微弧氧化鈦表面組織結(jié)構(gòu)調(diào)控和細胞行為及骨誘導(dǎo)性能.pdf

1、本文采用微弧氧化的方法在實體鈦及微珠燒結(jié)的多孔鈦表面制備了TiO2基含硅鈣元素的微弧氧化涂層。通過后續(xù)熱處理和水熱處理的方法對實體鈦表面微弧氧化涂層進行表面改性。采用X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線光電子譜(XPS)、傅立葉變化紅外光譜(FT-IR)、透射電子顯微鏡(TEM)、力學(xué)萬能實驗機和納米壓痕儀等分析手段研究了實體鈦表面微弧氧化涂層改性前后和多孔鈦表面微弧氧

2、化涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物化性能及涂層在模擬體液中誘導(dǎo)磷灰石的能力。采用酶標(biāo)儀、激光共聚焦顯微鏡(CLMS)、紫外分光光度計等分析手段,研究了涂層表面細胞增殖、黏附、細胞骨架、細胞活性等細胞學(xué)行為和血液相容性。通過種植體兔脛骨體內(nèi)植入的實驗方法、采用X射線影像、Micro-CT、生物力學(xué)測試、組織學(xué)切片等分析手段研究了種植體與兔脛骨組織的結(jié)合能力和體內(nèi)相容性。此外,為解決植入體導(dǎo)致的炎癥問題,本文研究了在涂層表面上載抗生素藥物及釋放

3、機制。
　　本文采用了100、200、400、600μm直徑的鈦珠真空燒結(jié)制備了多孔鈦。采用EDTA-2Na+Ca(CH3COO)2.H2O+Na2SiO3.9H2O+NaOH的電解液,在實體鈦和多孔鈦表面制備了TiO2基含硅鈣微弧氧化涂層(SC)。SC涂層中主要物相為銳鈦礦,涂層和基體之間界面結(jié)合良好。SC涂層中主要含有 Ca、Si、Na、Ti和O元素。隨著微弧氧化電壓升高,SC涂層表面 Ca、Si和Na含量增加,Ti含量降低。

4、各種元素在涂層內(nèi)部存在梯度分布。SC涂層中Ti、O、Ca、Si分別對應(yīng)Ti4+和Ti2+、O2-、Ca2+、Si4+化學(xué)態(tài)。電壓對Ca和Si元素的化學(xué)態(tài)沒有明顯的影響。隨著制備電壓增高,SC涂層表面硬度、彈性模量、抗腐蝕性提高,潤濕性和表面粗糙度增加。隨著鈦珠直徑的增加,多孔鈦孔隙率與力學(xué)性能逐漸降低。多孔鈦SC涂層厚度隨鈦珠直徑增加而升高。
　　SC涂層經(jīng)過700℃和800℃熱處理后表面形成金紅石和榍石,表面變得粗糙,涂層厚度增

5、加,抗腐蝕性能和力學(xué)性能提高。SC涂層熱處理后除了Ti2+轉(zhuǎn)化為Ti4+以外,其它各個元素的化學(xué)態(tài)不變。水熱處理SC涂層表面形成竹葉狀、條狀、線狀TiO2。在水熱反應(yīng)過程中,Si、Ca離子發(fā)生溶解。此外,SC涂層水熱處理過程中,涂層中的TiO2會受到OH-離子的攻擊,形成HTiO3-離子,引起Ca2+和Na+離子在涂層表面沉積,從而形成鈦酸鈣和鈦酸鈉水合物。
　　在SBF浸泡過程中,SC涂層中的Na+離子能夠和SBF中的H3O+離

6、子發(fā)生離子交換形成Si-OH,增強了磷灰石的形核。而且磷灰石能夠生長嵌入SC涂層的微孔中。此外,電壓增加使得SC涂層中Si、Ca含量增加,從而提高了磷灰石誘導(dǎo)能力。多孔鈦SC涂層磷灰石誘導(dǎo)能力優(yōu)于實體鈦SC涂層,主要由于多孔結(jié)構(gòu)和多孔鈦SC涂層中引入的Si、Ca元素的含量高。由于榍石相的增多,熱處理SC涂層隨熱處理溫度升高誘導(dǎo)磷灰石能力增強。SC涂層經(jīng)過水熱處理以后形成HA和鈦酸鹽水合物,磷灰石誘導(dǎo)能力明顯增強。在SBF浸泡過程中,鈦酸

7、鹽水合物中的Ca2+和Na+離子與SBF中的H3O+離子發(fā)生交換形成Ti-OH,提高了磷灰石形成能力。各種誘導(dǎo)的磷灰石都含有HPO42-和CO32-等功能團。
　　SC涂層及其改性涂層表面上載的頭孢唑林鈉/殼聚糖復(fù)合藥物薄膜具有藥物緩釋性能。藥物薄膜能夠沉積到微弧氧化的微孔中,涂覆次數(shù)增加、殼聚糖的引入能增強頭孢唑林鈉的緩釋能力。800℃熱處理SC涂層表面藥物緩釋能力略好于其它涂層。多孔鈦SC涂層表面藥物緩釋能力好于實體鈦SC涂層

8、,因為多孔鈦具有更大的承載藥物空間。殼聚糖和頭孢唑林鈉之間主要通過庫倫作用、范德華力作用、氫鍵作用等形式進行結(jié)合。藥物薄膜和SC及熱處理SC涂層之間也會出現(xiàn)各種物理化學(xué)吸附反應(yīng),涉及到涂層的Si-OH、Ti-O結(jié)構(gòu)和藥物的-C=O、OH、-NH2基團發(fā)生作用。
　　隨著微弧氧化電壓增高,SC涂層表面細胞增殖能力增強,涂層表面細胞活性與純鈦無差別,細胞骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)于純鈦表面。多孔鈦 SC涂層表面細胞黏附能力早期弱于純鈦表面,但是后期黏

9、附能力強于鈦表面,且細胞黏附形態(tài)與鈦珠直徑有關(guān)。多孔鈦 SC涂層利于早期的細胞增殖,細胞培養(yǎng)7天后與未氧化多孔鈦增殖能力無顯著差別。不同直徑鈦珠燒結(jié)多孔鈦 SC涂層表面細胞活性差別不顯著,多孔鈦結(jié)構(gòu)利于優(yōu)化表面細胞肌動蛋白骨架。隨著熱處理溫度提高,SC涂層表面的細胞黏附,增殖、細胞活性等均提高,細胞形態(tài)與骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)良。水熱處理 SC涂層表面利于細胞黏附和增殖,細胞黏附形態(tài)完整。不同水熱處理條件制備的SC涂層表面細胞黏附率、增殖率和細胞活

10、性無顯著差別。本實驗各種涂層均無溶血能力,血液相容性良好。
　　不同電壓制備的SC涂層種植體、熱處理SC涂層種植體植入兔脛骨內(nèi),體內(nèi)相容性優(yōu)良,在植入期間無排斥感染現(xiàn)象出現(xiàn)。種植體周圍骨組織吸收良好,沿種植體有骨組織生長。自兔脛骨內(nèi)取出的種植體可觀察到沉積的骨組織和成骨細胞,骨組織與種植體的結(jié)合強度隨微弧氧化電壓和熱處理溫度增加而加強。多孔鈦SC涂層種植體植入兔脛骨內(nèi),表現(xiàn)出的生物性能與實體鈦SC種植體類似,但是與骨組織的結(jié)合強度