医用镍钛形状记忆合金的表面氧化和改性研究

摘要

本文采用过渡金属离子Fe<'2+>催化过氧化氢(H<,2>O<,2>)分解成具有高氧化电位的羟自由基(·OH)对医用镍钛形状记忆合金(NiTi SMA)进行高级氧化表面改性处理，并和空气中高温热氧处理进行对比研究。 采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)等系统地研究了高级氧化对NiTi SMA表面组织结构的影响。研究表明，高级氧化处理后NiTiSMA表面原位生成了无Ni的TiO<,2>凝胶膜，且进一步热水时效处理能提高TiO<,2>凝胶膜的结晶度。该TiO<,2>凝胶膜与NiTi SMA基体间界面成分呈梯度变化，无高温热氧化生成的富Ni中间层存在，有利于提高TiO<,2>凝胶膜与NiTi SMA基体的结合强度和改善生物相容性； 采用电化学腐蚀实验、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等研究高级氧化处理对NiTi SMA植入材料在模拟体液(SBF)中的耐腐蚀性能和抑制Ni离子释放能力的影响。研究发现高级氧化处理能显著提高NiTi SMA在模拟体液环境下的耐腐蚀性能，与已报道的氧等离子注入技术相类似，同时减少了有毒Ni离子的析出，其改性效果比高温热氧化方法更显著。 采用接触角测量、溶血实验、动态凝血实验和血小板黏附实验等研究了高级氧化处理对NiTi SMA血液相容性的影响，研究发现高级氧化后NiTi SMA表面的亲水性、溶血性能和抗凝血能力均得到改善，且黏附的血小板显著减少，变形和团聚得到抑制，血液相容性得到提高。 采用MTT细胞毒性实验研究了高级氧化和高温热氧化处理对NiTi SMA细胞相容性的影响，研究发现，高级氧化表面改性后NiTi SMA无细胞毒性，表面TiO<,2>凝胶膜有效抑制了Ni的溶出，促进了L929成纤维细胞的增殖；高温热氧化处理后，NiTi SMA在细胞培养初期具有良好的生物相容性，但随培养时间的延长，L929成纤维细胞的增殖受到抑制。 采用划痕实验研究了氧化层与NiTi SMA基体的结合强度，研究表明，与热氧化处理相比，高级氧化表面改性后NiTi SMA表面TiO<,2>凝胶膜与合金基体有更好的结合强度。采用弯曲实验和形状回复实验评价了高级氧化原位生成的TiO<,2>凝胶膜在镍钛基体相变或大塑性变形过程中的力学稳定性及其对基体形状记忆性能的影响。研究发现高级氧化生成的TiO<,2>凝胶膜对NiTi SMA的形状记忆特性没有影响，同时既可与全奥氏体态NiTiSMA一起承受大弹性弯曲变形，也可与全马氏态NiTi SMA一起承受大塑性变形，且能承受相变热冲击和相变导致的体积变化，具有很好的力学稳定性。研究表明高级氧化法是一种十分理想的医用NiTi SMA低温表面改性技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题背景

1.2生物医用材料的性能要求与分类

1.2.1生物材料的性能要求

1.2.2生物材料的分类

1.3NiTi SMA的基本性能

1.3.1NiTi SMA的形状记忆效应

1.3.2NiTi SMA的超弹性

1.3.3NiTi SMA的物理及力学性能

1.3.4NiTi SMA的生物化学性能

1.4NiTi SMA在生物医学上的应用及存在的问题

1.4.1NiTi SMA在医学上的应用

1.4.2镍离子的生物相容性及溶出

1.5NiTi SMA的表面改性研究进展

1.6高级氧化技术特点概述

1.7本文的研究目的和研究内容

第2章 实验材料和方法

2.1试验用材料

2.2NiTi SMA的表面氧化处理

2.2.1高温热氧化表面改性处理

2.2.2高级氧化表面改性处理

2.3表面成分与组织结构的分析

2.3.1薄膜X射线衍射(TF-XRD)相分析

2.3.2X射线光电子能谱(XPS)分析

2.3.3扫描电镜和能谱分析

2.4表面与基体力学性能的研究

2.4.1划痕试验

2.4.2弯曲试验和形状回复试验

2.5生物医学实验

2.5.1电化学腐蚀实验

2.5.2电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定Ni析出浓度

2.5.3表面接触角测定

2.5.4溶血试验

2.5.5动态凝血试验

2.5.6血小板黏附试验

2.5.7细胞毒性试验

第3章 氧化法表面改性对NiTi SMA表面组织结构的影响

3.1热氧化法表面改性研究

3.1.1热氧化对NiTi SMA表面组织结构的影响

3.1.2NiTi SMA的热氧化机理讨论

3.2高级氧化法表面改性研究

3.2.1高级氧化对NiTi SMA表面组织形态的影响

3.2.2高级氧化对NiTi SMA表面相组成和元素成分及价态的影响

3.2.3NiTi SMA的高级氧化机理讨论

3.3本章结论

第4章 氧化法表面改性对NiTi SMA生物医学性能的影响

4.1表面氧化处理后NiTi SMA的耐腐蚀行为研究

4.2NiTi SMA表面金属离子溶出试验

4.3氧化法表面改性对NiTi SMA表面亲水性能的影响

4.4氧化法表面改性对NiTi SMA血液相容性的影响

4.4.1溶血性研究

4.4.2动态凝血性研究

4.4.3血小板黏附行为研究

4.5细胞毒性研究

4.6氧化钛薄膜力学性能研究

4.6.1氧化层与基体结合强度研究

4.6.2弯曲试验和形状回复试验

4.7本章结论

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢