鈦的表面改性及其對生物活性的影響研究.pdf

1、采用不同方法在鈦表面制備出活性氧化鈦(TiO2)薄膜，對其物化性能進(jìn)行了系列表征，考察了其在模擬人體體液(SBF)中誘導(dǎo)羥基磷灰石(HA)沉積的能力，并通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實驗和動物體內(nèi)植入實驗對其進(jìn)行初步生物學(xué)性能評價，探討了改性處理后鈦表面生物活性的改善情況，在此基礎(chǔ)上分析了不同改性方法對鈦表面的活化機(jī)理。本文研究內(nèi)容總結(jié)歸納如下:
　　 1.利用堿熱法處理鈦表面，部分樣品加熱到450℃和700℃進(jìn)行熱處理，獲得不同形貌和不同晶

2、型的TiO2薄膜。實驗得出:未經(jīng)熱處理的樣品表面以非晶態(tài)鈦凝膠層為主，450℃熱處理樣品主要以銳鈦礦相TiO2存在，700℃熱處理樣品主要以金紅石相TiO2出現(xiàn)。700℃熱處理后的樣品表面分布有大量50nm左右的納米顆粒，這些納米粒子的尺寸效應(yīng)能較好地誘導(dǎo)HA在樣品表面沉積形成，提高細(xì)胞的黏附和增殖，因此表現(xiàn)出較高的生物活性。450℃熱處理后的樣品表面相對于未處理樣品有更多的HA沉積，是因為表面層的晶型起了主要作用，即銳鈦礦ZiO2晶體

3、比無定型凝膠態(tài)TiO2更利于誘導(dǎo)HA沉積。但相對于未經(jīng)任何處理的空白樣品，僅用NaOH處理后的樣品表面較利于HA沉積，可能是堿處理后鈦表面羥基增加，進(jìn)而提高了其誘導(dǎo)HA沉積的能力。
　　 2.利用先酸后堿復(fù)合處理鈦表面，部分樣品加熱到450℃和700℃進(jìn)行熱處理，在鈦表面獲得不同形貌和不同晶型的TiO2薄膜。結(jié)果表明，酸堿復(fù)合處理樣品在450℃熱處理后表現(xiàn)出較好的生物活性，其主要?dú)w因于鈦表面納米級花蕊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形貌和銳鈦礦ZiO2

4、晶型的存在。酸堿復(fù)合處理樣品在700℃熱處理后表面沉積HA的量最少，且細(xì)胞增殖情況最差，這是因為此法處理后的樣品表面呈現(xiàn)納米棒晶體結(jié)構(gòu)，納米棒直徑和長度均大于450℃熱處理的納米絲形貌的鈦及未熱處理鈦，而且納米棒緊密結(jié)合程度也高于450℃熱處理及未熱處理的鈦，正是由于這樣緊密的較大尺寸晶體結(jié)構(gòu)造成其HA沉積能力低于450℃熱處理及未熱處理的鈦的情況。
　　 3.對比單純堿處理和酸堿復(fù)合處理下鈦表面相同晶型、不同形貌膜對其誘導(dǎo)HA

5、沉積能力和細(xì)胞增殖情況的影響，發(fā)現(xiàn)未熱處理下堿處理和酸堿復(fù)合處理樣品表面沉積的HA和細(xì)胞增殖情況無明顯差異，可能是兩種處理方法下鈦表面均呈現(xiàn)為相似蠶豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。450℃熱處理的酸堿復(fù)合處理樣品表面誘導(dǎo)HA沉積能力優(yōu)于相同溫度下單純堿處理的樣品，主要是前者表面為花蕊狀納米絲形貌尺寸較小，能更好地誘導(dǎo)HA沉積，并促進(jìn)細(xì)胞增殖。700℃熱處理下單純堿處理樣品的生物活性優(yōu)于相同熱處理溫度下酸堿復(fù)合處理的樣品，主要是堿處理表面的納米顆粒具有較小微觀

6、尺寸，更利于誘導(dǎo)HA的沉積和細(xì)胞增殖。
　　 4.通過微弧氧化和堿處理在鈦表面制備了不同結(jié)構(gòu)和成分的TiO2膜，對其進(jìn)行了系列表征。對比考察了微弧氧化處理和微弧氧化-堿復(fù)合處理兩種方法對鈦表面形貌、涂層成分、表面浸潤性、誘導(dǎo)HA沉積能力以及對細(xì)胞黏附及細(xì)胞毒性的影響。結(jié)果表明，微弧氧化-NaOH復(fù)合處理后的鈦表面TiO2薄膜呈現(xiàn)大量裂縫，表現(xiàn)出表面含大量OH極性基團(tuán)的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此微觀結(jié)構(gòu)和組成使樣品表面能明顯升高，材料表

7、面親水性增加，誘導(dǎo)羥基磷灰石生成能力顯著，利于成骨細(xì)胞黏附及繁殖，無細(xì)胞毒性，生物活性良好。
　　 通過植入兔股骨4周和12周體內(nèi)動物實驗組織學(xué)切片表明:材料無毒、無刺激性、與周圍組織間有良好的組織相容性，該材料植入動物骨環(huán)境中可刺激成骨，具有骨傳導(dǎo)作用。所有材料均有較好的生物安全性和良好的組織相容性，同時MAO-NaOH復(fù)合處理樣品的生物相容性較為優(yōu)異。
　　 5.利用氫氟酸、丙三醇、乙二醇溶液作為電解液，改變陽極氧化

8、時間和氧化電壓，研究不同條件下制備的鈦納米管陣列膜的變化趨勢。實驗顯示:氫氟酸溶液作為電解液時，隨氧化時間增加，納米管壁厚、管徑和管長先增加后減小;隨氧化電壓增大，納米管管徑和管壁厚呈增加趨勢，當(dāng)電壓達(dá)到20V時，管徑和管壁厚無明顯變化。丙三醇溶液作為電解液時，隨氧化電壓升高，納米管管徑和管長呈增加趨勢，當(dāng)氧化電壓達(dá)到40V后，納米管管徑變化不大，但出現(xiàn)脫落現(xiàn)象;隨氧化時間的增加，納米管管長呈增加趨勢，當(dāng)氧化時間大于8h后，管長趨于收斂

9、，增長不明顯。乙二醇溶液作為電解液時，隨氧化時間增加，管徑無明顯變化，管長呈增加趨勢，當(dāng)氧化時間大于16h后，管長變化趨于平穩(wěn)，繼續(xù)增加氧化時間，納米管出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。通過對這—系列參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)了TiO2納米管陣列管徑、管長和形貌等的可控制各。
　　 6.利用陽極氧化法在HF電解液體系中制備了高有序TiO2納米管。樣品分別在400℃和600℃下熱處理后，得到銳鈦礦和金紅石兩種晶型的TiO2納米管。對樣品進(jìn)行了表征，將樣品浸泡于模