Ti基板表面磷酸鈣-膠原復(fù)合薄層制備和表征.pdf

1、鈦及其合金由于具有良好的強(qiáng)度、韌性、硬度、生物相容性以及抗腐蝕能力被廣泛用于整形外科以及牙科的替代材料。骨骼是由細(xì)胞及鈣化的細(xì)胞間質(zhì)組成，細(xì)胞間質(zhì)的主要成分為水分、基質(zhì)及結(jié)晶不完全的缺鈣羥基磷灰石。而基質(zhì)的主要成分為膠原，還有少量的非膠原類蛋白質(zhì)。體外實(shí)驗(yàn)證明，磷酸鈣與膠原構(gòu)成的復(fù)合材料在很多生理環(huán)境下體現(xiàn)了良好生物活性以及生物降解性，即磷酸鈣與膠原的復(fù)合材料能夠有效促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)，其原因?yàn)槟z原類生物材料通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞攀附的方式，富集了

2、骨組織形成所需要的細(xì)胞和生長(zhǎng)因素。如將這樣有利于骨組織形成的環(huán)境賦予金屬植入體表面，那必定會(huì)使其與骨整合能力和質(zhì)量得到極大的提高，同時(shí)也可加快整合速度，減少治愈的時(shí)間。
　　 本文在前人工作的基礎(chǔ)上，采用電化學(xué)沉積技術(shù)，開展了鈦基板上制備磷酸鈣/膠原復(fù)合涂層的研究工作。首先在鈦基板表面制備磷酸鈣涂層，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)以優(yōu)化產(chǎn)物的成分以及微觀結(jié)構(gòu)；然后在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，制備磷酸鈣膠原的復(fù)合涂層，并進(jìn)行微觀形貌、成分、力學(xué)性能以及生

3、物性能方面的分析、研究；最后在各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)得到電化學(xué)沉積方法的機(jī)理。為后續(xù)電化學(xué)沉積研究奠定理論基礎(chǔ)。
　　 在鈦金屬表面通過(guò)電化學(xué)沉積的方法制備磷酸鈣涂層的過(guò)程中，隨著沉積時(shí)間從30min延長(zhǎng)至60min，磷酸鈣鹽的沉積持續(xù)進(jìn)行，能夠在基板表面形成磷酸鈣顆粒，同時(shí)膠原沉積出現(xiàn)致密化趨勢(shì)；電解液的初始pH值是決定膠原能否以網(wǎng)狀形式在基板表面沉積的重要因素，電解液初始pH值低于4.5時(shí)膠原無(wú)法在基板沉積，電解液pH值

4、高于5.5時(shí)膠原直接在溶液中析出，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的沉積；電壓為電化學(xué)沉積過(guò)程提供驅(qū)動(dòng)力，電壓低于2.8V時(shí)不能滿足沉積的熱力學(xué)條件，電壓高于3.5V時(shí)磷酸鈣與膠原均以無(wú)序亂堆的方式聚集在基板表面；本研究主要采用了兩種干燥方式：分別為冷凍干燥及空氣中平置干燥，干燥方式對(duì)產(chǎn)物表面形貌影響較大，冷凍干燥時(shí)表面蓬松多孔，膠原絲狀結(jié)構(gòu)明顯，而平置于空氣中干燥，由于水蒸發(fā)過(guò)程中表面張力的作用，膠原致密度較高。
　　 通過(guò)優(yōu)化沉積參數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電

5、壓達(dá)到3V，沉積時(shí)間為60min，沉積前pH值為5.0～5.3條件下，冷凍干燥法可以產(chǎn)生多孔狀復(fù)合涂層，而空氣中平置干燥法可以得到致密涂層。本研究最終得到了表面膠原礦化均勻的沉積產(chǎn)物，厚度在5-10微米，該涂層靠近基板處為致密的磷酸鈣涂層，外層為多孔礦化膠原纖維層，各層內(nèi)成分均勻。通過(guò)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行力學(xué)、生物學(xué)性能表征，以及微觀形貌、成分、結(jié)構(gòu)分析，建立了一個(gè)更為全面的電化學(xué)沉積磷酸鈣/膠原復(fù)合涂層的理論模型。該模型主要分為以下四個(gè)部分：電

6、化學(xué)初始階段，磷酸鈣在陰極的迅速沉積，與此同時(shí)，膠原向陰極移動(dòng)，并在等電點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)自組裝；在膠原等電點(diǎn)自組裝的過(guò)程中，磷酸鈣在膠原上定點(diǎn)成核生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)膠原的礦化；隨著陰極磷酸鈣沉積層的加厚，陰極反應(yīng)放慢，溶液中pH梯度變緩，膠原在無(wú)機(jī)離子及等電點(diǎn)的作用下，向陰極移動(dòng)；膠原表面礦化持續(xù)進(jìn)行，鈦基板上磷酸鈣的生長(zhǎng)持續(xù)進(jìn)行，膠原向基板靠近到合理距離時(shí)，磷酸鈣生長(zhǎng)重合，實(shí)現(xiàn)膠原與基底磷酸鈣的黏附。
　　 在此模型的指導(dǎo)下，我們獲得了力學(xué)