，由于銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)與磷灰石晶體結(jié)構(gòu)匹配良好、TiO2納米管結(jié)構(gòu)的巨大表面積及合適的表面微環(huán)境，使