钛表面功能化膜层的构建及电化学沉积钙磷涂层的研究

摘要

目前用于骨组织工程的钛基材料，虽然其具有优良的机械强度、化学稳定性及弹性模量与人骨相近等一系列优点，但其呈惰性的表面性质无法提供细胞可进行识别的特定位置信息，使其不具备良好的细胞相容性。生物材料的细胞相容性与其的表面性质，如表面形貌、表面自由能、表面亲疏水性和表面电荷等因素有关。因此有必要对钛基材料进行表面改性，通过表面化学处理技术或涂层技术可在材料表面产生特殊活性功能膜层，在赋予材料表面良好的细胞相容性的同时，又可以保留材料本体的性质如化学与物理机械性能等不发生改变，可制备出生物相容性良好的钛基植入体材料。
　　本文首先通过Piranha溶液（体积比H2SO4∶H2O2=7∶3）处理在医用钛表面形成纳米网状结构的氧化层。利用自组装技术在材料表面接枝十八烷基三氯硅烷(OTS)膜，并进行紫外光照，探讨不同电化学沉积条件对钙磷涂层微观形貌及结构的影响。通过电化学方法使钙磷涂层在紫外辐射下的OTS功能化钛表面可控沉积，通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)对钙磷涂层进行了表征，利用Scherrer公式对不同沉积条件下钙磷晶粒尺寸进行了探讨。结果表明改变参数，钙磷涂层的微观形貌不同，且其晶粒大小不一，尺寸范围在12.46nm～190.1nm之间。进一步探讨OTS膜层紫外光照前后亲疏水性对电化学沉积钙磷涂层的影响。利用傅里叶变换红外谱仪(FTIR)、接触角测定仪、XRD、FE-SEM对OTS膜和钙磷涂层进行了表征和分析。结果表明活性钛表面OTS的水接触角（109.8±2.1°）经UV辐照后降低到63.4±1.8°，其表面能由37.50mJ·m-2增加到45.18mJ·m-2，研究结果证实经UV辐照120min后的Ti-OTS表面钙磷涂层更均匀有序，有望能提高植入材料的稳定性。
　　另一方面，通过在羟基化钛表面自组装三种含有不同功能基团(-CH3、-NH2、-C(O)C)的硅烷偶联剂，由于官能团的作用赋予材料表面特定功能化，研究钛材料表面的成分、结构、形貌、能量状态、亲（疏）水性能和电荷等特征对改性后钛基材料表面电化学沉积钙磷涂层的结晶性能及细胞的粘附与增殖行为的影响。结果表明，功能化钛表面电沉积的钙磷涂层晶粒尺寸为纳米级，且不同功能基团作用的钛表面钙磷涂层形貌为差异明显的纳米花状，-CH3作用的钛表面与其它表面相比具有类似于天然羟基磷灰石优异的结晶性能。体外细胞实验表明功能化钛表面均具有良好的细胞相容性。综上所述，功能膜层的构建能为钛基钙磷涂层材料作为组织工程骨修复材料提供理论和实验依据。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 金属植入材料简介

1．1．2 钛基骨植入材料及其应用

1．1．3 钛基骨植入材料的表面改性

1．2 材料表面功能化改性

1．2．1 表面功能化改性方法

1．2．2 表面功能化改性意义

1．3 钛表面制备钙磷涂层

1．3．1 钙磷涂层简介

1．3．2 钙磷涂层的制备方法

1．3．3 改性钛表面电化学沉积方法制备钙磷涂层

1．4 本课题研究意义及内容

1．4．1 本课题研究意义与目的

1．4．2 本课题研究内容

第二章 OTS功能化钛表面电化学沉积钙磷涂层的工艺研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 样品制备

2．2．3 样品表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 OTS自组装膜层浓度对电化学沉积钙磷涂层的影响

2．3．2 电解液pH值对电化学沉积钙磷涂层影响

2．3．3 电解液温度对电化学沉积钙磷涂层影响

2．3．4 电流密度对电化学沉积钙磷涂层影响

2．3．5 沉积时间对电化学沉积钙磷涂层影响

2．3．6 OTS功能化钛表面电化学沉积钙磷涂层机理分析

2．4 本章小结

第三章 OTS功能化钛表面亲疏水性对电化学沉积钙磷涂层的影响

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 钛表面OTS成膜前后的傅里叶红外表征

3．3．2 钛表面亲疏水性及表面能分析

3．3．3 钛表面沉积钙磷涂层的SEM及EDS面扫描分析

3．3．4 电化学沉积钙磷涂层的XRD表征

3．3．5 钛表面OTS功能膜层和钙磷涂层的构建机制

3．4 本章小结

第四章 钛表面功能基团对电化学沉积钙磷涂层的影响

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 样品制备

4．2．3 样品表征方法

4．2．4 细胞相容性

4．3 结果与讨论

4．3．1 自组装硅烷偶联剂的ATR-FTIR分析

4．3．2 钛表面功能膜层的接触角及表面能分析

4．3．3 功能膜层表面电势分析

4．3．4 功能基团对钙磷涂层形貌及元素影响分析

4．3．5 钙磷涂层表面元素分析

4．3．6 功能基团对钙磷涂层晶型与结构影响分析

4．3．7 钛表面功能基团对钙磷涂层成核机理分析

4．3．8 细胞粘附形貌分析

4．3．9 细胞增殖活力检测

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

声明

致谢